电力电子课程设计三相全控桥式整流电路

电力电子课程设计

三相全控整流电路设计

院系：电气工程系

专业：电力机车及其自动化

姓名：李哲旭

班级：电车二班

学号：2014121034

目录

第1章：绪论

第2章：电路设计及其功能介绍

第3章：仿真实现及其波形分析

：总结

第一章：绪论

整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它是一种将交流电变为直流电的电路，在工业技术上应用十分广泛。主要用在直流电动机调速，发电机励磁调节，电镀，电解等各种工业生产领域。

整流电路形式多种多样，按照电路结构可分为桥式电路和零式电路；按组成器件可分为不可控、半控和全控三种。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。在此，我们着重讨论三相桥式全控整流电路！

三相桥式整流电路是现代整流电路中应用最为广泛的，整流电路通常由主电路，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（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。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。由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（如直流电动机的励磁绕组，滑差电动机的电枢线圈等）。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。

第二章 电路设计及其功能介绍

2.1三相桥式全控整流电路的原理

一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。

（1）2管同时通形成供电回路，其阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。

（2）对触发脉冲的要求：

1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。

2)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。

3)同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。

（3）Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。

（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）

（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。

三相桥式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。 6 个晶闸管导通的顺序是按 VT6 – VT1 → VT1 – VT2 → VT2 – VT3 → VT3 – VT4 → VT4 – VT5 → VT5 – VT6 依此循环，每隔 60 °有一个晶闸管换相。为了保证在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为 60 °。三相桥式全控整流电路原理图如右图所示。 

三相桥式全控整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。由整流状态转换到逆变状态必须同时具备两个条件：一定要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的 a ＞ 90 °，使 U d 为负值。

2.2 设计内容和要求：

    1. 在 AC220v、工频输入情况下，设计三相全控整流电路，实 现 DC15v、工频的整流输出结果。

2. 对全控器件，完成电角度 30 度、60 度、90 度、120 度的移 相控制，给出上述电角度情况下的输出波形。 

3. 完成上述移相控制输出波形的谐波分析。

    4针对任意一个电角度，实现控制输入信号滞后的输出波 形，比较与正常工况输出波形的区别。

2.3 电路图设计：

用vivso画出三相全控整流电路电路图如图所示：

三相桥式全控整流电路 原理图

2.4  电路分析与参数计算

1电路分析

   根据设计要求可知，此电路的负载是纯电阻负载，当触发角α<60°时，    Ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续。

    晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示 ：

实验要求 在 AC220v、工频输入情况下，设计三相全控整流电路，实 现 DC15v、工频的整流输出结果。

根据实验测得的波形可以求得负载两端的直流平均电压：

代入数据得α=88.33  

第三章 仿真实现及其波形分析

3.1用MATLAB画出三相全控整流电路负载阻抗仿真模型 如图

3.2用MATLAB依次画出电角度为30度、60度、90度、120度的输出波形

1：30度

2  60度

3 90度

4  120度

3.3.1整流电路的谐波及功率因数概念

1．谐波

在电力电子电路的分析中经常会遇到非正弦电压、电流波形，这主要是由非线性负载引起的。当正弦电压加到非线性负载上时，会产生非正弦电流，而非正弦电流又会在负载上产生压降，使电压波形也成为非正弦波。

非正弦的电压u(ωt)和非正弦的电流i(ωt)可分解成傅里叶级数如下

（3-43）

（3-44）

上式中

    ；

    ；

    ；

    n=1，2，3，∙∙∙∙∙∙

    在上述电压、电流的傅里叶级数表达式中，频率与工频相同的分量称为基波，而频率为基波频率整数倍的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比（大于1）。

3.3.2整流输出侧的谐波分析

    整流电路输出的脉动直流电压都是周期性的非正弦函数，可以用傅里叶级数表示整流电路输出的脉动直流电压，可分为直流电压平均值Ud及各次谐波电压un。以m 脉波（图3-31中m=3）整流电路为例，其输出直流电压波形如图3-31所示。

