电力电子技术课程设计报告

成都理工大学工程技术学院T h e E n g i n e e r i n g&T e c h n i c a l C o l l e g e o f C h e n g d u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y

电力电子技术课程设计报告

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指导教师

三相半波整流电路的设计

1设计意义及要求

1.1设计意义

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。

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：220nom U V =，

I =308A nom ，=1000r/min nom n ，C =0.196V min/r e ，0.18a R =。

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方案设计分析

本文主要完成三相半波整流电路的设计，通过MATLAB软件的SIMULINK模块建模并仿真，进而得到仿真电压电流波形。

分析采用三相半波整流电路反电动势负载电路，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。三个晶闸管分别接入b c

a、、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。

图1 三相半波整流电路共阴极接法反电动势负载原理图

直流电动机负载除本身有电阻、电感外，还有一个反电动势E。如果暂不考虑电动机的电枢电感时，则只有当晶闸管导通相的变压器二次电压瞬时值大于反电动势时才有电流输出。此时负载电流时断续的，这对整流电路和电动机负载的工作都是不利的，实际应用中要尽量避免出现负载电流断续的工作情况。

3主电路原理分析及主要元器件选择

3.1主电路原理分析

主电路理论图如图1所示。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。在相电压的交点处，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最早时刻，将其作

α=。，要改变触发角只能是在此基础上增大它，即为计算各晶闸管触发角α的起点，即0

沿时间坐标轴向右移。

当三个晶闸管的触发角为0°时，相当于三相半波不可控整流电路的情况。增大α值，将脉冲后移，整流电路的工作情况相应的发生变化。

设变压器二次侧电压有效值为220V 2sin30=155.54V ?。 若反电动势小于155.54V 时，整流电路相当于工作在阻感负载情况下=1000r/min nom n （因为在自然换相点处晶闸管导通，负载电压等于相电压）。

根据任务书所给电机参数，当电机空载转速为，且稳定运行时，反电动势为

E 196nom e n C V =?=。

晶闸管的触发角为0°时，波形图如图2所示，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

触发角较小时，在触发脉冲发出时交流电压还没有达到196V ，晶闸管不导通，到196V 以后在触发脉冲的作用下晶闸管导通；换相后1VT 关断，在2VT 导通期间，

1uvt ua ub uab =-=；3VT 导通期间，1uvt ua uc uac =-=。

触发角变大后，可以实现在触发脉冲发出时电压达到196V ，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。

图3 触发角为60°时的波形

触发角为当60°时，当2U 过零时，由于电感的存在，阻止了电流的下降，因而1VT 继续导通，直到下一相晶闸管2VT 的触发脉冲到来，才发生换流，由2VT 导通向负载供电，同时向1VT 施加反相电压使其关断。这种情况下d U 波形中出现负的部分，若2/d U U d U 波形中负的部分将增多，至90α=? d U 波形中正负面积相等，d U 的平均值为零。由此可见阻感负载时的移相范围为90°。

由于负载电流连续，d U 可由式（3-1）求出，即

562228

6

1

sin ()cos 1.17cos 223

d U wtd wt U ππ

ππ

++=

=

?=??

(3-1)

2/d U U 与α成余弦关系，如图4中曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，则当30α>?后，与电感量足够大的情况相比较，ud 中负的部分可能减少，整流电压平均值ud 略为增加，2/d U U 与α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I2可由式（3-2）求出，即

20.577VT d d I I I ==

= （3-2） 由此晶闸管的额定电流IVT(AV)可由式（3-3）求出，即

()0.3681.57

d

VT AV VT I I I =

= （3-3） 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

22.45FM RM U U U == （3-4）

图4 三相半波可控整流电路2/d U U 与α的关系

id 波形有一定的脉动，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 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，这与的近似对分析和计算的准确性并不产生很大影响。

三相半波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，因此其应用较少。

3.2主要元器件选择

设变压器原边电压1380U V =，副边电压2220U V =，根据要求电机的额定电压为

220nom U V =，由三相半波整流电路的工作原理知21.17d U U cos =?，故可得31.3α=?。即当触发角为31.3°时，三相半波整流电路输出的电压即为电机的额定电压。

