1、电力电子系统设计报告（20142015 学年 第二学期）系 别 信息与控制工程系题 目 三相半波整流电路的设计专 业 电气工程及其自动化班 级学 号姓 名指导教师完成时间 2015 年 7 月 7 日 评定成绩电力电子系统设计目 录第一章 引言 1第二章 方案设计分析 2第三章 主电路原理分析及主要元器件选择 33.1主电路原理分析 33.2主要元器件选择 6第四章 触发电路与保护电路的设计 74.1触发电路的设计 74.2保护电路的设计 8第五章 心得体会 9第六章 参考文献 10第一章 引言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
2、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。设计一三相半波整流电路，直流电动机负载，电机技术数据如下：Unom=220V，Inom=308A，nnom=1000r/min，Ce=0.196V min/r，Ra=0.18。第二章 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。电力电子系统设计分析采用三相半波整流电路反电动
3、势负载电路，如图 2.1 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 2.1 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。第三章 主电路原理分析及主要元器件选择
4、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，将其作为计算各晶闸管触发角 的起点，即 =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，相当于三相半波不可控整流电路的情况。增大 值，将脉冲
5、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，则相电压交点处的电压为 。2sin30=15.4VU。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。E196nomeCVT电力电子系统设计晶闸管的触发角为 0时，波形图如图 3.1 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 3.1 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
6、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 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。电力电子系统设计图 3.2 触发角为 60时的波形触发角为当 60时，当 过零时，由于电感的存在，阻止了电流的下降，因而 继续导通，直到下一相晶闸管 的触发脉冲到来，才发生换流，由 导通向负载供电，同时向 施
7、加反相电压使其关断。这种情况下 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 / 与 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 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， / 与 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（3-2）由此晶闸管的额定电流 IVT(AV)可由式（3-3）求
8、出，即（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（3-4）210.573VTddIII()0.681.57dVTAVTII I2.4FMRUU电力电子系统设计30817.nomVTIA2019638nomenodaUCVI AR-图 3.3 三相半波可控整流电路 / 与 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
9、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 ，故可得 =31.3。即当21.7dcos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故可知 10.4726.9dIIA，
10、 1134.98SUIKW， ，235SIKW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=3 08A。由式（3-4）知晶闸管峰值电压 UFM=2.45 D_Dd_ D_Dd_晶闸管电流安全裕量需是额定值的 1.52 倍，故 I=（1.52 ）03060901201500.40.81.2.7321/()Ud/22176.83dIA 12.3SKW电力电子系统设计IVT/1.57=170226.7A。故晶闸管的电压范围 10781617V，电流范围 170226.7A。3）平波电抗器参数选择：电抗
11、值可由得到，Idmin 为最小电流，即电动机空载时的电流， 此时可得进而得到L=1.46 220V/133.3A=2.4mH。第四章 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。2min1.46dULImin2019638denomdaUCVI AR电力电子系统设计图 4.1 三相半波整流电路触发电路4.2
12、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。usa123456710914328165 123456710914328165KJ04 KJ04-15V+15V 123456710914328165KJ04RP6RP3(1 6脚 为 6路 单 脉 冲 输 入
13、)123456710914328165KJ01(150脚 为 6路 双 脉 冲 输 出 )至VT1usb usc upucoR19R13 R20R14 R2115R93R6R18R82R5R17R71R4R16R10 R1 R12C7C4 C1C8C5 C2C9C6 C3RP4P1 P5P2至VT2至VT3至VT4至VT5至VT6电力电子系统设计图 4.2 保护电路的设计第五章 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。设计过程中不仅要参考书本上知识，还要有些自己的东西
14、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。第六章 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 MATLABSimulink 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 MatlabSimulink 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电力电子系统设计