图3-31  m脉波相控整流电路输出电压波形

    在一个周期内，输出电压有m个形状相同、相位相差2π/ m的电压脉波，在图示坐标下，输出电压ud的傅里叶级数表达式为：

    （3-57）

式中：

    （3-58）

    （3-59）

    （3-60）

    按图示坐标，ua、ub的表达式分别为

    （3-61）

    α（3-62）

    上面两式中，三相半波电路时，US=U2为相电压，三相桥式电路时，US=U2l为线电压。当移相控制角为α时，Ud可计算如下：

    （3-63）

上式即为6脉波整流电路输出直流平均电压的计算结果，此外m=2、3、6时分别对应单相桥式、三相半波、三相桥式整流电路的输出直流电压平均值，α=0º则为不控整流电路。

    将式（3-61）、（3—62）代入（3-59）、（3-60）式，经化简后可得到：

    （3-）

    （3-65）

    m脉波整流电路输出电压中的谐波次数为n=Km，K=1、2、3∙∙∙。当m=6，即三相整流桥式电路时，其输出电压中就含有6、12、18∙∙∙等电压谐波。设n次谐波的电压幅值为

    （3-66）

Unm与交流电压最大值的比值为

        （3-67）

n次谐波的相位角为

    （3-68）

    负载上的电压有效值为

    （3-69）

    谐波电压有效值，即纹波电压为

    （3-70）

    纹波系数为

    （3-71）

由matlab软件中的powergui FFT Anaylysis Tool画出输出波形的谐波分析如下图：

1                               α=30度  

 当阻感负载R=10Ω，L＝10e-3H,触发角a=30°时，设置起始时间为 0s；快速傅立叶分析的周期数为1；基波频率为 50Hz；最大频率为 1000Hz；显示类型设置为“Bar (relative to fundamental)”。最终得到的FFT分析窗口下图所示。基波电压幅值为2.688V，总谐波电流畸变率4578.06%。

2  α=60度

 当阻感负载R=10Ω，L＝10e-3H,触发角a=60°时，设置起始时间为 0s；快速傅立叶分析的周期数为1；基波频率为 50Hz；最大频率为 1000Hz；显示类型设置为“Bar (relative to fundamental)”。最终得到的FFT分析窗口下图所示。基波电压幅值为57.63V，总谐波电流畸变率354.41%。

3 α=90度

 当阻感负载R=10Ω，L＝10e-3H,触发角a=90°时，设置起始时间为 0s；快速傅立叶分析的周期数为1；基波频率为 50Hz；最大频率为 1000Hz；显示类型设置为“Bar (relative to fundamental)”。最终得到的FFT分析窗口下图所示。基波电压幅值为124V，总谐波电流畸变率175.99%。

4  α=120度

 当阻感负载R=10Ω，L＝10e-3H,触发角a=90°时，设置起始时间为 0s；快速傅立叶分析的周期数为1；基波频率为 50Hz；最大频率为 1000Hz；显示类型设置为“Bar (relative to fundamental)”。最终得到的FFT分析窗口下图所示。基波电压幅值为154.1V，总谐波电流畸变率125.29%。

3.4 

针对上述任意一个电角度，实现控制输入信号滞后的输出波 形，比较与正常工况输出波形的区别。

当α=30度时正常输出Ud的波形为：

输入信号滞后时即三相电压在θ=WT，T=W÷θ时开始输入信号。

如图：

第4章 总结

    通过这次课程设计我懂得了许多的课本上所没有的知识，通过visio画三相全控整流电路较为简单，但用MATLAB画仿真图以及波形图、谐波分析都比较难，主要是因为软件全波都是英文的。通过一周的练习，使我受益匪浅。同时明白了 思路即出路。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“条条大路通罗马”。顿悟，没有思路便无出路，原来思路即出路。  

实践出真知。之后，关于真理的大讨论最终结果是“实践是检验真理的唯一标准”，自从耳闻以来，便一直以为马克思主义中国化生成的教条。时至今日，课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知。  

创新求发展。“创新”目前在我国已经提升到国家发展战略地位，足见“创新”的举足轻重。我们要从小处着手，顺应时代发展潮流，在课程设计中不忘在小处创新，未必是创新技术，但凡创新思维亦可，未必成功，只要实现创新思维培育和锻炼即可