电力电子技术课程设计.doc

课 程 设 计 任 务 书

专 业
自动化
班 级
1班
姓 名
王站修
设 计 起 止 日 期
2012.12.24~201212.28
设计题目：三相半波可控整流电路的设计（电阻性负载）
设计任务（主要技术参数）：
1.主要技术参数 （已知条件）
输入电压为380V，60Hz，输出功率为2kw
晶闸管的重复峰值电压为：

=2.45×380=931V
2.利用软件画出电路原理图并仿真
3.编写设计说明书
指导教师评语：

成绩： 签字：
年 月 日

1

课程设计说明书用纸 NO.1
1．课程设计目的
三相半波可控整流电路是由三个整流元件即三个晶闸管按照固定的连接方式构成的一种电路，其作用是把交流电整流成为直流电然后对负载供电达到预期的目的。本设计通过计算机控制触发电路的方法，主要由芯片C8051-F020微控制器来控制并在不同的时刻发出不同的脉冲信号去控制3个SCR，使得晶闸管获得不同的导通角，以此电路负载获得不同的供电情况。本文还集中阐述了不同情况下电路的运行结果，论证了三相可控整流电路的原理的正确性，得出了三相可控整流电路具有较好的整流作用，具有较好的发展前景的结论。
关键词：
电力电子 晶闸管 三相 导通角 整流
1.1电力电子简介
电力电子技术是在电子，电力与控制技术基础上发展起来的一门新兴交叉学科，被国际电工委员会命名为电力电子学或称为电力电子技术。近20年来，电力电子技术已渗透到国民经济各领域，如工农业经济建设,交通运输,空间技术,国防现代化,医疗,环保,和亿万人们日常生活，并取得了迅速的发展，因此对电力电子技术的研究更为重要。
1.2三相半波可控整流电路用途
电力电子技术中三相半波可控整流电路尤为重要。本文主要介绍三相半波可控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图,由工频三相电压380V经升压变压器后由SCR(可控硅)再整流为直流供负载用。但是由于工艺要求大功率,大电流,高电压,因制比较复杂,特别是触发电路部分必须一一对应,否则输出的电压波动大甚至还有可能短路造成设备损坏。整流电路技术在工业生产上应用极广。
整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20 世纪70 年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出
11 沈 阳 大 学
课程设计说明书用纸 NO.2
电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1，变成二次电压U2。由晶闸管等组成的全控整流主电路，其输出端的负载，我们研究是电阻性负载、电阻电感负载（如直流电动机的励磁绕组，滑差电动机的电枢线圈等）。以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压U2 一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。
1.3 电力电子技术发展史
　　电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展是以电力电子器件的发展为基础的。电力电子技术的发展史，图1所示。

