三相半波可控整流电路课程教学设计(中北大学).doc

^` 电力电子技术 课程设计说明书 三相半波可控整流电路设计 学生姓名： 李明雨 学号：1307044353 学生姓名： 李秋月 学号：1307044357 学 院：计算机与控制工程学院 专 业：电气工程及其自动化 指导教师： 李晓 秦鹏 2016年 1月 中北大学 课程设计任务书 2015/2016 学年第 一 学期 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 李明雨 学 号： 1307044353 学 生 姓 名： 李秋月 学 号： 1307044357 课程设计题目： 三相半波可控整流电路设计 起 迄 日 期: 2015年12月27日 ~2016年 1月 8日 课程设计地点: 德怀楼八层虚拟仿真实验室 指 导 教 师: 李晓 秦鹏 学科部副主任： 刘天野 下达任务书日期: 2015 年 12月 26日 课 程 设 计 任 务 书 1．设计目的： 1) 了解并掌握电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力 2) 学习Visio绘图软件和Matlab仿真软件 2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 1) 设计的电路为三相半波可控整流电路，负载为电阻负载。 2) 已知参数：直流负载电阻，三相交流电压 (V)， (V)， (V) 3) 绘制电路原理图。首先，分别分析并计算电阻两端平均电压和时，功率管相对应的触发角。其次，按照原理图，在仿真软件中建立仿真模型，验证计算结果，结果应包含电阻两端平均电压和时的电路工作的波形图。并对仿真结果进行必要的文字分析。 3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕： 1) 根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定器件类型，可供选择的变流器件为晶闸管、Mosfet和IGBT，设计电路原理图； 2) 画出电路方框图，完成电路各部分的指标分配，计算各单元电路的参数和确定各元件的参数值，叙述主要元器件的功能及他们之间的控制关系和数据传输。 3) 用Visio绘图软件绘制电路原理图 4) 利用Matlab仿真软件对电路图进行仿真分析。 课 程 设 计 任 务 书 4．主要参考文献： [1] 王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2008 [2] 刘志刚.电力电子学.清华大学出版社.2009 [3] 石 玉.电力电子技术例题与电路设计指导.机械工业出版社.2003 [4] 张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012 5．设计成果形式及要求： 1) 电路原理图 2) Matlab仿真电路结果图 3) 课程设计说明书。 6．工作计划及进度： 2015年12月27日 ~ 12 月29日 设计电路 2015年12月29日 ~ 01 月 01日 绘制电路原理图 2016年01月02 日 ~ 01 月06 日 对设计的电路进行Matlab仿真，撰写课程设计 说明书 2015年01 月 07 日 答辩 学科部副主任审查意见： 签字： 年 月 日 目录 1 引言 2 2 设计方案论证 2 2. 1 电路原理图 2 2．2设计指标 2 2．3工作原理 2 3 参数的计算 2 4 触发角参数计算 2 5 触发电路的设计 2 6 硬件电路设计及描述 2 6．1建立仿真模型 2 6. 2仿真结果与分析 2 7 总结 2 8 附录 2 参 考 文 献 2 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 2．1 电路原理图 图1 三相半波可控整流电路原理图 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。 2．2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α=120 4）纯电阻负载 2．3工作原理 图 1.1 三相半波可控整流电路电阻负载时的波形 图 1.2三相半波可控整流电路电阻负载时的波形 图 1.3三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120，规定ωt=π/6为控制角α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π/6处，即ωt1、ωt2、ωt3 ，自然换相点之间互差2π/3，三相脉冲也互差120。 在ωt1时刻触发VT1，在ωt1～ωt2区间有uu＞uv、uu＞uw，u相电压最高，VT1承受正向电压而导通，输出电压ud＝uu。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ωt2时刻触发VT2，在ωt2～ωt3区间 v相电压最高，由于uu＜uv，VT2承受正向电压而导通， ud＝uv。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ωt2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ωt3时刻触发VT3，在ωt3～ωt4区间w相电压最高，由于uv＜uw，VT3承受正向电压而导通，ud＝uw。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2π/3，在其余4π/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α=0 时，VT1在VT2、VT3导通时仅承受反压，随着α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120。增大α，则整流电压相应减小。 α=30是输出电压、电流连续和断续的临界点。当α＜30时，后一相的晶闸管导通使前一相的晶闸管关断。当α＞30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。 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，URM= U2 =U2。α=150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0～150。 3 参数的计算 三相桥式全控整流电路中，整流输出电压的波形在一个周期内脉动3次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/3周期）进行计算即可。对于电阻性负载而言，当<时，例如=，上图1.1所示，各晶闸管上的触发脉冲，其相序与电源的相序相同，各相触发脉冲依次间隔，在一个周期内，三相电源轮流向负载供电，每相晶闸管各导电，负载电流是连续的。增大值，即触发脉冲后移，则整流电压相应减小。当=时，如上图1.2所示，从输出电压、电流的波形可看出，这时负载电流处于连续和断续的临界状态，各项仍导电。如果>，例如=，如上图1.3所示，当导通的一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，此时下一相晶闸管虽然承受正向电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，姑输出电压和电流都为零，直到下一相触发脉冲出现为止，显然电流断续，各晶闸管导电时间都小于。如果角继续增大，那么整流电压将越来越小。当=时，整流输出电压为零。故电阻负载时要求的移相范围为。 下面分两种情况来计算整流电压的平均值： （1）≤30时，负载电流连续，有： （公式3-1） 当时，为最大，。 （2） a>30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有： （公式3-2） 当时， 4 触发角参数计算 1） 当电阻两端的平均电压为72V时： 根据公式3-1可得， 2） 当电阻两端的平均电压为82V时： 根据公式3-2可得， 5 触发电路的设计 触发器输入端与变压器二次侧电压对应连接，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5-1三相半波整流电路触发电路 6 硬件电路设计及描述 6．1建立仿真模型 示波器六个通道信号依次是：①三相电源电压；②三相电源电流；③同步脉冲信号；④晶闸管1VT的电流，晶闸管1VT的电压；⑤电阻性负载电流di；⑥电阻性负载电压dU。 图6-1三相半波可控整流电路(电阻性负载)的MATLAB仿真模型 6.2仿真结果与分析 触发角α=0，MATLAB仿真波形如下： Ud=72V时,MATLAB仿真波形如下: Ud=82V时，MATLAB仿真波形如下: 7 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。 8 附录 在本次课程设计中： 李明雨所负责工作主要为：电路原理图的绘制，MATLAB仿真图的模拟全过程。李秋月在此期间起辅助作用。 李秋月所负责主要工作为：利用Visio以及MathType绘制电路图和波形图，课程设计文档的制作。李明雨在此期间起辅助作用。 参 考 文 献 [1] 王兆安.电力电子技术.机械工业出版社，2009 [2] 王维平.现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，1999 [3] 叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，1999 [4] 马建国 孟宪元.电子设计自动化技术基础.清华大学出版社，2004 [5] 丁道宏.电力电子技术.北京：航空工业出版社，1992 [6] 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