三相半波可控整流电路优秀课程设计中北大学.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：
学生姓名： 李秋月 学号：
学 院：计算机和控制工程学院
专 业：电气工程及其自动化
指导老师： 李晓 秦鹏

1月

中北大学

课程设计任务书
/ 年第 一 学期

学 院：
计算机和控制工程学院
专 业：
电气工程及其自动化
学 生 姓 名：
李明雨
学 号：

学 生 姓 名：
李秋月
学 号：

课程设计题目：
三相半波可控整流电路设计
起 迄 日 期:
12月27日 ~ 1月 8日
课程设计地点:
德怀楼八层虚拟仿真试验室
指 导 教 师:
李晓 秦鹏
学科部副主任：
刘天野

下达任务书日期: 年 12月 26日

课 程 设 计 任 务 书
1．设计目标：
1) 了解并掌握电路通常设计方法，含有初步独立设计能力
2) 学习Visio绘图软件和Matlab仿真软件
2．设计内容和要求（包含原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
1) 设计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，功率管相对应触发角。其次，根据原理图，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电路工作波形图。并对仿真结果进行必需文字分析。

3．设计工作任务及工作量要求〔包含课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：
1) 依据设计题目要求指标，经过查阅相关资料分析其工作原理，确定器件类型，可供选择变流器件为晶闸管、Mosfet和IGBT，设计电路原理图；
2) 画出电路方框图，完成电路各部分指标分配，计算各单元电路参数和确定各元件参数值，叙述关键元器件功效及她们之间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．关键参考文件：
[1] 王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.
[2] 刘志刚.电力电子学.清华大学出版社.
[3] 石 玉.电力电子技术例题和电路设计指导.机械工业出版社.
[4] 张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，

5．设计结果形式及要求：
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：
12月27日 ~ 12 月29日 设计电路
12月29日 ~ 01 月 01日 绘制电路原理图
01月02 日 ~ 01 月06 日 对设计电路进行Matlab仿真，撰写课程设计 说明书
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 参数计算 2
4 触发角参数计算 2
5 触发电路设计 2
6 硬件电路设计及描述 2
6．1  建立仿真模型 2
6. 2 仿真结果和分析 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电力电子电路，将交流电变为直流电，电路形式多个多样。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，应采取三相整流电路。其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基础是三相半波可控整流电路，应用最为广泛是三相桥式全控整流电路、和双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波基础上进行分析。    
伴随时代进步和科技发展，拖动控制电机调速系统在工农业生产、交通运输和日常生活中起着越来越关键作用，所以，对电机调速研究有着主动意义.长久以来，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，这关键是因为直流电机不仅调速方便，而且在磁场一定条件下，转速和电枢电压成正比，转矩轻易被控制；同时含有良好起动性能，能较平滑和经济地调整速度。所以采取直流电机调速能够得到良好动态特征。因为直流电动机含有优良起、制动性能，宜和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领域中得到广泛应用。多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全部比较成熟，而且从反馈闭环控制角度来看，它又是交流拖动系统基础，长久以来，因为直流调速拖动系统性能指标优于交流调速系统。所以，直流调速系统一直在调速系统领域内占关键位置。 
熟悉单相整流电路线路简单，价格廉价，制造、调整、维修全部比较轻易，但其输出直流电压脉动大，脉动频率低。又因为它接在三相电网一相上，当容量较大时易造成三相电网不平衡，所以只用在容量较小地方。通常负载功率超出4kw要求直流电压脉动较小时，能够采取三相可控整流电路。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。经过设计培养我们对电子线路分析和应用能力、电子器件应用能力。
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，变压器二次侧必需接成星形，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波形