图1电力电子技术的发展
一般认为，电力电子技术的开始是以1957年第一个晶闸管的诞生为标志的。但在晶闸管出现之前，电力电子技术就已经用于电力变换了。因此，晶闸管出现前的时期称为电力电子技术的史前期。
1876年出现了硒整流器。1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进
课程设计说明书用纸 NO.3
行控制，并应用于通信和无线电，从而开创了电子技术之先河。1911年出现了金属封装水银整流器，它把水银封于管内，利用对其蒸气的点弧可对大电流进行有效控制，其性能与晶闸管类似。20世纪30~50年代，是水银整流器发展迅速并广泛应用时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动。
20世纪50年代初，1953年出现了锗功率二极管；1954年出现了硅二极管，普通的半导体整流器开始使用；1957年诞生了晶闸管，一方面由于其变换能力的突破，另一方面实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制，使之很快取代了水银整流器和旋转变流机组，进而使电力电子技术步入了功率领域。变流装置由旋转方式变为静止方式，具有提高效率、缩小体积、减轻重量、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。因此，其优越的电气性能和控制性能，在工业上引起一场技术革命。
　　在以后的20年内，随着晶闸管特性不断提高，晶闸管已经形成了从低电压、小电流到高电压、大电流的系列产品。同时研制出一系列晶闸管的派生器件，如快速晶闸管（FST）、逆导晶闸管（RCT）、双向晶闸管（TRIAC）、光控晶闸管（LTT）等器件，大大地推动各种电力变换器在冶金、电化学、电力工业、交通及矿山等行业中的应用，促进了工业技术的进步，形成了以晶闸管为核心的第一代电力电子器件，也称为传统电力电子技术阶段。
　　晶闸管通过对门极的控制可以使其导通，而不能使其关断，因此属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。即使在电流、电压这2个方面，晶闸管系列器件仍然有一定的发展余地，但因下述原因阻碍了它们的继续发展：①由于它是半控器件，要想关断它必须用强迫换相电路，结果使得电路复杂、体积增大、重量增加、效率较低以及可靠性下降；②由于器件的开关频率难以提高，一般低于400Hz，大大限制了它的应用范围；③由于相位运行方式使电网及负载上产生严重的谐波，不但电路功率因数降低，而且对电网产生“公害”。随着工业生产的发展，迫切要求新的器件和变流技术出现，以便改进或取代传统的电力电子技术。
　　20世纪70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（Power MOSFET）为代表的第二代自关断全控型器件迅速发展。
课程设计说明书用纸 NO.4
全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可以使其开通，又可以使其关断。另外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可以用于开关频率较高的电路。全控器件优越的特性使其逐渐取代了变流装置中的晶闸管，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。
　　和晶闸管电路的相位控制方式想对应，采用全控型器件的电路主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的地位。它使电路的控制性能大大改善，使以前难以实现的功能得以实现，对电力电子技术的发展产生了深远的影响。
20世纪80年代，出现了以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的第三队复合型场控半导体器件，另外还有静电感应式晶体管（SIT）、静电感应式晶闸管（SITH）、MOS晶闸管（MCT）等。这些器件不仅有很高的开关频率，一般为几十到几百千赫兹，而且有更高的耐压性，电流容量大，可以构成大功率、高频的电力电子电路。
1.4电力电子技术发展前景
　　20世纪80年代后期，电力半导体器件的发展趋势是模块化、集成化，按照电力电子电路的各种拓扑结构，将多个相同的电力半导体器件或不同的电力半导体器件封装在一个模块中，这样可以缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。现在已经出现了第四代电力电子器件——集成功率半导体器件（PIC），它将电力电子器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯片上，开辟了电力电子器件智能化的方向，应用前景广阔。目前经常使用的智能化功率模块（IPM），除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流和过热等故障检测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身不受损害。
现代电力电子技术(Modern Power Electronic Technique)主要以该领域中那些后起的，目前最具发展前景的全控型电力电子器件如Power-MOSFET、IGBT、MCT、PIC等为背景， 介绍它们的基本结构、工作原理、主要参数、应用特点，以及器件应用中的驱动、保护等基本问题，分别介绍在硬PWM开关和软PWM开关条件下的各类变换电 路，如DC-DC, DC-AC, AC-AC, AC-DC等变换电路的基本原理、电路特点、波形分析和各种负载对电路工作的影响分析和初步设计、计算。通过本课程的学习使学生熟悉各种电力电子器件的特 性和使用方法，掌握各种变换
课程设计说明书用纸 NO.5
电路的结构、工作原理和控制方法，获得电力电子技术必要的基本理论、基本分析方法以及基本技能，为从事与电力电子技术应用相关 的工程技术工作和科学研究打下一定的基础。
2．设计方案论证
2.1当电路带电阻负载时的工作情况
2.1.1原理说明
三相半波可控整流电路为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流人电网。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。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不可控整流电路，以下分析其工作情况。此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则是该相所对应的。
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，在一个周期中，器件工作情况如下：在ωt1～ωt2期间，α 相电压最高，VD1导通，ud= ua；在ωt2～ωt3期间，b 相电压最高，VD2导通，ud= ub；在ωt3～ωt4期间，c 相电压最高，VD3导通，ud= uc。此后，在下一周期相当于ωt1的位置即ωt4时刻，VD1又导通，重复前一周期的工作情况。如此，一周期中VD1、VD2、VD3轮流导通，每管各导通120度。ud波形为三个相电压在正半周期的包络线。
在相电压的交点ωt1、ωt2、ωt3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。对三相半波可控整流电路而言，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α的起点，即α=0度，要改变触发角只能是在此基础上增大，即沿时间坐标轴向右移。若在自然换相点处触发相应的晶闸管导通，则电路的工作情况与以上分析二极管整流工作情况一样。由单相可控整流
电路可知，各种单相可控整流电路的自然换相点是变压器二次电压u2过零点。当α = 0度时，变压器二次侧 a 相绕组和晶闸管VT1的电流波形如图所示，另两相电流波形形状相同，相位依次滞后120度，可见变压器二次绕组电流有直
课程设计说明书用纸 NO.6
流分量。
VT1两端的电压波形，由3段组成：第1段, VT1导通期间，为一管压降，可近似为uVT1=0；第2段，在VT1关断后,，VT2导通期间，uVT1= ua－ub = uab ,为一段线电压；第3段，在VT3 导通期间，uVT1= ua－uc = uac为另一段线电压。即晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成。由图可见，α = 0度时，晶闸管承受的两段线电压均为负值，随着 α 增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。其他两管上的电压波形形状相同，相位依次差120度。增大 α 值，将脉冲后移，整流电路的工作情况相应地发生变化。
  当α=30度时的波形。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，各相仍导电120度。
如果α >30度，当导通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承受正电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，因此输出电压电流均为零，直到触发脉冲出现为止。这种情况下，负载电流断续，各晶闸管导通角为90度，小于120度。若α角继续增大，整流电压将越来越小，α＝150度时，整流输出电压为零。故电阻负载时 α 角的移相范围为150度电路ud=ua与α的关系。
2.1.2负载电压
整流电压平均值的计算分两种情况：
α≤30度时，负载电流连续，有

