三相桥式可控整流电路设计

第1章绪论
1.1 设计目的
1、熟悉掌握MATLAB软件及其可视化仿真软件Simulink工具分析的操作方法。

2、根据三项桥式全控整流电路的仿真方案，确定其带阻感性负载时的输出电压与电流的特点。

1.2 设计任务
制定设计方案，使用SIMULINK建立三相桥式整流电路的模型，正确选择合理器件并进行参数设置，仿真获得的三相桥式整流电路在电阻负载和阻感负载情况下不同触发角时对应电压电流的波形；
1.3 MATLAB应用简介
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

1.4 Simulink的应用
Simulink是基于MATLAB的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车动力学系统等等，其中包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等等。

Simulink提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且Simulink还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作。

第2章三相桥式全控整流电路的设计
2.1 主电路设计及原理
其原理图如图1所示。

图2-1 主电路原理图
2.2 主电路原理及其说明
整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。

假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。

此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。

而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。

这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。

此时电路工作波形如图2-2所示。

图2-2 反电动势波形
α=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。

由图中变压器二绕组相电压与线电压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，以变压器二次侧的中点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；共阳极组导通时，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是两条包络线间的差值，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为这两个相电压相减，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。

由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。

流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势Li，它的极性事阻止电流变化的。

当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。

电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。

图2-3 给出了α=30o时的波形。

从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与α＝0o时的情况相比，一周期中ud波形仍由6段线电压构成，每一段
导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。

区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了
30o,组成ud 的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。

晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。

图中同时给出了变压器二次侧a相电流ia 的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间，ia为正，由于大电感的作用，ia 波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120o期间，ia波形的形状也近似为一条直线，但为负值。

图2-3 α=30o时的波形
由以上分析可见，当α≤60o时，u d波形均连续，对于带大电感的反电动势，i d波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。

当α＞60o时，如α＝90o 时电阻负载情况下的工作波形如图4所示，ud平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得ud的值出现负值，当电感足够大时，ud中正负面积基本相等，ud平均值近似为零。

这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的α角的移相范围为90度。

图2-4 α＝90o时的波形
2.3 三相桥式整流电路特点
三相桥式全控整流电路特点:
1.共阴极组电路和共阳极组电路串联，并接到变压器次级绕组上。

2.三相桥是电路中变压器绕组中，一周汽机油正向电流，又有反向电流，提高
了变压器的利用率，避免直流磁化。

3.三相桥式整流电路时两组三相半波整流电路的串联，因此输出电压是三相半
波的两倍。

4.三相桥式全控整流电路的共阴极组和共阳极组必须各有一个晶闸管同时导
通才能形成通路，且不可同相。

5.对共阴极组正半周触发，依次互差1200，对共阳极组负半周触发，依次互差
1200。

6.接在同一相的两个晶闸管触发脉冲相位差1800。

7.为保证电源合闸或电流断续情况正常工作，触发脉冲应采用双脉冲或宽度大
于60度的宽脉冲。

第3章触发电路的设计
3.1 电路图的选择
晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

晶闸管具有下面的特性：
1）当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

2）晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

3）晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

设计图如下
图3-1 双脉冲触发电路
根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。

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个晶闸管均有触发脉冲。

在触发某个晶闸管的同时，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60o，脉宽一般为20o ~30o，称为双脉冲触发。

双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。

3.2 触发电路原理说明
如图3-1所示，触发电压的形成用KJ004芯片完成。

KJ004电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。

电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。

对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。

同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。

触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大，R7和C2形成微分电路,改变R7和C2的值可以获得不同的脉冲输出。

KJ004芯片内部结构如图3-2所示。

图3-2 KJ004芯片内部解构
第4章仿真设计与参数整定
4.1 仿真元件的选择
打开MATLAB软件中simulink元件库，单击开始按钮,选择simulink、SimPowerSystem。

