三相半波整流电路设计与计算机仿真

指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学自动化学院电力电子课程设计报告单位（二级学院）：自动化学院学生姓名：何思思专业：电气工程与自动化班级：5221204学号：2012216885指导教师：李敏设计时间：2015 年 6 月重庆邮电大学自动化学院制三相半波整流电路的负载分析 (3)摘要 (3)第一章、设计任务及要求 (4)第二章、设计方案 (5)一、主电路 (5)二、控制电路设计 (7)三、保护电路 (10)第三章、电路参数计算 (14)一、主电路参数计算 (14)二、保护电路计算 (15)第五章电路Matlab/Simulink仿真 (16)一、仿真电路 (17)二、仿真参数 (18)设计体会 (22)参考文献 (23)三相半波整流电路的负载分析摘要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。

大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。

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。

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仿真第一章、设计任务及要求一、设计题目三相半波整流电路的负载分析。

二、设计目标及技术要求掌握三相半波整流电路的工作原理和分析方法，设计三相半波可控整流电路；利用MATLAB 中的Simulink对三相半波整流电路进行建模，调整负载、触发角等参数进行系统仿真，输出相关波形并分析实验结果。

三、给定仿真或实验条件晶闸管三相半波整流电路，参数要求：电网频率f=50Hz电网额定电压U=380v负载性质：电阻（10Ω）电阻（10Ω）、电感（10mH）。

四、具体设计过程要求（1）了解整流和触发电路的基本原理。

（2）掌握三相半波可控整流电路的工作原理和设计方法，制定三相半波可控整流电路的设计方案。

（3）根据设计要求，选择合适的器件，组建整流主回路、控制回路。

（4）设计驱动电路、保护回路，并计算各器件参数。

（5）对系统进行建模、仿真，改变负载性质和负载大小，观察、绘制输出波形，并分析实验结果。

五、仿真、实验结果分析要求等（1）熟悉matlab/simulink/power system中的仿真模块用法及功能；（2）根据设计电路搭建仿真模型；（3）设置不同负载参数并进行仿真；（4）绘制不同触发角时对应的电压电流波形。

六、设计的心得体会要求等。

附主要参考书目1、三相半波可控整流电路的负载分析第二章、设计方案单相可控整流电路结构简单，对触发电路要求较低，但其输出直流脉动大，对电网属于非对称负载，因此，一般只用于中小容量的场合。

如果负载容量较大，或要求输出之脉动较小时，应采用三相可控整流电路或多路整流电路，即变压器的一次侧是三相的，而二次侧是三相或多项的。

这样一方面对电网来讲属于对称负载，另一方面可以在直流输出端得到多脉波电路，可以显著改善装置或系统的性能。

本设计按要求用三相半波整流电路。

按控制要求，要实现负载电压连续可调，可利用相控整流电路原理，把控制信号的大小转化为整流电流中各晶闸管的门极触发角α，用以控制晶闸管在一个周期中导通的起始时刻，从而实现对整流电路输出电压平均值的控制。

整体设计方案如图2-1所示。

电源三相半波整流电路负载触触同步电路发发信模集成触发号块图2-1 总体框架一、主电路三相半波可控整流电路如图3-1所示。

为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流人电网。

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3-1 三相半波可控整流电路阻感性负载如图3-2，在wt1、wt3、wt5出对应着自然换相点，对该三相半波可控整流电路而言，这三个自然换相点是其对应的晶闸管触发导通的最早时刻，即自然换向点就是个晶闸管触发角a 的起点（a=0的点，对应wt1=π/6、wt3=5π/6、wt5=3π/2）。

U2 Ua Ub UcWt1 wt3 wt5 wt图3-2 二次侧电压波形如图3-1为三相半波整流电路带阻感性负载时的电路及波形，假设电感足够大，负载保持连续且基本平直（近似为一条直线），电路已处于稳态。

当a≤π/6时，电路工作波形与电阻负载一样，负载电流均连续；当a > π/6时，如果负载电感足够大，电感储能足够大，电感储能足以使晶闸管在U2过零变负以后仍然维持导通，直到下一相的晶闸管触发导通，才发生换流，也就是说，在a > π/6时，由于电感的作用，仍然能使各相的晶闸管触发导通2π/3，从而保证电流的连续，在这种情况下，Ud的波形中会出现负的部分，随着a 的增大，Ud的波形中负的部分增多，至a=π/2时，Ud波形中正负部分的面积相等，相当于Ud的平均值为零。

可见，阻感负载时触发角a的移向范围为0-π/2。

基本数量关系：1）整流输出电压平均值Ud为当a=0时，Ud=1.17U2，当a=π/2时，Ud=0，可见触发角a的移向范围为0-π/2。

2）整流输出电压有效值U为)2cos2332(23)()sin2(23265622αππωωπαπαπ+==⎰++utdtuU3） 整流输出电路平均值Id=Ud/R,流过每个晶闸管电流的平均值Idvt=Id/3。