当 α = 0 时，Ud 最大，为 Ud= Ud0＝1.17U2。
α >30度时,负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有

课程设计说明书用纸 NO.7
负载电流平均值为

晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值，即

  由于晶闸管阴极与零线间的电压即为整流输出电压 ud,其最小值为零,而晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值,即

故有，晶闸管的重复峰值电压为：

输入电压为380V；
故有，晶闸管的重复峰值电压为：

=2.45×380=931V
图2是电路接线图

图2电路接线图

课程设计说明书用纸 NO.8
图3为总体框图

图3总体框图
2.2带阻感负载时的工作情况
2.2.1原理说明
如果负载为阻感负载，且L值很大，整流电流id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形彼。
2.2.2负载电压
α≤30°时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。
α>30 °时，当u2过零时,由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向 VT1施加反压使其关断。这种情况下ud 波形中出现负的部分, 若 α 增大，ud 波形中负的部分将增多,至α =90度时, ud波形中正负面积相等, ud的平均值为零。可见阻感负载时α的移相范围为90度.
由于负载电流连续，可求出Ud，即  

如果负载中的电感量不是很大，则当α>30°后,与电感量足够大的情况相比较, ud 中负的部分将会减少，整流电压平均值Ud 略为增加。变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为

课程设计说明书用纸 NO.9

由此可求出晶闸管的额定电流为：

晶闸管两端电压波形由于负载电流连续，因此晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即
UFM＝URM＝2.45 U2
id 波形有一定的脉动，与分析单相整流电路阻感负载时的 id 波形有所不同。这是电路工作的实际情况，因为负载中电感量不可能也不必非常大，往往只要能保证负载电流连续即可，这样 id 实际上是有波动的，不是完全平直的水平线。通常，为简化分析及定量计算，可以将 id 近似为一条水平线，这样的近似对分析和计算的准确性并不产生很大影响
图4是电路接线图

