电力电子技术课程设计论文(1)

电力电子技术课程设计论文(1)

题目：电力电子技术课程设计三相桥式整流电路的设计三相桥式整流电路的设计 2 三相桥式整流电路的设计摘要整流电路就是把交流电能转换成直流电能的电路，大多数整流电路变压器、整流主电路和滤波器等组成，在直流电动机的调速、发电机励磁调节、电解及电镀等领域得到广泛地应用。整流电路主电路、滤波器和变压器组成。本次三相桥式电路整流器的设计采用的是三相全控桥整流电路，电路设计在带反电动势负载下完成。我在对三相桥式全控整流电路工作原理理解的基础上，设计三相桥式整流电路带电阻负载时的电路原理图，并建立基于PSIM的仿真模型，在三种不同触发角的输出波形进行对比分析，验证所设计整流电路的正确性。关键词：电

力电子，整流，三相全桥，PSIM仿真2 陕西科技大学设计说明书 3 目录 3 三相桥式整流电路的设计 4 ? 第一章前言电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张地说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。整流电路技术在工业生产上应用极广。如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。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。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、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1，变成二次电压U2。晶闸管等组成的全控整流主电路，其输出端的负载，我们研究是电阻性负载、电阻电感负载。以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压U2 一周期内导

通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件，具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。PSIM 主要具有以下优点：一是具备各种电力电子器件、变压器、磁性与非线性元件、电机、负载以及多种模拟与数字元件，可搭建各种电路。子电路层次数不受限制，可以建构不同的芯片电路或功能模块。二是方便在仿真中更改电路参数与观察波形。频率响应分析方便与MATLAB/Simulink联合进行工作，可以结合C/C++等高级语言编写复杂控制程序，此外还可以仿真DSP、CPLD等内部工作环境。三是无收敛问题，执行速度较同类软件快，具有快速、强大的仿真功能。仿真结果准确，基本和制作的实际电路运行结果相符。 4 陕西科技大学设计说明书 5 ?

第二章三相桥式全控整流电路工作原理主电路设计目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，如图所示，将其中阴极连接在一起的晶闸管(VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管称为共阳极组。此外，习惯将共阴极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT4、VT2、VT6按此编号，晶闸管导通的顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。图三相桥式全控整流电路主电路原理说明整流电路的负载为带反电动势的阻感性负载。当晶闸管触发角α=0°时，此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阴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。工作波形如图所示。 5

三相桥式整流电路的设计6 图反电动势α=0°时的波形α=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。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，于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，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。于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，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。为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60o，如图2所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示。该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

6 陕西科技大学设计说明书

7 表 1 α=0时晶闸管工作情况o 时段共阴极组中导通的晶闸管共阳极组中导通的晶闸管输出电压Ud ⅠⅡⅢⅣⅤⅥVT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5 VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6 Uab Uac Ubc Uba Uca Ucb 图给出了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，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。7 三相桥式整流电路的设计8 图反电动势α=30°时的波形时段共阴极组中导通的晶闸管共阳极组中导通的晶闸管输出电压Ud ⅠⅡⅢⅣⅤⅥVT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5 VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6 Uab Uac Ubc Uba Uca Ucb 表2 α=30°时晶闸管工作情况以上分析可见，当α≤60时，ud波形均连续，对于带大电感的反电动势，id波o形于电感的作用

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所示，ud平均值继续降低，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度以上分析可见，当α≤60o时，ud波形均连续，对于带大电感的反电动势，id 波形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所示，ud平均值继续降低，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。表2 α=90°时晶闸管工作情况时段共阴极组中导通的晶闸管ⅠⅡⅢⅣⅤⅥVT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5 8

