三相桥式全控整流电路的设计纯电阻负载

1、 课程设计报告题 目 三相桥式全控整流电路的设计（纯电阻负载） 专业班级 电气工程与自动化02 学 号 学生 指导教师 胡为兵 指导教师职称 副教授 学院名称 电气信息学院 完成日期： 2015 年 1 月10 日摘 要 电子技术的应用已深入到工农业经济建设,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的各个领域,进入21世纪后电力电子技术的应用更加广泛,因此对电力电子技术的研究更为重要。近几年越来越多电力电子应用在国民工业中,一些技术先进的国家,经过电力电子技术处理的电能已得到总电能的一半以上。整流电路把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波

2、器等组成。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电压间的匹配以与交流电网与整流电路之间的电隔离。本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理与控制电路图,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。用Matlab/simulink进行建模仿真，观察输出波形。关键词：电力电子技术； 整流电路；

3、 三相桥式电路AbstractThe application of electronic technology has penetrated into the industrial and agricultural economic construction, transportation, space technology, the modernization of national 

4、defense, medical, environmental protection, and hundreds of millions of people in all areas of daily life, enter after twenty-first Century power electronic technology is used 

5、;more and more widely, so the power electronic technology is more important. In recent years more and more application in the national power electronics industry, some ad

6、vanced technologies of the country, after the processing of electric power electronic technology has been more than half the total energy.Rectifier circuit can convert ac power to dc circuit. Most of

7、the rectifier circuit by transformer, rectifier circuit and filter, etc. It in the dc motor speed, generator excitation control, electrolysis, electroplating, and other fields is widely used. Rectifier circuit is usually consists of main circuit, filter and transformer. Since the 1970 s, the main ci

8、rcuit is multi-purpose silicon rectifier diode and brake tubes. Filter between the main circuit and the load, used to filter out the communication component of pulsating dc voltage. Transformer set or not depending on the specific situation. The role of the transformer is to realize the communicatio

9、n between the input voltage and dc output voltage matching, and ac power grid and electrical isolation between the rectifier circuit. This paper mainly introduced the three-phase full-bridge controlled rectifier circuit to the main

10、0;circuit and trigger circuit principle and control circuit, by frequency three-phase voltage380V by step-up transformer by SCR ( SCR ) and rectified into the direct current&#

11、160;for the load.Modeling and simulation using Matlab/simulink, and observe the output waveform.Keywords:power electronics; Rectifier circuit； Three-phase bridge circuit19 / 24目录1 设计任务和要求11.1 课程设计的性质和目的11.2 设计条件：12 三相全控整流电路22.1 整流器件22.2 整流原理22.2.1 触发脉冲32.2.2 带电阻负载时的工作情况43 三相桥式全控整流电路仿真

12、建模83.1 仿真模块83.1.1 交流电压源模块83.1.2 晶闸管的仿真模型83.1.3 同步6脉冲触发器的仿真模型103.1.4 常数模块参数的设置103.1.5 通用桥设置113.1.6 显示模块123.1.7 变压器模块123.2 三相全控整流电路的matlab仿真123.2.1 带电阻负载的仿真123.2.2 设置模型参数133.2.3 纯电阻负载示波器输出波形164 总结与心得18参考文献191 设计任务和要求1.1 课程设计的性质和目的性质：是电气信息专业的必修实践性环节。目的：1、培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力；2、加深理解电力电子技术课程的基本理论；3、初

13、步掌握电力电子电路的设计方法。4、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet 检索需要的文献资料。5、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。6、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。7、提高学生课程设计报告撰写水平。1.2 设计条件：（1）电源压：交流 380V/50HZ（2）输出功率： 500KW（3）移相围 0º120º2 三相全控整流电路2.1 整流器件晶闸管因其各方面的性能均明显胜过以前的汞弧整流器，自开发以来立即受到普遍欢迎，虽然在二十世纪八十年代以来，晶闸管的地位开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但是由于其能承受的电压和电流容量仍然是

