三相半波整流电路论文

电力电子技术课程设计

题目：三相半波整流电路的设计

作者：李伟龙

学号：04991302022

指导教师：张宁

专业班级：13级电气工程及其自动化本科2班

黑龙江工业学院

2015年12月21日

目录

一、目录 (1)

二、引言

1.1 什么是电力电子技术 (2)

1.2 整流电路的应用领域及分类 (2)

三、设计目的及意义 (3)

四、设计的要求和内容

4.1 三相半波整流电路电阻负载原理组成 (3)

4.2 三相半波整流电路电阻负载原理图 (4)

4.3 三相半波整流电路原理波形分析 (4)

4.4 三相半波整流电路的保护电路 (6)

五、三相半波整流电路数量计算

5.1 输出值的计算 (7)

5.2 晶闸管电流有效值 (8)

5.3 晶闸管额定电流 (8)

六、Matlab软件电脑仿真原理图

6.1 电阻负载Matlab原理图仿真 (8)

6.2 阻感负载Matlab原理图仿真 (9)

6.3 电阻负载Matlab波形图仿真 (9)

七、心得体会 (11)

八、参考文献 (12)

九、致谢 (12)

二、引言

2.1 什么是电力电子技术

电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。

2.2 整流电路的应用领域及分类

工业中广泛使用的整流电路的目的是把国家电网中的交流电能转换为直流电能。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。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

当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时，应采用三相整流电路。由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好实验和课程设计，又因为整流电路应用非常广泛，在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，双反星形可控整流电路以及十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波可控整流电路的基础上进行分析，因此本次我们要做的实践是三相半波可控整流电路。

整流电路就是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、三相半可控整流电路、三相桥式全控整流电路等。

三、设计目的及意义

1、了解并掌握三相半波可控整流电路组成和应用；

2、进一步掌握晶闸管工作原理及其在三相半波可控整流电路中的作用；

3、结合课本和课外知识，了解电力电子技术整流电路在实际中的应用；

4、深入探索三相半波可整流电路可以为之后的三相电路研究夯实基础。

四、设计的要求和内容

1、根据三相半波整流电路课题正确选择电路形式；

2、绘制完整的三相半波整流电路电气原理图；

3、利用Matlab进行三相半波整流电路的仿真实验；

4、详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元器件的值。

设计一个三相半波可控整流电路，电路分为电阻负载和阻感负载两种，利用Matlab软件分别做出两种电路的仿真图。本次设计我们只对电阻负载进行主要设计，并做出分析。

4.1 三相半波整流电路电阻负载原理组成

三相半波可控整流电路用三只晶闸管，与单相电路比较，输出电压脉动小，输出功率大，三相负载平衡。不足之处是晶闸管电流即变压器的二次电流在一个周期内只有1/3时间有电流流过，变压器利用率低。三相半波可控整流电路纯电阻性负载，三相半波可控整流电路如图1-1所示。图中Tr为整流变压器，为了得到中性线，整流变压器的二次接成星形，一次绕组接成三角形，使三次谐波都能够通过，减少了高次谐波对电网的影响。为了得到零线，整流变压器的二次绕组必须接成星形，而一次绕组多接成三角形，使其3次谐波能够通过，减少高次谐波的影响。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，连接方便。

4.2 三相半波整流电路电阻负载原理图

图1-1

4.3 电路原理波形分析

图1-2

稳定工作时，三个晶闸管的触发脉冲互差120o，规定ωt=2π/3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ωt=2π/3处。

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<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π/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=0o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120o。增大α，则整流电压相应减小。

α=30o是输出电压、电流连续和断续的临界点。当α＜30o时，后一相的晶闸管导通使前一相的晶闸管关断。

当α＞30o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=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。

如果将电路中的晶闸管换成整流管，那么整流元件就在Wt1.Wt2.Wt3，处自

然换相，并总是换到电压最高的一相上去，相应的输出a相，b相，c相电压。因此相电压的交点就是三相半坡电路的自然换相点，即该出的a=0°。在Wt1--Wt2期间内，a相电压U最高，在Wt2--Wt3期间内，b相电压最高，在Wt2时刻触发晶闸管T2,可使T2导通，此时T1因承受反向电压而关断，负载上得到

b相电压Ub等如此，各晶闸管都按同样的规律依次触发导通并关断前面一个已

导通的晶闸管。图（a）所示，是三相电压触发脉冲。图（b）所示，各晶闸管上

的触发导通脉冲相序应与电源的相序相同。各相触发脉冲依次间隔120°，每相

晶闸管各导电120°，负载电流波形与整流电压波形相同，是连续的。图（c）

所示，输出的整流电压时三相交流相电压正半周期线。图（d）所示，是变压器

a相绕组，即流经晶闸管T1的电流波形，可见变压器绕组中通过的是直流脉冲

电流。图（e）是晶闸管T1两端的电压Ut1的波形。

4.4 三相半波整流电路的保护电路设计

相对于电机和继电器，接触器等控制器而言，电力电子器件承受过电流和过

电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。但又不能完全根据

装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，必须充分发

挥器件应有的过载能力。因此，保护电路就成为提高电力电子装置运行可靠性必

不可少的重要环节。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。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1-3所示：