陕西科技大学设计说明书9 共阳极组中导通的晶闸管输出电压Ud 图反电动势α=90°时的波形VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6 Uab Uac Ubc Uba Uca Ucb ? 第三章参数选型电源参数为了设计三相桥式全控整流电路，将三相交流电作为电源，三相电分别为a,b,c三相，每相相电压为220V，频率为50Hz，a,b,c三相相位分别相差120。9 三相桥式整流电路的设计10 10

陕西科技大学设计说明书11 图电源参数的设置设置好后可以在PSIM里得到如下波形：图三相电源相电压波形仿真时间的设置11 三相桥式整流电路的设计12 图仿真时间的设置设定仿真时间为,即三个周期,如图所示。负载参数值的设置于整流出来的电流较大，原本的色环电阻功率太小，很容易被烧坏，所以需选

用阻值较小的功率电阻。其中本设计采用R=30的功率电阻。对于电阻负载，负载电流Id与Vd波形形状一样。而对于阻感负载，于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。通常用下式来选电感：L?(mH)Imin于本设计要选足够大的电感，选L=200mH。于利用PSIM进行仿真时，不涉及晶闸管参数设定。但在实际应用，要根据额定电压Un 和额定电流In来选择合适的晶闸管。选晶闸管在后面的计算中会涉及。α=0°时的仿真参数设计当触发角为30°时各晶闸管均在自然换相点处换相，即α=0°，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接的交流电压值最大的一个导通，而对于共阳极组的三个晶闸管则是阴极所接的交流电压值最小的一个导通，因此，在任意时刻，共阳极组和共阴极组各有一个晶闸管处于导通状态施加在负载上的电压为某一线电压

晶闸管VT1触发角度的设置如图所示：图触发脉冲角度的设置根据触发脉冲的设置原则：六个晶闸管的脉冲按VT1 –VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序相位一次相差60°；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°；同一相的上下两个桥臂，脉冲差180°。所以设置VT4触发脉冲角度为210 300，VT3触发脉冲角度为150 240，VT6触发脉冲角度为330 420，VT5触发脉冲角度为270 360，VT2触发脉冲角度为90 180。12 陕西科技大学设计说明书13 运行仿真，得到下列波形：图α=0°时输出电压Ud和电流Id的波形图α=0°时晶闸管VT1两端的电压电流的波形图α=0°时a相电源的电流波形晶闸管的开通过程于内部正反馈过程需要时间，触发脉冲宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路触发脉冲应宽于60度，取触发角度为120度，在触发过程中，每个时刻均需两

个晶闸管同时导通，形成负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。a) 波形分析α=0°时，各晶闸管均在自然换相点处换相，各自然换相点既是相电压的交点，也是线电压的交点。从线电压波形看，于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，输出整流电压Ud为这个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压Ud的波形是线电压在正13 三相桥式整流电路的设计14 半周期的包络线。于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，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。晶闸管VT1与电源a相直接相接，晶闸管在一个周期中有120°处于通态，240°处

于断态，于负载为阻感负载，故晶闸管处于通态时电压波形与相应时段Ud波形相同。晶闸管处于断态时，电压波形与相应时段与a相有关的线电压波形相同。b) 参数计算输出电压和电流的计算：当α≤60°时，计算公式为Ud?62?2???3??36U2sin?td?t

??将上式化简得Ud??将α=0，U2=220，带入上面的公式得Ud= Id?Ud—E RR=30，Id= 对比所计算的数值和仿真结果图，两个结果一致。c) 晶闸管额定电压的选择断态重复峰值电压UDRM：断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正相峰值电压反相重复峰值电压URRM反相重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反相峰值电压。通常取晶闸管的断态重复峰值电压UDRM和反相重复峰值电压URRM较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管额定电压的计算公式