14、目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。电力电子技术的核心是电力变换也就是变流技术。通过对晶闸管等器件的控制从而实现电力变换。晶闸管整流是电力电子技术中最基础的变流技术，通过它可实现电流从交流到直流的转换。2.2 整流原理三相桥是应用最为广泛的整流电路，它是由两组三相半波整流电路串联而成的，一组为共阴极接线，另一组为共阳极接线，如图2-1所示。若工作条件一样，则负载电流Id1=Id2，如果将零线切断，不影响电路工作，成为三相桥式全控整流电路，如图2-2所示。图2-1三相半波共阴极组和共阳极组串联电路图2-2 三相桥式全控整流电路阴极连接在一起的3个

15、晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组，阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极管。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，经分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。共阴极组正半周触发导通，共阳极组在负半周触发导通，在一个周期中变压器绕组中没有直流磁势，且每相绕组在正负半周都有电流流过，延长了变压器的导电时间，提高了变压器组的利用率。2.2.1 触发脉冲三相桥式全控整流电路任意时刻都有两个晶闸管同时导通从而形成供电回路，其中共阴极组和共阳极且各1个，且不能为同一相器件。触发脉冲相位依次关

16、60度，同一相的上下两个桥臂即VT1与VT4,VT3与VT6,VT5与VT2脉冲相差180度；共阳极组VT4、VT6、VT2的脉冲相差120度，共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲也相差120度。直流电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用宽脉冲触发或双脉冲触发，宽脉冲触发为脉冲宽度大于60度(一般取80度-100度)；双脉冲触发是在某个晶闸管触发的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60度，脉宽一般为2030，双脉冲

17、触发的电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小，宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱合，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。因此常用的是双脉冲触发。如图2-3图2-3 三相全桥触发脉冲的两种形式（a、a1）双脉冲触发 b 宽脉冲触发2.2.2带电阻负载时的工作情况（1）=0°时的负载工作情况假设将电路中的晶闸管换作二极管，相当于晶闸管触发角=0时，各晶闸管均在自然换相点换相。共阳极的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通，共阴极的3个晶闸管，阴极所接交流电压

18、值最低的一个导通。任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载的电压为某一线电压，此电路工作波形如图2-4所示。 图2-4 三相桥式全控整流电路带电阻负载=0°时的波形由图中变压器二次绕组相电压与线电压的波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析Ud的波形时，既可以从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压Ud1为相电压在正半周的包络线，当共阳极导通时，整流输出电压Ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压Ud=Ud1-Ud2是两条包络线的差

19、值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压Ud这两个相电压相减是线电压中最大的一个，因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周的包络线。为了说明各晶闸管的工作情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60度，如图2-4所示，每一段中导通的晶闸管与输出整流电压的情况如表1所示。由此表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6由图2-4晶闸管Uvt1的波形图看出，晶闸管一周期中有120°处

20、于通态，240°处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的负载电压Ud波形一样。表2-1 三相桥式全控整流电路电阻负载=0时晶闸管工作情况共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压Ua-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb（2）=60°时的负载工作情况图2-5为=60°时的波形，由图中分析知，Ud波形中每段线电压的波形继续向后移，Ud平均值降低，并且Ud出现了为零的点。因此60°时

21、，电压波形连续。图2-5 三相全控整流电路带电阻负载=60°时的波形（3）=90°时的负载工作情况图2-6为=90°时的电阻负载波形，此时Ud波形每60°中有30°为零，这是因为电阻负载id波形与Ud波形一样，当Ud降至零，id也降至零，通过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压Ud为零，因此Ud波形不会出现负值。如果继续增大至120°，则整流电压Ud波形将全为零，其平均值也为零，因此，带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相围是120度。图2-6 三相桥式全控整流电路带电阻负载=90°时的波形3 三相桥式全控整流电