图 1.2三相半波可控整流电路电阻负载时波形

图 1.3三相半波可控整流电路电阻负载时波形
稳定工作时，三个晶闸管触发脉冲互差120º，要求ωt=π/6为控制角α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交叉点，在各相相电压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120º。
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。其它晶闸管承受反向电压而不能导通。VT1经过电流iT1和变压器二次侧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，因为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时刻发生一相晶闸管导通变换为另一相晶闸管导通过程称为换相。
在ωt3时刻触发VT3，在ωt3～ωt4区间w相电压最高，因为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。
这么在一周期内，VT1只导通2π/3，在其它4π/3时间承受反向电压而处于关断状态。只有承受高电压晶闸管元件才能被触发导通，输出电压ud波形是相电压一部分，每七天期脉动三次，是三相电源相电压正半波完整包络线，输出电流id和输出电压ud波形相同 (id=ud/R)。
电阻性负载α=0º 时，VT1在VT2、VT3导通时仅承受反压，伴随α增加，晶闸管承受正向电压增加；其它两个晶闸管承受电压波形相同，仅相位依次相差120º。增大α，则整流电压对应减小。
α=30º是输出电压、电流连续和断续临界点。当α＜30º时，后一相晶闸管导通使前一相晶闸管关断。当α＞30º时，导通晶闸管因为交流电压过零变负而关断后，后一相晶闸管未到触发时刻，此时三个晶闸管全部不导通，直到后一相晶闸管被触发导通。
从上述波形图能够看出晶闸管承受最大正向电压是变压器二次相电压峰值，UFM =U2，晶闸管承受最大反向电压是变压器二次线电压峰值，URM=× U2 =U2。α=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0º～150º。
3 参数计算
三相桥式全控整流电路中，整流输出电压波形在一个周期内脉动3次，且每次脉动波形相同，所以在计算其平均值时，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，比如=，上图1.1所表示，各晶闸管上触发脉冲，其相序和电源相序相同，各相触发脉冲依次间隔，在一个周期内，三相电源轮番向负载供电，每相晶闸管各导电，负载电流是连续。增大值，即触发脉冲后移，则整流电压对应减小。当=时，如上图1.2所表示，从输出电压、电流波形可看出，这时负载电流处于连续和断续临界状态，各项仍导电。假如>，比如=，如上图1.3所表示，当导通一相相电压过零变负时，该相晶闸管关断，此时下一相晶闸管即使承受正向电压，但它触发脉冲还未到，不会导通，姑输出电压和电流全部为零，直到下一相触发脉冲出现为止，显然电流断续，各晶闸管导电时间全部小于。假如角继续增大，那么整流电压将越来越小。当=时，整流输出电压为零。故电阻负载时要求移相范围为。
下面分两种情况来计算整流电压平均值：
（1）≤30°时，负载电流连续，有：

（公式3-1）

当初，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）

当初，
4 触发角参数计算
1） 当电阻两端平均电压为72V时：
依据公式3-1可得，
2） 当电阻两端平均电压为82V时：
依据公式3-2可得，
5 触发电路设计
触发器输入端和变压器二次侧电压对应连接，分别连接晶闸管三个门极端。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。图所表示：

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同时脉冲信号；④晶闸管1VT电流，晶闸管1VT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)MATLAB仿真模型 
6.2 仿真结果和分析 
触发角α=0°，MATLAB仿真波形以下：

Ud=72V时,MATLAB仿真波形以下:

Ud=82V时，MATLAB仿真波形以下:

7 总结
两周课程设计结束了，在这次课程设计中不仅检验了我所学习知识，也
培养了我怎样去把握一件事情，怎样去做一件事情，又怎样完成一件事情。课程设计是我们专业课程知识综合应用实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少过程。“千里之行始于足下”，经过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言真正含义。我今天认真进行课程设计，学会脚扎实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实基础。 
经过这次设计，本人在多方面全部有所提升,综合利用本专业所学课程理论和实际知识进行一次设计工作训练从而培养和提升学生独立工作能力，巩固和扩充了整流电路设计等课程所学内容，掌握整流电路设计方法和步骤，同时各科相关课程全部有了全方面复习，独立思索能力也有了提升。 
在设计过程中对三相半波可控整流电路工作原理有了更深入了解。三相半波可控整流电路关键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，均未考虑包含变压器漏感在内交流侧电感影响，认为换相是瞬时完成。但实际上变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中电感LB表示，并将其折算到变压器二次侧。因为电感对电流改变起阻碍作用，电感电流不能突变，所以换相过程不能瞬间完成，而是会连续一段时间。同时也对matlab这一款庞大仿真软件有了初步认识。对matlab中simulink仿真模块有了深入了解。 
在这次设计过程中，表现出自己单独设计能力和综合利用知识能力，体会了学以致用、突出自己劳动结果喜悦心情，从中发觉自己平时学习不足和微弱步骤，从而加以填补。因为本人设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分愿意接收老师们批评和指正。
8 附录
在此次课程设计中：
李明雨所负责工作关键为：电路原理图绘制，MATLAB仿真图模拟全过程。李秋月在此期间起辅助作用。
李秋月所负责关键工作为：利用Visio和MathType绘制电路图和波形图，课程设计文档制作。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，
[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，
[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MATLAB仿真.机械工业出版社，