三相半波整流-

1、摘要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。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。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

2、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。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。国内三相半波可控整流电路技术不够熟练,设

3、备不够先进。国外的三相半波可控整流电路设备完善技术比较熟练。目录1 方案设计背景 (11.1 设计意义及要求 (11.2 初始条件 (11.3 要求完成的主要任务 (12 方案设计思路 (23 主电路原理分析 (33.1 主电路工作过程分析 (33.2 整流电路的波形分析 (34 主要元器件选择 (64.1 变压器参数选择 (64.2 晶闸管参数选择 (64.3 平波电抗器参数选择 (65 触发电路与保护电路的设计 (75.1 触发电路的设计 (75.2 保护电路的设计 (96 MATLAB仿真 (116.1 仿真电路的设计 (116.2 仿真电路的参数设置 (126.3 仿真电路的波形分析

4、(12心得体会 (14致谢 (15参考文献 (161 方案设计背景1.1 设计意义及要求整流电路就是将交流电变成直流电的电路,多数整流电路主要由变压器、整流主电路和滤波器组成。它在电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到了广泛应用。当负载容量较大,或要求直流电压脉动较小、易滤波时,应采用三相整流电路,其交流侧由三相电源供电。目前应用最广泛的三相桥式全控整流电路、双反星形可控整流电路等都是在三相半波的基础上分析的,因此三相半波整流电路的设计具有重要的意义。1.2 初始条件设计一三相半波整流电路,直流电动机负载,电机技术数据如下:Unom =220V,Inom=308A,n nom =

5、1000r/min,Ce=0.196V min/r,Ra=0.18。1.3 要求完成的主要任务(1方案设计(2完成主电路的原理分析(3触发电路、保护电路的设计(4利用MATLAB仿真软件建模并仿真,获取电压电流波形,对结果进行分析(5撰写设计说明书2 方案设计思路本次任务主要是完成三相半波整流电路主电路的分析以及保护电路和触发电路的设计。利用MATLAB软件建模并仿真,获取电压电流波形电路负载采用直流电动机,即反电势负载,为得到零线,变压器的二次必须侧接成星形,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

6、公共端,连线方便。 图1 三相半波整流电路共阴极接法反电动势负载原理图直流电动机负载实际上可以等效为电阻、电感和反电动势E。忽略电动机的电枢电感时,只有当晶闸管导通相的变压器二次电压值大于瞬时电动势时才有电流输出。此时的电流是断续的,电动机的机械特性将很软,对于电路的运行是很不利的,为了克服这个缺点,一般会在主电路直流输出侧串联一个平波电抗器,用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通时间。保护电路主要分为过电压和过电流保护。过电压保护的主要措施是采用RC抑制电路,而过电流保护主要是加入快速熔断器。触发电路准备使用集成触发电路,主要是因为其可靠性高。技术性能好等优点。Matlab仿真只要是通过SIMU

7、LINK模块建模,设置一定的参数,从而得到负载的电压电流仿真波形。3 主电路原理分析3.1 主电路工作过程分析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。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,在一个周期内VD 1、VD 2、VD 3轮流导通,每管各导通 120。d u 波形为三个相电压在正半周期的包络线。在相电压的交点321,wt wt wt 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

8、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,使脉冲沿时间坐标轴向右移整流电路的工作情况也要相应发生变化。由已知条件变压器二次侧电压为220V ,可以求出交点处的电压为22sin30=155.54V U 。,反电势负载时,只有当2u 电压大于反电动势时,晶闸管承受正压,才能在脉冲的作用下导通,晶闸管导通时,整流电路相当于工作在阻感负载情况下时电机转速n nom =1000r/min (晶闸管导通时负载电压等于相电压,根据所给参数,当电机空载转速为nom n ,且稳定运行时,反电动势E 196nom e n C V =。3.2 整流电路的波形分析若触发