1）变压器参数选择：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220196133.30.18nom e nom d a U C n V V

I A R --=

==Ω

故可知，10.47262.9d I I A ==

276.8d I A =

=

11141.398S I KW = 222350.688S U I KW == 12

46.0432

S S S KW +=

= 故得变压器原边电压为380V ，副边电压为220V ，容量46.043KW 。

2）晶闸管参数选择：电动机正常工作时，220nom U V =，308nom I A =。由式（3-4）知晶闸管峰值电压 2.45220539FM U V =?=,晶闸管电流安全裕量需是额定值的2~3倍,故

(2~3)5391078~1617U V V =?=，由式（3-2

）知晶闸管电流有效值

177.8VT I A =

=

=,晶闸管电流安全裕量需是额定值的1.5~2倍，故(1.5~2)/1.57170~226.7I IVT A =?=。

故晶闸管的电压范围1078~1617V ，电流范围170~226.7A 。

3）平波电抗器参数选择：电抗值可由得到，min d I 为最小电流，即电动机空载时的电流，此2

min

1.46

d U L I =时可得min 220196133.30.18d

e nom d a U C n V V I A R --===Ω

进而得到 1.46220/133.3 2.4L V A mH =?=

4触发电路与保护电路的设计 4.1触发电路的设计

如图5所示为触发电路。由三片集成触发电路芯片KJ004和一片集成双脉冲发生器芯片KJ041形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的。触发电路产生的触发信号用接插线与主电路各晶闸管相连接。该电路可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。

图5 三相半波整流电路触发电路

VT 1u sc

VT 2VT 3VT 4VT 5VT 6

4.2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6所示。

图6 保护电路的设计

5通过MATLAB仿真

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

设置三相交流电压为225.6V ，触发角为31.3°，电抗值为2.4mH ，反电动势为196V 。得到仿真波形如图8所示，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8 MATLAB 仿真波形图

所得波形基本与理论分析相符，触发脉冲发出时，电压已经达到196V ，在触发脉冲的作用下晶闸管导通；换相后1VT 关断，在2VT 导通期间，1uvt ua ub uab =-=；3VT 导通期间，

1uvt ua uc uac =-=。

心得体会

通过本次课程设计三相半波整流电路，让我有很多感受和体会，深切的感受到了电子技术在日常生活中的广泛应用，更加理解理论联系实际的意义，为以后的工作、学习奠定了基础。

本次课程设计中主要还是通过查阅课本、图书馆相关资料并上网查有关芯片的引脚图才得以顺利完成。在同学的帮助下设计出了电路，通过MATLAB 仿真成功，同时也意识到了

自己的一些不足之处，对课本非重点知识理解不够深入，比如KJ004，不知道具体如何使用，以后应该加强对课本知识的理解，不能局限于考试的内容。

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。

完成了本次课程设计，有种如释重负的感觉，同时也感到一点点自豪，可以用学到的知识完成一个看似平常但却包含很多知识的器件，大大提高了学习电子技术的积极性。这不仅仅是个人的成功，还得多亏同学们的帮助才能顺利完成本次设计。以后的学习生活中，大家更要相互帮助、学习，集思才能广益，才能创作出好的作品。希望以后会有更多的让自己动手实践的机会来提高自己的实践能力。同时，在平时要要求自己多看书，多查阅相关资料，完备自己的知识体系，相信在以后的实践活动中会做出更好的作品。

参考文献

[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M]. 北京:机械工业出版社，2009.

[2] 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用.北京：清华大学出版社，2002.

[3] 李维波.MATLAB在电气工程中的应用.北京：中国电力出版社，2007.

[4] 郑亚民，蒋保臣.基于Matlab／Simulink的整流滤波电路的建模与仿真[Jl.电子技术，2002.

[5] 张占松，孙时生，伍言真．电路和系统的仿真实践[M]．北京：科学出版社，2000．