三相半波整流电路的设计
课程设计说明书
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摘要
三相整流电路有三相半波整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路，由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。Matlab提供的可视化仿真工具Simtlink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用Simulink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。
关键词:三相半波整流电路；晶闸管；MATLAB仿真
Abstract
Three-phase rectifier circuit with half controlled three-phase half wave rectifier circuit, three-phase bridge rectifier circuit and three-phase full bridge
controlled rectifier circuit, the rectifier circuit to AC signals, DC signal and a trigger signal, also contains the thyristor, capacitance, inductance, resistance and other components, using conventional circuit analysis method is onerous, pressure situation under the experiment also difficult to smoothly. Matlab provides visual simulation tool Simtlink can directly establish circuit simulation model, changing the simulation parameters, and immediately get the simulation results of arbitrary, intuitive, further saves the programming steps. In this paper, Simulink is used to model the three phase half wave rectifier circuit, control angle, for different fault conditions are simulated and analyzed, which deepens the three-phase half wave rectifier circuit theory, and provides a good
experimental foundation for the modern power electronic experimental teaching. Keywords: three phase half wave rectifier circuit; thyristor; MATLAB simulation
目录
1 引言（意义及要求）……………………………………………………………… 2 设计分析………………………………………………………………………… 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………………………………………………………………… 3.2 主要元器件选择………………………………………………………………… 4 触发电路与保护电路的设计………………………………………………………… 4.1触发电路的设计………………………………………………………………… 4.2保护电路的设计………………………………………………………………… 5 通过MATLAB ……………………………………………………………………… 心得体会………………………………………………………………………………… 参考文献……………………………………………………………………………… 致谢…………………………………………………………………………
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。
设计条件：1.电源电压：三相交流U2：100V/50Hz
2.输出功率：500W 3.触发角α=45 4.阻感负载
根据课程设计题目和设计条件，说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。设计内容包括：1.整流变压器额定参数的计算 2.晶闸管电流、电压额定参数选择
3.触发电路的设计
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，将其作为计算各晶闸管触发角α的起点，即α=0。，要改变触发角只能是在此基础上增大它，即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nnom=1000r/min（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=nnom⨯Ce=196V。
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VT1关断，在VT2导通期间，uvt1= ua- ub= uab；VT3导通期间，uvt1= 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45°，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45°时的波形
触发角为当45°时，当导通，直到下一相晶闸管
时向
过零时，由于电感的存在，阻止了电流的下降，因而的触发脉冲到来，才发生换流，由
继续
导通向负载供电，同
增大，
施加反相电压使其关断。这种情况下
时，
波形中出现负的部分，若波形
中负的部分将增多，至波形中正负面积相等，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，
可由式（3-1）求出，即
1Ud=
3/
π
5π6+∂
2sinwtd(wt)=
6
2cos∂=1.17U2cos∂ （3-1）
2π
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
α>30°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，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
/
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
I2=IVT
=Id=0.577Id
（3-2）
由此晶闸管的额定电流IVT(AV)可由式（3-3）求出，即
I =
Id = 0.368 3-3 ） I （
VT(AV)
1.57
VT
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
U U FM = U RM = 2.45 2 （ 3-4 ）
1.2
1.17
Ud/U2
0.80.4
120
/
030
60 90
)α /(°
150
图4 三相半波可控整流电路
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U1=380V，副边电压U2=220V，根据要求电机的额定电压为Unom=220V，由三相半波整流电路的工作原理知Ud=1.17U2cos∂，故可得α=31.3°。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
U-Cennom220V-196V
==
133.3A故变比1.73：1。电机正常运行时电流 I d = nom
Ra0.18Ω
d=76.8AI1=0可知I2=，
.I4d=S+S
S2=3U2I2=50.688KW， S=12=46.043KWS1=1I1=41.398KW，
2
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，Unom=220V，Inom=308A。由式（3-4）知晶闸管峰值电压UFM=2.45
220=539V，晶闸管电压安全裕量需是峰值电压的2~3倍，故U=
I===177.8A（2~3）539V=1078~1617V。由式（3-2）知晶闸管电流有效值 VT
晶闸管电流安全裕量需是额定值的1.5~2倍，故I=（1.5~2）IVT/1.57=170~226.7A。
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，Idmin为最小电流，即电动机空载时的电流，此时进L=1.46
L=1.46
U2
Idmin
可得 得
Idmin=
Ud-Cennom220V-196V
==133.3A
Ra0.18Ω
而到
220V/133.3A=2.4mH。
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。
uVT1VT2VT3VT4VT5VT6
图5 三相半波整流电路触发电路
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100V，触发角为45°，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VT1关断，在VT2导通期间，uvt1= ua- ub= uab；VT3导通期间，uvt1= ua- uc= uac。
心得体会
1.多学多问，学会他人技能。学问学问，无问不成学。知识和经验的收获可以说与勤学好问是成正比的，要记住知识总是垂青那些善于提问的人。
2.善于思考，真正消化知识。有知到识，永远不是那么简单的事，当你真正学会去思考时，他人的知识才能变成你自己的东西。
3.前人铺路，后人修路。墨守陈规永远不会有新的建树，前人的道路固然重要，但是学会另辟蹊径更为重要。
4.独立而不孤立。学会独立思考，独立实验，但要记住与他人的交流也是非常重要的，实验和实验事永远不是你自己的。
5.实事求是做实验。不骗自己更不要骗他人。
6.认真仔细地做好实验纪录。不要当你真正用到它时才知它的重要所在
参考文献
[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009
[2].李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.2005
[3].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.2006 [4].钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010