9、时刻电压没达到196V ,脉冲宽度足够,当电压达到196V 时,晶闸管导通。如图2所示,晶闸管的触发角为0°时,从上到下波形依次是三相交流电压波形,触发脉冲波形,负载电压波形,晶闸管电压波形。 图2 触发角为0°时的波形触发时刻若电压达到196V以上,则晶闸管直接导通,如图3所示,触发角为60°,从上到下波形依次是三相交流电压波形,触发脉冲波形,负载电压波形,晶闸管电压波形,负载电流波形。 图3 触发角为60°时的波形如上图所示,d i 波形在一周期内有部分为0,称为电流断续,当电流断续时,电路机械特性较软,相当于整流电源的内阻增大,并且较大峰值电流在电

10、动机换向时容易产生火花。相等的电流平均值,电流波形底部越窄,则其有效值越大,要求电源的容量也大。 为了克服以上缺点,一般在主电路的直流输出侧串联一个平波电抗器,用来减少电流的脉动和延长晶闸管和延长晶闸管导通的时间。有了电感能使2u 小于E 时甚至为负值时,晶闸管能持续导通,电压电流的波形连续,与阻感负载时候的波形一致。电路加入平波电抗器后,电流电压连续,此时增大,整流电压越来越小,当时 150=整流输出电压为0,此时角的移向范围为 150当负载电流连续,可由式(1求出,即5622261362( 1.17223d U U s i n w t d w t U c o s U c o s+= (1

11、由上式可以看出d U /U 与成余弦关系,当电感逐渐增大时,在> 30后,d u 中出现负的部分越来越大,整流电压平均值u d 略为减小,d U /U 与的关系将介于图4中的曲线1和2之间,曲线3给出了这种情况的一个例子。变压器二次电流即晶闸管电流的有效值I 2可由式(2求出,即d d VT I I I I 557.0312= (2 由此晶闸管的额定电流I VT(A V可由式(3求出,即VT d AV VT I I I 368.057.1(= (3 晶闸管两端电压波形如图3所示,由于负载电流连续,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(4i d 的波形有一定的脉动,这是电路

12、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i d 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i d 近似为一条水平线,这与的近似对分析和计算的准确性并不产生很大影响。22.45FM RM U U U =220196133.30.18nom e nom d a U C n V V I A R -=4 主要元器件选择4.1 变压器参数选择设变压器原边电压U 1=380V ,副边电压U 2=220V ,根据要求电机的额定电压为U nom =220V ,由三相半波整流电路的工作原理知21.17d U U cos =,故可得=31.

13、3°。如图1所示,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。变压器采用三角形星形连接,一次侧二次侧变比1.73:1。电机正常运行时电流 10.47262.9d I I A = 故可知 111341.398S U I KW =,222350.688S U I KW =,故得变压器原边电压为380V ,副边电压为220V ,容量46.043KW 。4.2 晶闸管参数选择电动机运行在额定状态时,V U nom 220=,A I nom 308=,通过之前的计算可知245.2U U FM = =539V ,晶闸管的安全裕量系数通常选取23倍,考虑到安全

14、问题,晶闸管的电压通常为V U U FM 1617107832(=。另外晶闸管电流的安全裕量通常为额定值的1.52倍3,因此57.1/25.1(VT I I =170220.7。所以晶闸管的电压范围10781617V ,电流范围170226.7A 。 4.3 平波电抗器参数选择为了避免电流断续,通常在电路中加入平波电抗器。min d I 为电动机空载运行时的电流,代入数值可计算出mH A V L 4.23.133/22046.1=。2176.83d I I A =1246.0432S S S KW +=5.2 保护电路的设计电力电子电路中保护电路包括过电压保护和过电流保护。过电压保护通常有避雷

15、针、压敏电阻、阻断式RC电路、直流侧RC抑制电路等措施。一般采用RC过电压抑制电路,RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两端或电力电子电路的直流侧。过电流保护分为过载和短路两种情况,一般过电流保护措施常采用快速熔断器、直流快速熔断器和电流继电器。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。选择时应考虑:(1电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。(2电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力电子半导体器件相串联,在小容量装置中也可以串接于阀侧交流母线或直流母线中。(3快熔的t I2值应小于被保护器件的允许t I2值。(4为保证熔体在正常