22、路仿真建模3.1 仿真模块3.1.1 交流电压源模块线电压为380伏，频率为50HZ3.1.2 晶闸管的仿真模型（1）晶闸管组件的符号和仿真模型晶闸管是一种门极信号触发导通的半导体器件。晶闸管的仿真模型由电阻Ron、电感Lon、直流电压源Uf和开关SW串联组成。开关受逻辑信号控制，该逻辑信号由晶闸管的电压Uab、电流Iab和门极触发信号g决定。晶闸管组件的符号和仿真模型图如图3-1所示。图3-1晶闸管组件的符号和仿真模型晶闸管模块还包括一个Rs-Cs串联缓冲电路，它通常与晶闸管并联。缓冲电路的Rs和Cs值可以设置，当指定Cs=inf时，缓冲电路为纯电阻，当指定为Rs=0时，缓冲电路为电容。当指

23、定Rs=inf或Cs=0时，缓冲电路去除。（2）晶闸管组件的静态伏安特性开通状态g>0由断到开UakIak关断状态图3-2 晶闸管的静态伏安特性晶闸管的静态伏安特性如图3-2所示。当阳极和阴极之间的电压大于Uf且门极触发脉冲为(g>0)时，晶闸管由断态转变为开态。该触发脉冲的幅值必须大于0且有一定的持续时间，以保证晶闸管阳极电流大于掣住电流。当晶闸管的阳极电流下降到零（Iak=0）或阳极和阴极之间施加反向电压的时间大于或等于晶闸管的关断时间Tq时，晶闸管关断。如果阳极和阴极之间施加反向电压的持续时间小于晶闸管的关断时间Tq，晶闸管仍可能会导通，除非没有门极触发信号（即g=0）且阳极

24、电流小于掣住电流。另外，在导通时，当阳极电流小于参数对话框中设置的掣住电流时，晶闸管将立即关断。晶闸管关断时间Tq取决于载流子的恢复时间：它包括“阳极电流下降到零的时间”和“晶闸管正向阻断的时间”。图3-3 晶闸管组件的简化仿真模型（3）晶闸管组件的仿真模型和输入、输出晶闸管组件的仿真模型以与输入、输出晶闸管组件的仿真模型有详细（标准）模型和简化模型两种。为了提高仿真速度，可以采用简化的晶闸管模型，如图11所示。从晶闸管模块图标中可以看出，它有两个输入和两个输出。第一个输入a和输出k对应于晶闸管阳极和阴极。第二个输入g为加在门极上的逻辑信号（g）。第二个输出m用于测量晶闸管的电流和电压输出量I

25、ak,Uak。晶闸管仿真组件的参数晶闸管组件要设置的组件参数有：晶闸管组件电阴Ron，单位（），设置为0；晶闸管组件电感Lon,单位（H），因为电阻参数设置为0，所以电感不能设置为0，将其设置0.001；晶闸管组件的正向管压降Uf,单位（V）,设置为0.8；初始电流Ic,单位（A），初始值设置是一个复杂的工作，为了配合晶闸管进行仿真，通常将其设为0；缓冲电阻Rs,单位（）为了在模型中消除缓冲，可将Rs设置为inf；缓冲电容Cs,单位（F）为了在模块中消除缓冲，可将电容Cs参数设置为0。3.1.3 同步6脉冲触发器的仿真模型图3-4同步六脉冲触发器和晶闸管整流器桥（1）同步6脉冲触发器仿真模块的

26、功能同步6脉冲触发器模块用于触发三相全控整流器桥的6个晶闸管，模块的图标如图12，同步6脉冲触发器还可以给双脉冲，双脉冲间隔为60度，触发器输出的1-6号脉冲依次送给三相全控整流器桥对应编号的6个晶闸管。采用Power System 模块库中的“Universal Bridge"模块（整流器件选择晶闸管），则同步6脉冲触发器的输出端可以直接与三相整流桥的脉冲输入端相连接。（2）同步6脉冲触发器的输入和输出"alpha-deg"是移相控制角信号输入端，该输入端可与"常数"模块相连，也可与控制系统中的控制器输出端相连，从而对触发脉冲进行移相控制。如