五、三相半波整流电路数量计算

5.1 输出值的计算

三相桥式全控整流电路中，整流输出电压ud 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。电阻负载时要求的移相范围为0~150度。下面分两种情况来计算整流电压的平均值：

（1）α≤30度时，负载电流连续，有：

公式5-1

当00α=时，d U 为最大，d d02U =U =1.17U 。

（2）a >30度时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：

公式5-2

当0150α=时， d U =0

6d 2212sin ()0.675[1cos(/6)]2/3U U td t U ππα

ωωπαπ+==++?566d 2212sin () 1.17cos 2/3U U td t U π

πααωωαπ++==?

负载电流的平均值d I 为

d d U I =R

由于晶闸管是交替工作的，流过晶闸管的平均电流为

dT d 1I =I 3

5.2 晶闸管的电流有效值

I vt=0.577I d

5.3 晶闸管额定电流

I vt (AV)=I vt /1.57

六、Matlab 软件电脑仿真原理图

本次设计我们使用Matlab 中的Simtlink 直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且可以立即得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本次对三相半波整流电路进行建模，对不同控制角、故障情况下进行了仿真分析，既进一步加深了三相半波整流电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。

6.1 电阻负载Matlab原理图仿真

6.2 阻感负载Matlab原理图仿真

6.3 电阻负载Matlab波形图仿真

下列波形分别是触发角α为0°、30°、60°时的波形变化。（1）触发角为0°时的波形：

（2）触发角为30°时的波形：

（3）触发角为60°时的波形：

七、心得体会

通过本次三相半波整流电路的课程设计，我有了很多的感受和体会，深刻的感受到了电力电子技术在日常生活中的广泛应用，也更加理解了理论与实际联系的意义。在本次课程设计中，我主要通过查阅课本和在网上查找相关资料完成设计，同时学会了对相关科技文献的搜索，一切科学研究都是建立在前人研究的基础之上的。因此，对于相关文献资料的搜索显得尤为重要。

其次，在本次课程设计的过程中，又对本学期学过的有关三相半波可控整流电路的知识做了一次回顾，并且和同学认真讨论了三相半波可控整流电路的相关知识、各种元件的作用和导通方式，同时也更深层次的对所学的知识进行掌握，理解了以前不理解的内容。通过阅读有关书籍和网上的资料，和之前在实验课上掌握的Matlab操作方法，我自己动手操作MATLAB软件，绘制出来三相半波可控整流电路的仿真电路，进一步加深了对仿真技术的认识，并能初步设计和处理一些常见的三相整流电路故障。使自己的知识面更加的丰富。设计过程中不仅要参

考书本上知识，还要有些自己的东西加进去，设计出电路以后可以考虑从另一个方面着手再设计一个方案，看可行性如何，尽可能的将各种方案的优点集中到一个方案上来。在仿真过程中，我们也遇到了波形图仿真不出来的情况，后来经过一步一步的排查，发现是晶闸管触发角的角度没有设置正确，后来经过修正，仿真出了波形图，并分别做出了触发角为0度、30度、60度的仿真波形图。

本次课程设计，我所选择的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，因此在实际应用较少。但是，使用最为广泛的三相桥式全控整流电路，双反星形可控整流电路以及十二脉波可控整流电路，均是在三相半波可控整流电路的基础上进行分析和完成，所以我认为三相半波可控整流电路在整流电路中有着尤为重要的地位，因此选择了这个课题作为本次设计。

最后，通过这次课程设计还使我了解了科技论文的写作规范，熟悉了文字处理与排版等方面的要求。总之，这次课程设计不是简简单单的完成了一个课题，而是使我初步的掌握了科学研究的步骤与方法，是一种丰富自身经历。通过这次毕业课题设计巩固了我的专业知识，练习了我的实际操作能力，锻炼了我分析解决问题的能力，为今后的学习打下了坚实的基础。

八、参考文献

（1）王兆安刘进军《电力电子技术》机械工业出版社

（2）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（3）陈治明《电力电子器件基础》航天工业出版社

(4) 胡俊翔《电路分析》高等教育出版社

九、致谢

在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。

首先我要感谢张宁老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能做得更加完善。张宁老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益，在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了

自己的设计能力。

其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。

最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。