16、过载情况下不熔化,应考虑时间电流特性。在本设计的保护电路中对变压器一次侧和二次侧分别加上熔断器对其进行保护,对电机加上一个过载保护熔断器,如图6所示。 图6 保护电路的设计6 MATLAB仿真6.1 仿真电路的设计MATLAB仿真电路图如图7所示。图 7 三相半波整流电路 MATLAB 仿真图 6.2 仿真电路的参数设置 三相电源的峰值 Peak amplitude 设置为 380V ，相位 phase 设置分别相差 120o 触发脉冲的 触发角为 31.3o ，折合成时间 phase delay 设置为 0.0034s，反电势设为 196V，平波电抗器电抗 值设为 2.4mH，电阻为 0.1

17、8W 。 6.3 仿真电路的波形分析 仿真电路得到的波形如下，从上至下分别为三相交流电压波形，触发脉冲波形，负载电 压波形，晶闸管电压波形，负载电流波形。 9 图 8 MATLAB 仿真波形图 仿真所得到的波形与分析与理论的波形基本一致。脉冲电压的触发角为 31.3o ，此时电压 已经达到 196V，晶闸管导通，晶闸管导通之后两端电压等于 0，换相后晶闸管 VT1 关断，在 VT2 导通期间， uVT1 = ua - ub ；VT3 导通期间， uVT1 = ua - uc ，所得的晶闸管两端电压 波形与理论分析相符。 负载两端电压在晶闸管导通之前等于反电势 E，晶闸管导通之后电压等于电源电压

18、，当 id = 0 即到达停止导电角时，由于平波电抗器的作用，使得晶闸管继续导通，直到下一个晶闸 管导通。负载电流在到达停止导电角时等于 0，由于平坡电抗器使晶闸管继续导通，使得电流 不为 0，从而实现电流的连续，上图所示的仿真波形的电压电流与理论分析一致。 10 心得体会 本次三相半波整流电路的课程设计着手点比较低，首先题目比较熟悉，三相半波整流电 路我们已经从各方面学习过了，另外题目本身的难度并不是很高。题目虽然不难，但是还是 深切地体会到了三相半波整流电路在电力电子中的重要应用，更加理解了理论联系到实际的 重要性，为自己以后工作、学习都奠定了一定的基础。在这次课程设计中，我收获了很多，

19、主要从以下几个方面进行总结： 学会更有效地查阅资料。 这次课设的题目对于我来说比较熟悉， 前期准备工作的时候， 我并没有像以前课设那样，盲目去图书馆查阅资料，而是自己先设计出一套方案，然后对 于各个模块进行各个击破。 比如我首先要了解三相半波整流电路在电力电子以及我们生活 中的重要应用，因此我查阅了相关方面的书籍去进一步了解，然后分析主电路的时候，我 对于三相半波整流电路带有电动机负载并不是很熟悉， 所以我特地去图书馆查阅了电力电 子控制及变换这本书，从而更加深入地了解了电动机负载的运行和控制。最后是 matlab 仿真了，matlab 这个软件之前接触过，但是由于长时间没操作，再次操作起来很

20、生疏，所 以我又去图书馆查阅了于 MatlabSimulink 的整流滤波电路的建模与仿真这本书籍， 这里 面讲述了如何建模和设置参数， 虽然我只是粗略地浏览了一下， 但是对于应付三相半波整 流电路的仿真还是绰绰有余。 像这种带有目的性的查阅资料， 让我提高了做事的效率和条 理性。 面对困难，学会了冷静地思考。课设进行到最后仿真的时候，出现了一点问题，仿真 所得到的波形与理论分析的并不相符，我试着慢慢调试，但是始终得不到理想的波形，调 试了一晚上，人变得很烦躁了，最终还是没有得到正确的波形，后来我冷静地坐了一会， 脑子里想了很多， 人变得平静多了， 最终发现问题出现在三相电源的参数设置上， 改正后