27、果勾选Double Pulsing,触发器就能给出间隔60度的双脉冲。输入AB、BC、CA是同步线电压Uab、Ubc、Uca输入端，同步电压就是连接整流器桥的三相交流电压的线电压；输入Block为触发器模块的使能端，用于对触发器模块的开通与封锁操作。当施加大于0的信号时，触发脉冲被封锁；当施加等于0的信号时，触发脉冲开通。输出为一个6维脉冲向量，它包含6个触发脉冲。（3）同步六脉冲触发器的参数同 步电压频率，单位(Hz),通常为电网频率；脉冲宽度，单位为度；双脉冲，此为复选框，如果勾选，触发器就能给出间隔60度的双脉冲。3.1.4 常数模块参数的设置此模块只有一个输出端，无输入端，在本例中只要

28、改变参数对话框中的数值的大小，即改变了触发信号的控制角。3.1.5 通用桥设置图3-5通用桥仿真图标（1）仿真模块的功能 通用桥是由6个功率开关组件组成的桥式三相变换器模块。电力电子组件的类别可通过对话框进行设置。电力电子组件的类型有Diode桥、Thyristor桥、MOSFET-Diode桥、IGBT-Diode桥、理想开关桥，并且可将桥臂数目设置为1、2、3，分别代表一个桥臂、两个桥臂、三个桥臂，各自包含2个开关器件、4个开关器件、6个开关器件。前二者实现单相变流，后者实现三相变流。除二极管桥外，其它桥的"g(pulses)"输入端可接受来自外部模块的触发信号。通用桥

29、模块部结构其图标如图14。图3-6通用桥模块结构图（2）通用变换器仿真模块的参数设置桥的结构为三相，缓冲电阻Rs：单位为，为了消除模块中的缓冲电阻Rs的参数设置为inf。缓冲电容Cs：单位为伏，为了消除模块中的缓冲电路，可将缓冲电容Cs的参数设定为inf,本仿真中电力电子器件选择Thyristor桥,电阻Ron单位为，阻设置为0.1,电感Lon设置为0缓冲电阻设置为1e-3，缓冲电容设置为4.7e-6；Forward voltage Vf：器件的导通压降，设置为0.8伏。3.1.6 显示模块图3-7 示波器极其参数设定scope模块，相当于示波器，显示比较仪输出特性曲线的结果。从上到下依次观察

30、整流电路部分的电压，电流，触发脉冲，负载两边电压，和流过负载的电流5项参数。3.1.7 变压器模块图3-8 变压器模型 本次课程设计采用两个变压器，一个作整流变压器，一个作同步变压器3.2 三相全控整流电路的matlab仿真3.2.1 带电阻负载的仿真利用SimPowerSystems建立三相全控整流桥的仿真模型如图15。用"Universal Bridge"模块实现三相晶闸管桥式电路，在SimPowerSystems/extra library/control blocks中的"Synchronized6-pulse generator"模块产生六脉冲

31、触发。图3-9 三相桥式全控整流电路模型3.2.2 设置模型参数三相桥式全控整流电路，电源相电压为220V，整流器输出电压为100V（相电压）设置模型参数如下：(1）电源参数设置：三相电源的电压峰值340V，频率为50HZ，相位分别为0、-120、-240. 图3-10 电源参数(2）整流器变压器参数设置：一次绕组联结（wingding1connection）选择Delta(D11),线电压为380V；二次绕组联结（wingding2connection）选择Y，线电压为173v，在要求不高时变压器容量、互感等其他参数可以保持默认值不变 图3-11 整流变压器参数设定 (3）同步变压器参数设置：一次绕组联结（wingding1connection）选择Delta(D11),线电压为380V；二次绕组联结（wingding2connection）选择Y，线电压为15v，其他参数可以保持默认值不变。 图3-12 同步变压器参数设定(4）三相晶闸管整流器参数设置：使用默认值。图3-13三相晶闸管整流器参数设置(5）负载参数设置：R的值为5欧姆。图3-14负载参数设置(6）6