为：UN?min(URRM,UDRM)仿真波形可以看出，min(URRM,UDRM)为峰值电压，U2为相电压的有效值，所以UN?6U2 取放大倍数倍，UN=~

14 陕西科技大学设计说明书

15 晶闸管额定电流的选择：IVT?13Id IIN?VT 取倍，IN=Idvt=~ α=30°时的仿真参数设计设计VT1:60 180,VT4:240 360,VT3:180 300,VT6:0 120,VT5:-60 60,VT2:120 240 图α=30°时的电路运行仿真，得到下列波形：图α=0°时输出电压Ud和电流Id的波形图α=0°时晶闸管VT1两端的电压电流的波形15

三相桥式整流电路的设计16 图α=0°时a相电源的电流波形晶闸管的开通过程于内部正反馈过程需要时间，触发脉冲宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路触发脉冲应

宽于60度，取触发角度为120度，在触发过程中，每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。a) 波形分析与α＝0o时的情况相比，α＝30°一周期中ud波形仍6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合α＝0°时的规律。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，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。当α≤60o时，ud波形均连续，对于带大电感的反电动势，id波形于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。

b) 参数计算输出电压和电流的计

算：当α≤60°时，计算公式为Ud?62?2???3??36U2sin?td?t

??将上式化简得Ud??将α=0，U2=220，带入上面的公式得Ud= Id?Ud—E RR=30，Id= 对比所计算的数值和仿真结果图，两个结果一致。16 陕西科技大学设计说明书17 c) 晶闸管额定电压的选择断态重复峰值电压UDRM：断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正相峰值电压反相重复峰值电压URRM反相重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反相峰值电压。通常取晶闸管的断态重复峰值电压UDRM和反相重复峰值电压URRM较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管额定电压的计算公式为：UN?min(URRM,UDRM)

仿真波形可以看出，min(URRM,UDRM)为峰值电压，U2为相电压的有效值，所

以UN?6U2取放大倍数倍，UN=~ 晶闸管额定电流的选择：IVT?13Id IIN?VT 取倍，IN=Idvt=~ α=90°时的仿真参数设计VT1:120 240,VT4：-60 60，VT3:-120 0，VT6:60 180,VT5:0 120,VT2:180 300 图α=90°时的电路运行仿真，得到下列波形：17 三相桥式整流电路的设计18 图α=90°时输出电压Ud和电流Id的波形图α=90°时晶闸管VT1两端的电压电流的波形图α=90°时a相电源的电流波形晶闸管的开通过程于内部正反馈过程需要时间，触发脉冲宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路触发脉冲应宽于60度，取触发角度为120度，在触发过程中，每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。a) 波形分析当α＞60o时，

如α＝90o时电阻负载情况下的工作波形如图所示，ud平均值继续降低，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。

b) 参数计算输出电压和电流的计算：当α≤60°时，计算公式为Ud?62?2???3??36U2sin?td?t

??18 陕西科技大学设计说明书19 将上式化简得Ud??将α=0，U2=220，带入上面的公式得Ud= Id?Ud—E RR=30，Id= 对比所计算的数值和仿真结果图，两个结果一致。c) 晶闸管额定电压的选择断态重复峰值电压UDRM：断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正相峰值电压反相重复峰值电压URRM反相重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反相峰

值电压。通常取晶闸管的断态重复峰值电压UDRM和反相重复峰值电压URRM较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管额定电压的计算公式为：UN?min(URRM,UDRM)仿真波形可以看出，min(URRM,UDRM)为峰值电压，U2为相电压的有效值，所以UN?6U2 取放大倍数倍，UN=~ 晶闸管额定电流的选择：IVT?13Id IIN?VT取倍，IN=Idvt=~ 19 三相桥式整流电路的设计20 ? 第四章心得体会我知道电力电子技术是一门基础性和支持很强的技术，但我真正体会到这一点却是在这次课设的过程中。通过本次课程设计，我对电力电子技术这门课有了很深的了解，对各个知识点有个更好的掌握。本次课程设计，做的是三相桥式整流电路设计。从本次课程设计的目的来看，收获是不少的。开始设计时我遇到了很多的问题，特别是在用PSIM对整流电路进行仿真