4） 流过变压器二次绕组的电流也就是流过晶闸管的电流，其有效值为： d d VT I I I I 557.0312=== 二、 控制电路设计要实现负载电压在0-510V 之间连续可调，可利用相控整流电路的基本原理，把控制信号的大小转化为整流电流中个晶闸管的门极触发角α，用以控制晶闸管在一个周期中导通的起始时刻，从而实现对整流电路输出电压平均值的控制。

移向控制电路就是用来产生前沿相位受控于控制设定信号幅值的脉冲信号，并按主电路结构形式为各晶闸管分配合适的脉冲，这些脉冲经驱动后作为晶闸管的门极驱动信号，这样只要改变设定信号幅值就能控制门极触发脉冲发出时刻的相位，从而实现对整流电路输出电压平均值的调控。

图3-3 相控整流装置系统结构门极控 移相 驱制 控制 动 整流器主 负设 电路 与 电路 载定 隔离电路图3-3 相控整流装置系统结构图3-4为典型移相控制电路系统结构。

移相控制设定脉脉冲门冲整形极形与分驱同步信号成配环动环节节图3-4 典型移相控制电路系统结构图图3-5所示为一典型的脉冲形成原理图。

w tUsyUp aUg图3-5 典型的脉冲形成原理图对三相半波可控整流电路,每个周期需要3个触发脉冲, 以便在每个周期相同的时间间隔中,VTH1 ,VTH2 ,VTH3 轮流导通。

本设计采用集成触发芯片KJ004，设计电路如图3-6所示。

对于三相半控整流电路，需要三组这样的触发脉冲即可。

KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。

KJ004器件输出两路相差180度的移项脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。

该电路具有输出负载能力大，移项性好，正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。

一、电路工作原理：该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。

电路原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接R6、RW1流出的充电电流和积分C1的数值。

对不同的移项控制V1，只有改变R1、R2的比例，调节相应的偏移VP。

同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个范围。

触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。

R7和C2形成微分电路，改变R7和C2的值，可获得不同的脉宽输出。

KJ004的同步电压为任意值。

装封形式：该电路采用双列直插C—16白瓷和黑瓷两种外壳封装，外型尺寸按电子工业部部颁标准。

《半导体集成电路外型尺寸》SJ1100—76同步串联电阻R4的选择按下式计算：R4=（同步电压/2～３）X1000Ω各点波形图如下图所示：参数：电源电压：直流+15V、-15V，允许波动±5%（±10%时功能正常）。

电源电流：正电流≤15mA，负电源≤10Ma。

同步电压：任意值。

同步输入端允许最大同步电流：6mA（有效值）。

移相范围≥170°（同步电压30V，同步输入电阻15KΩ）。

锯齿波幅度≥10V（幅度以锯齿波平顶为准）。

输出脉冲：（1）宽度：400μs~2ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。

（2）幅度：≥13V。

（3）KJ004最大输出能力100mA（流出脉冲电流）。

（4）输出管反压：BVCEO≥18V（测试条件Ie≤100μA）。

正负半周脉冲相位不均衡≤±3°。

使用环境温度为四级：C:0~70℃ R:-55~85℃E: -40~85℃ M:-55~125℃图上为供电电路：此电路由一块７８１５和一块７９１５三端稳压器对称连接，即可获得一组正负对称的稳压电源，而且输出电压值可各自单独调节，也可同步调节。

电路如附图所示，由变压器输出的交流双１８Ｖ电压经Ｄ１～Ｄ４整流，Ｃ１、Ｃ２滤波得到一直流电压，其中变压器双电源的中心抽头作为公共接地端，然后分别把该直流电压正负极接入７８１５的①脚和７９１５的③脚。

７８１５的③脚接到电位器Ｗ２的滑动触片“ｄ”上，７９１５的①脚接到电位器Ｗ１的滑动触片“Ｃ”上。

当将触片“Ｃ”滑到“０”端接地时，调节Ｗ２，即可从“ａ”端得到“＋６～＋１５Ｖ”的正向可变电压；若将触片“ｄ”滑到“０”端接地，调节Ｗ１，在“ｂ”端就可得到“－６～－１５Ｖ”的负向可变电压，将Ｗ１、Ｗ２换成同轴电位器，将获得正负对称的可调电源，输出电压值在±６Ｖ～±１５Ｖ之间连续可调，可达到同步调节的目的。

三、保护电路（1）过电流保护：可控硅允许的过电流能力较差，既是在短时间流过的短路电流或过载的电流很小时，如不及时的切除，就会损坏可控硅元件，因此，除了在选择是留有充分裕量外，还需采取恰当的保护措施。