图4电路接线图
3.设计结果与分析
3.1仿真模型
根据原理图利用MATLAB/SIMULINK软件中，电力电子模块库建 立相应的仿真模型如图5

课程设计说明书用纸 NO.10

图5仿真模型图
3.2 仿真参数设置
晶闸管参数：

图6晶闸管参数

课程设计说明书用纸 NO.11
脉冲参数：

图7脉冲参数

课程设计说明书用纸 NO.12
电源参数：

图8电源参数
RLC参数

图9 RLC参数

课程设计说明书用纸 NO.13
3.3仿真结果
电阻电压仿真图

图10电阻电压仿真图

晶闸管电压仿真图

图11晶闸管电压仿真图

课程设计说明书用纸 NO.14
电阻电压仿真图

图12电阻电压仿真图

晶闸管电流仿真图

图13晶闸管电流仿真图

课程设计说明书用纸 NO.15
3.4仿真结果分析
α≤30°时，整流电压波形与电阻负载时相同。因为两种负载情况下，负载电流均连续。
α>30°时，当U2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。这种情况下Ud波形中出现负的部分0 。
若α继续增大，Ud波形中负的部分将增多，至α=90°。
负载电流波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将负载电流波形近似为一条水平线。
阻感负载时的移相范围为90°。
3.5保护电路的设计
电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过流。采用快速熔断器、直流快速熔断器和过流继电器是较为常用的措施。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过流保护措施。
在选择快速熔断器是应考虑：
电压等级应根据熔断后快速熔断器实际承受的电压来确定。电流容量应按起在主电路中的连接方式和主电路连接形式确定熔断器与晶闸管串联接入电路中。熔断其的I2t值应小于被保护器件的允许值。为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间—电流特性。因为这个电路功率较小所以采用全保护方式。
4. 设计体会
经历此次课程设计之后，我认识到了一些课本之外的很重要的东西，那就是设计，对于我们大学生来说，缺的就是这种自主创新的能力，为了更好的使自己进步，我们进行了此次课程设计。
进行此次课程设计的途中，困难一次次的出现，又一次次的被击败，从一开始的理论计算、公式编辑器的运用，到后来的理论图绘制和整体的排版，通过同学间的相互学习取长补短和老师的精心教导，我们最终完成了此次学习任务。我们学到的不仅仅是一个设计，而是综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼了实践能力。

课程设计说明书用纸 NO.16
在当今社会，电力电子随着生产的发展而诞生，随着生产的发展而发展，它用它强大的牵引力推动着社会的前进，我们此次的设计内容就是以它为核心，由浅入深的来研究它，虽然我们研究的整体技术水平很低，但是这对我们来说也是很有用的学习过程，慢慢的我们会再次去研究更深更难的东西，锻炼着我们年轻的大脑，最终我们将支撑起我国的技术大梁。
通过这次课程设计使我懂得了动手与动脑、理论与实际的相互重要性，单懂得一方面是远远不够的，只有把各种重要的知识与能力结合起来，才能真正懂得其中的真理，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

5.参考文献
[1]王兆安，黄俊主编．电力电子技木[M]．第四版．北京：机械工业出版社，2004: 30-40
[2]郑忠杰，吴作海编. 电力电子变流技术[M].第二版. 北京：机械工业出版社，1988: 300-330
[3]刘志刚主编. 电力电子学.第一版. 北京：清华大学出版社，2004:200-210
[4]陈志明主编. 电力电子器件基础[M]. 北京：机械工业出版社，1992: 220-230
[5]林渭勋主编. 现代电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，2006: 310-330
[6]赵可斌主编. 电力电子变流技术[M]. 上海:上海交通大学出版社，1993: 190-200
[7]张立，赵永健编. 现代电力电子技术[M]. 北京：科学出版社，1992：34-54
[8]丁道宏主编. 电力电子技术[M]. 北京：航空工业出版社，1992：200-240
[9]尹克宁主编. 电力工程[M]. 北京：中国电力出版社.2008：210-221
[10]邵丙衡主编. 电力电子技术[M]. 北京：中国铁道出版社，2007: 222-23