电力电子核心技术优秀课程设计优质报告.doc

成全部理工大学工程技术学院
The Engineering&Technical College of Chengdu University of Technology

电力电子技术课程设计汇报

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三相半波整流电路设计

1设计意义及要求

1.1设计意义
整流电路是出现最早电力电子电路，将交流电变为直流电，电路形式多个多样。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采取三相整流电路。其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基础是三相半波可控整流电路，应用最为广泛是三相桥式全控整流电路、和双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波基础上进行分析。

1.2初始条件
设计一三相半波整流电路，直流电动机负载，电机技术数据以下：，，，，。

1.3要求完成关键任务
1）方案设计
2）完成主电路原理分析
3）触发电路、保护电路设计
4）利用MATLAB仿真软件建模并仿真，获取电压电流波形，对结果进行分析
5）撰写设计说明书
2方案设计分析
本文关键完成三相半波整流电路设计，经过MATLAB软件SIMULINK模块建模并仿真，进而得到仿真电压电流波形。
分析采取三相半波整流电路反电动势负载电路，图1所表示。为了得到零线，变压器二次侧必需接成星形，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三相电源，它们阴极连接在一起，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。假如暂不考虑电动机电枢电感时，则只有当晶闸管导通相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，这对整流电路和电动机负载工作全部是不利，实际应用中要尽可能避免出现负载电流断续工作情况。

3主电路原理分析及关键元器件选择

3.1主电路原理分析
主电路理论图图1所表示。假设将电路中晶闸管换作二极管，并用VD表示，该电路就成为三相半波不可控整流电路。此时，三个二极管对应相电压中哪一个值最大，则该相对应二极管导通，并使另两相二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相相电压。在相电压交点处，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最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角起点，即。，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。
当三个晶闸管触发角为0°时，相当于三相半波不可控整流电路情况。增大值，将脉冲后移，整流电路工作情况对应发生改变。
设变压器二次侧电压有效值为，则相电压交点处电压为。
若反电动势小于时，整流电路相当于工作在阻感负载情况下（因为在自然换相点处晶闸管导通，负载电压等于相电压）。
依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。
晶闸管触发角为0°时，波形图图2所表示，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°时波形

触发角较小时，在触发脉冲发出时交流电压还没有达成，晶闸管不导通，到以后在触发脉冲作用下晶闸管导通；换相后关断，在导通期间，；导通期间，。
触发角变大后，能够实现在触发脉冲发出时电压达成，晶闸管直接导通，图3所表示，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。

图3 触发角为60°时波形

触发角为当60°时，当过零时，因为电感存在，阻止了电流下降，所以继续导通，直到下一相晶闸管触发脉冲到来，才发生换流，由导通向负载供电，同时向施加反相电压使其关断。这种情况下波形中出现负部分，若 波形中负部分将增多，至 波形中正负面积相等，平均值为零。由此可见阻感负载时移相范围为90°。
因为负载电流连续，可由式（3-1）求出，即
(3-1)
和成余弦关系，图4中曲线2所表示。假如负载中电感量不是很大，则当后，和电感量足够大情况相比较，中负部分可能降低，整流电压平均值略为增加，和关系将介于图4中曲线1和2之间，曲线3给出了这种情况一个例子。
变压器二次电流即晶闸管电流有效值I2可由式（3-2）求出，即 （3-2）
由此晶闸管额定电流IVT(AV)可由式（3-3）求出，即
（3-3）
晶闸管两端电压波形图3所表示，因为负载电流连续，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）

图4 三相半波可控整流电路和关系

id波形有一定脉动，这是电路工作实际情况，因为负载中电感量不可能也无须很大，往往只要能确保负载电流连续即可，这么id是有波动，不是完全平直水平线。通常，为简化分析及定量计算，能够将id近似为一条水平线，这和近似对分析和计算正确性并不产生很大影响。
三相半波整流电路关键缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，所以其应用较少。
3.2关键元器件选择
设变压器原边电压，副边电压，依据要求电机额定电压为，由三相半波整流电路工作原理知，故可得。即当触发角为31.3°时，三相半波整流电路输出电压即为电机额定电压。
1）变压器参数选择：图1所表示，为了得到零线，变压器二次侧必需接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。变压器采取三角形星形连接，一次侧二次侧变比。电机正常运行时电流
故可知，

故得变压器原边电压为，副边电压为，容量。

2）晶闸管参数选择：电动机正常工作时，，。由式（3-4）知晶闸管峰值电压,晶闸管电流安全裕量需是额定值倍,故，由式（3-2）知晶闸管电流有效值,晶闸管电流安全裕量需是额定值倍，故。
故晶闸管电压范围，电流范围。
3）平波电抗器参数选择：电抗值可由得到，为最小电流，即电动机空载时电流，此时可得
进而得到

4触发电路和保护电路设计
4.1触发电路设计
图5所表示为触发电路。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，即组成完整。触发电路产生触发信号用接插线和主电路各晶闸管相连接。该电路可分为同时、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大多个步骤。

图5 三相半波整流电路触发电路

4.2保护电路设计
电力电子电路中保护电路包含过电压保护和过电流保护。
过电压保护通常采取RC过电压抑制电路，RC过电压抑制电路可接于供电变压器两端或电力电子电路直流侧。
过电流保护分为过载和短路两种情况，通常过电流保护方法常采取快速熔断器、直流快速熔断器和电流继电器。在本设计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，图6所表示。

图6 保护电路设计

5经过MATLAB仿真
MATLAB仿真电路图图7所表示。

图7 三相半波整流电路MATLAB仿真图

设置三相交流电压为，触发角为31.3°，电抗值为，反电动势为。得到仿真波形图8所表示，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

所得波形基础和理论分析相符，触发脉冲发出时，电压已经达成，在触发脉冲作用下晶闸管导通；换相后关断，在导通期间，；导通期间，。

心得体会
经过此次课程设计三相半波整流电路，让我有很多感受和体会，深切感受到了电子技术在日常生活中广泛应用，愈加了解理论联络实际意义，为以后工作、学习奠定了基础。
此次课程设计中关键还是经过查阅书本、图书馆相关资料并上网查相关芯片引脚图才得以顺利完成。在同学帮助下设计出了电路，经过MATLAB仿真成功，同时也意识到了自己部分不足之处，对书本非关键知识了解不够深入，比如KJ004，不知道具体怎样使用，以后应该加强对书本知识了解，不能局限于考试内容。
设计过程中不仅要参考书本上知识，还要有些自己东西加进去，设计出电路以后能够考虑从另一个方面着手再设计一个方案，看可行性怎样，尽可能将多种方案优点集中到一个方案上来。
完成了此次课程设计，有种如释重负感觉，同时也感到一点点自豪，能够用学到知识完成一个看似日常但却包含很多知识器件，大大提升了学习电子技术主动性。这不仅仅是个人成功，还得多亏同学们帮助才能顺利完成此次设计。以后学习生活中，大家更要相互帮助、学习，集思才能广益，才能创作出好作品。期望以后会有更多让自己动手实践机会来提升自己实践能力。同时，在平时要要求自己多看书，多查阅相关资料，完备自己知识体系，相信在以后实践活动中会做出愈加好作品。

参考文件
[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M]. 北京:机械工业出版社，.
[2] 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB／Simulink系统仿真技术和应用.北京：清华大学出版社，.
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