弹出电力系统元件库对话框如图4-1。

图4-1 元件库
4.2 常数发生器设置
从commonly used blocks找出constank，触发角 使用一个常数发生器设置，数值设置分别为0、30、60、90、120，如图4-2；
图4-2 常数发生器参数设置
4.3 交流电压源设置
从SimpowerSystems中找到AC Voltage Source元件，更改参数设置，如图4-3；
图4-3 交流电压源参数
4.4 晶闸管元件设置
从SimPowerSytems找到Universal Bridge，并进行参数修改，如图4-4；
图4-4 晶闸管参数
4.5 同步6脉冲发生器元件设置
从 SimPowerSytems 找到Synchronized 6-Pulse Generator，并进行参数修改，如图4-5；
图4-5 同步6脉冲发生器参数
4.6 仿真参数设置
设置时间为0.0到0.1之间，在电路图菜单中选择仿真菜单，弹出仿真参数对话框，进行如图4-6的参数修改；
图4-6 仿真参数
第5章仿真结果分析
5.1 仿真结果
1.当三相桥式全控整流电路为电阻性负载时，设定触发角分别为0°、30°、60°、90°，应用软件得到不同的仿真图形；
（1）当触发角α=0°时，波形如图5-1
图5-1 触发角α=0°输出电压电流波形
（2）当触发角α=30°时，波形如图5-2；
图5-2 触发角α=30°输出电压电流波形
（3）当触发角α=60°，波形如图5-3；
图5-3触发角α=60°输出电压电流波形（4）当触发角α=90°，波形如图5-4
图5-4触发角α发角=90°输出电压电流波形
2.当三相桥式全控整流电路为阻感性负载时，触发角分别设定为0°30°、60°、
90°，应用软件得到以下输出电压及电流的仿真波形。

（1）当触发角α=0°时，输出电压及电流的仿真波形如图5-5；
图5-5 触发角α=0°输出电压电流波形
（2）当触发角α=30°时，输出电压及电流的仿真波形如图5-6；
图5-6 触发角α=30°输出电压电流波形
（3）当触发角α=60°，输出电压及电流的仿真波形如图5-7；
图5-7 触发角α=60°输出电压电流波形
（4）当触发角α=90°，输出电压及电流的仿真波形如图5-8
图5-8 触发角α=90°输出电压电流波形
从图中可知当触发角α=00～30°时，电压的波形与带电阻性负载的波形基本相同，电流波形不再与电压波形一直，当触发角α=60°时电压波形中出现负值但由于正值的部分大于负值，所以平均电压还是为正，但输出电压平均值比之前在减小，当α增大到90o时，电压波形正负峰值对等，说明电压平均值为0，电流波形也趋近于零。

所以在阻感性负载时三相桥式全控整流电路的触发角α移相范围为0～900。

总结
对于此次设计让我通过验证得知，对于三相桥式全控整流电路输出的电压与电流受控与负载的性质和触发角的偏移大小。

在纯电阻性负载时，输出的电压与电流波形基本为一致，随着α角逐渐的增加输出的电压与电流波形出现了剧变的现象，且当α角增大到120度时输出的电压与电流波形全部为零，所以带电阻性负载的触发角偏移范围是0～1200。

对于带组感性负载时其中的电感作用是使负载电流趋于平稳保持连续。

除了触发角α=00～30°时，电压的波形与带电阻性负载的波形基本相同以外，阻感性负载的电流波形都不再与电压波形一直，当触发角α=60°时电压波形中出现负值但由于正值的部分大于负值，所以平均电压还是为正，但输出电压平均值比之前在减小，当α增大到90o时，电压波形正负峰值对等，说明电压平均值为0，电流波形也趋近于零。

所以在阻感性负载时三相桥式全控整流电路的触发角α移相范围为0～900。

致谢
设计，给人以创作的冲动。

在画家眼里，设计是一幅清明上河图或是一幅向日葵；在建筑师眼中，设计是昔日鎏金般的圆明园或是今日一塑自由女神像；在电子工程师心中，设计是贝尔实验室的电话机或是华为的程控交换机。

凡此种种，但凡涉及设计都是一件良好的事情，因为她能给人以美的幻想，因为她能给人以金般财富，因为她能给人以成就之感，更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养，而这种营养更是一种福祉，一辈子消受不竭享用不尽。

我就是以此心态对待此次《电子技术》课程设计的，所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，
在这次的课程设计中我不光学到了知识，还深切体会到了团结互助的重要性，由于这次三相桥式全控整流电路设计的复杂，在做的过程中我遇到了这样那样的困难，但是因为老师不厌其烦的讲解，让我体会到了对于科学的严谨，一丝不苟的态度，同学们互相友爱的帮忙，让我体会到了团结才是力量之源，这些困难在你们的帮助下都仿佛不再是困难，有了你们我不再是孤军奋战，对此我要对曲娜主任和帮助过我的同学们真诚的说句谢谢你们。

参考文献
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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计。