三相半波可控整流电路课程设计(中北大学).doc

1 引言 整流电路是出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电，电路形式多种多样。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波的基础上进行分析。 随着时代的进步和科技的发展，拖动控制的电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义.长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位，这主要是因为直流电机不仅调速方便，而且在磁场一定的条件下，转速和电枢电压成正比，转矩容易被控制；同时具有良好的起动性能，能较平滑和经济地调节速度。因此采用直流电机调速可以得到良好的动态特性。由于直流电动机具有优良的起、制动性能，宜与在广泛范围内平滑调速。在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控硅电力拖动的领域中得到广泛应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动系统的基础，长期以来，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速系统。因此，直流调速系统一直在调速系统领域内占重要位置。 熟悉单相整流电路线路简单，价格便宜，制造、调整、维修都比较容易，但其输出的直流电压脉动大，脉动频率低。又因为它接在三相电网的一相上，当容量较大时易造成三相电网不平衡，因而只用在容量较小的地方。一般负载功率超过4kw要求直流电压脉动较小时，可以采用三相可控整流电路。悉三相半波可控整流电路带电阻负载工作原理，研究可控整流电路在电阻负载工作状态。通过设计培养我们对电子线路的分析与应用能力、电子器件的应用能力。 2 设计方案论证 设计题目：三相半波可控整流电路设计21 电路图图2-1三相半波可控整流电路(电阻性负载)的电路原理图为了得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有公共端，连线方便。22 设计指标 1）电源电压：三相交流U2：100V/50Hz 2）输出功率：500W 3）触发角=120° 4）纯电阻负载23 工作原理 主电路理论图如图2-1所示。假设将电路中的晶闸管换作二极管，并用VD表示，该电路就成为三相半波可控整流电路。此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压，波形如图2-1所示。在相电压的交点处，均出现了二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，称这些交点为自然换相点。自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角的起点，即=0°。要改变触发角只能是在此基础上增大它，即沿时间坐标轴向右移。图2-2三相半波可控整流电路电阻负载时的波形 图2-3三相半波可控整流电路电阻负载时的波形 图2-4三相半波可控整流电路电阻负载时的波形 稳定工作时，三个晶闸管的触发脉冲互差120º，规定t=/6为控制角的起点，称为自然换相点。三相半波共阴极可控整流电路自然换相点是三相电源相电压正半周波形的交叉点，在各相相电压的/6处，即t1、t2、t3，自然换相点之间互差2/3，三相脉冲也互差120。 在t1时刻触发VT1，在t1t2区间有uuuv、uuuw，u相电压最高，VT1承受正向电压而导通，输出电压uduu。其他晶闸管承受反向电压而不能导通。VT1通过的电流iT1与变压器二次侧u相电流波形相同，大小相等。 在t2时刻触发VT2，在t2t3区间 v相电压最高，由于uuuv，VT2承受正向电压而导通，uduv。VT1两端电压uT1=uu-uv= uuv<0，晶闸管VT1承受反向电压关断。 在VT2导通期间，VT1两端电压uT1=uu-uv=uuv。在t2时刻发生的一相晶闸管导通变换为另一相晶闸管导通的过程称为换相。 在t3时刻触发VT3，在t3t4区间w相电压最高，由于uvuw，VT3承受正向电压而导通，uduw。VT2两端电压 uT2= uv-uw=uvw<0，晶闸管VT2承受反向电压关断。在VT3导通期间VT1两端电压uT1= uu-uw=uuw。 这样在一周期内，VT1只导通2/3，在其余4/3时间承受反向电压而处于关断状态。只有承受高电压的晶闸管元件才能被触发导通，输出电压ud波形是相电压的一部分，每周期脉动三次，是三相电源相电压正半波完整包络线，输出电流id与输出电压ud波形相同 (id=ud/R)。 电阻性负载=0º 时，VT1在VT2、VT3导通时仅承受反压，随着的增加，晶闸管承受正向电压增加；其他两个晶闸管承受的电压波形相同，仅相位依次相差120º。增大，则整流电压相应减小。=30º是输出电压、电流连续和断续的临界点。当30º时，后一相的晶闸管导通使前一相的晶闸管关断。当30º时，导通的晶闸管由于交流电压过零变负而关断后，后一相的晶闸管未到触发时刻，此时三个晶闸管都不导通，直到后一相的晶闸管被触发导通。若角继续增大，整流电压降越来越小，=150°是，整流输出电压为零。从上述波形图可以看出晶闸管承受最大正向电压是变压器二次相电压的峰值，UFM =U2，晶闸管承受最大反向电压是变压器二次线电压的峰值。=150º时输出电压为零，所以三相半波整流电路电阻性负载移相范围是0º150º。24 基本数量关系1） 整流电压的平均值分两种情况：（1）30°时，负载电流连续，有：公式2-4-1 当时，为最大，。（2）>30°时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：公式2-4-22）晶闸管的有效值：（1）30°时公式2-4-3（2）>30°时公式2-4-43）晶闸管额定电压 晶闸管电压定额（一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的2-3倍）=(23)=（490735）V4）计算电阻值三相交流=100>30°时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：公式2-4-2将=100代入公式2-4-2，得已知功率500，代入，得电阻3 触发电路的设计 发电路采用同步六脉波触发器，触发器输入端与变压器二次侧电压对应连接，Block作为触发器开关的使能信号。因为同步六脉波触发器每个脉冲之间相差60°。 所以选取脉冲信号中的1，3，5触发脉冲，分别连接晶闸管的三个门极端。每个触发脉冲相差120°，依次触发晶闸管。为避免触发信号过小，在触发器输出端连接一放大器，放大脉冲信号10倍。如图所示：图3-1 三相半波整流电路触发电路4 硬件电路设计及描述41 建立仿真模型 示波器六个通道信号依次是：三相电源电压；三相电源电流；同步脉冲信号；晶闸管的电流，晶闸管的电压；电阻性负载电流；电阻性负载电压。图 4-1 三相半波可控整流电路(电阻性负载)的MATLAB仿真模型42 仿真结果与分析 触发角=120°，MATLAB仿真波形如下：5 总结 两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。 通过这次设计，本人在多方面都有所提高,综合运用本专业所学课程的理论和实际知识进行一次设计工作的训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了整流电路设计等课程所学的内容，掌握整流电路设计的方法和步骤，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。 在设计过程中对三相半波可控整流电路的工作原理有了更深入的了解。三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。在前面分析整流电路时，均未考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，认为换相是瞬时完成的。但实际上变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中的电感LB表示，并将其折算到变压器二次侧。由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间。同时也对matlab这一款庞大的仿真软件有了初步的认识。对matlab中的simulink仿真模块有了深入了解。 在这次设计过程中，体现出自己单独设计能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受老师们的批评与指正。 参 考 文 献1 王兆安.电力电子技术.机械工业出版社，20092 王维平.现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，19993 叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，19994 马建国 孟宪元.电子设计自动化技术基础.清华大学出版社，20045 丁道宏.电力电子技术.北京：航空工业出版社，19926 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社，2006