三相桥式全控整流电路信号设计

三相桥式全控整流电路信号设计摘要整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。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，用于滤波脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否是具体情况而定。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排除）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半波整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半空整流电路、三相桥式全控整流电路等。关键字 整流 变压 触发Three-phase full-controlled bridge rectifier circui Abstract Rectifier circuit is to convert DC to AC power circuit. Most of the rectifier circuit by the transformer, rectifier and filter circuit composed of the main. It is in the DC motor speed, the generator excitation regulator, electrolysis, electroplating and other fields are widely used. Rectifier circuit is usually the main circuit, filter and transformer components. After 70 years of the 20th century, the main multi-purpose rectifier circuit composed of diodes and thyristors. Filter and the load connected between the main circuit, for filtering the pulsating DC voltage AC component. Transformers or not is the specific circumstances. The role of the transformer input voltage of AC and DC output voltage and the exchange of power between the matching and electrical isolation between the rectifier circuit (which can reduce the power and electrical interference between circuits and troubleshooting.) There are many types of rectifier, a half-wave rectifier circuit, single-phase half-wave rectifier bridge, fully controlled single phase bridge rectifier circuit, three-phase bridge rectifier circuit mid-air, three-phase fully controlled bridge rectifier circuit. Keywords Rectifier transformer trigger 目 录1 前言4朗显示对应的拉丁字符的拼音 11 电力电子技术概况4 12 设计目的62 电力电子技术721 电力电子技术的发展史73 MATLAB仿真软件831 MATLAB的基本功能832 MATLAB的应用及发展历程933 软件特点及优势104 三相桥式全控整流电路13 41 电路结构1342 工作情况分析1343 工作特点145 电路及波形15 51 原理图1552 电路图1653 波形图176 总结187 致谢19参考文献201 前言11 电力电子技术概况电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养本专业人才中占有重要地位。 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体的说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。 电力电子涉及由半导体开关启动装置进行电源的控制与转换领域。半导体整流控制、半导体硅整的小型化等的出现，产生一个新的电力电子应用领域。半导体硅整流、汞弧整流器应用于控制电源，但是这样的整流回路只是工业电子的一部分，对于汞弧整流器应用范围而言是有局限的。半导体硅整流的应用涉及很多领域，如汽车、电站、航空电子、高频变频器等。 电力设备制造业大体包括发电设备行业、输变电一次设备行业、二次设备行业、电力环保行业四个子行业。电力设备行业的发展依托电力工业的发展，电力投资的规模和方向直接影响电力设备行业的发展。 2008年随着电力下游需求的减少，电力行业新增生产能力同比减少；可再生能源发电容量增加，其中以风电发电容量增加幅度最大；设备变电容量增加；发电设备利用方面，倾向于利用可再生能源发电设备。 2008年11月初，中央为扩大内需促进经济增长推出4万亿投资计划和十项措施，在2008年四季度新增的1千亿投资中，就有40亿元用于城市电网和农村电网建设。2008年11月14日，国家电网和南方电网公布了其年内和未来两年的电网投资具体额度。受投资计划刺激，电力设备行业未来两年的业绩增长基本没有悬念，与其他受益投资拉动概念的板块不同，两大电网在第一时间公布了投资额度，让电力设备行业的利好率先有了保证。 电力电子技术可实现控制加节能，将“粗电”变为“细电”来用。电力电子器件制造技术是电力电子 技术的基础,我国在这个环节与国外差距比较大。 我国与先进国家总体能源利用效率差10%,工业能耗主要是电能消耗,占能源消耗总量的45%,远超发达国家平均水平的23%。未来五年节能将成为国家支柱 型战略新兴产业。保守估计2020年节能产值将是2010年的13倍。12 设计目的整流电路技术在工业生产上应用极广。如调压调速直流电源、电机及电镀的直流电源等。整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。他在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。通过本课题设计，掌握电力电子系统的设计方法，设计一个三相桥式全控整流电路。2 电力电子技术21 电力电子技术的发展史电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。一般认为，电力电机技术的诞生石以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。但是晶闸管出现以前，用于电力变换的电子技术就已经存在了。晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。1947年，美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制性能，是指很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围迅速扩大。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。20世纪70年代后期，以门极可关断晶闸管、店里双极型晶体管和电力场效应晶体管为代表的全控型器件迅速发展。这些器件都属于全控型器件。全控型器件的特点是，通过对门极的控制即可使其开通又可使其关断。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。这些优越的特性是电力电子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。与晶闸管电路的相位控制方式相对应，采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的位置，它在逆变、直流斩波、整流、交流-交流控制等所有电力电子电路中均可应用。它使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得以实现，对电力电子技术的发展产生了深远的影响。目前，电力电子集成技术的发展十分迅速，除以PIC为代表的单片集成技术外，电力电子集成技术发展的焦点是混合集成技术，即把不同的单个芯片集成封装在一起。这样，虽然功率密度不如单片集成，但却为解决上述几大难题提供了很大的方便。这里，封装技术就成了关键技术。除单片集成和混合集成外，系统集成也是电力电子集成技术的一个重要方面，特别是对于超大功率集成技术更是如此。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大。为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开关和零电流开关就是软开关的最基本形式。理论上讲采用软开关技术可使开关损耗降为零，可以提高效率。另外，它也使得开关频率得意进一步提高，从而提高了电力电子装置的功率密度。3 MATLAB仿真软件31 MATLAB的基本功能 MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视 化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一 种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为 一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。32 MATLAB的应用及发展历程MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作： 数值分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与仿真 数字图像处理 技术 数字信号处理 技术 通讯系统设计与仿真MATLAB在通讯系统设计与仿真的应用 财务与金融工程 MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。33 软件特点及优势 特点1) 高效的数值计算及符号计算功能,能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来; 2) 具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化; 3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言,使学者易于学习和掌握; 4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供了大量方便实用的处理工具。优势（1）友好的工作平台和编程环境 MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、 历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的 用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大 的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。（2）简单易用的程序语言 Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同 步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与 C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性 极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。（3）强大的科学计算机数据处理能力 MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法 都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立 叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、 工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。（4）出色的图形处理功能MATLAB 自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处 理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的 功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现 等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要 求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。（5）应用广泛的模块集合工具箱 MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估 不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟 合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、 信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿 真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）实用的程序接口和发布平台 新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+ 代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C+语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和 图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱 都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。（7）应用软件开发（包括用户界面）在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。4 三相桥式全控整流电路41 电路结构三相全控桥式整流电路可以看作是共阴极接法的三相半波（VT1、VT2、VT5）和共阳极接法的三相半波（VT4、VT6、VT2）的串联组合。由于共阴极组在正半轴导电，流经变压器的是正向电流；而共阳极组在负半周导电，流经变压器的是反向电流。因此变压器绕组中没有直流磁通，且每相绕组正负都有电流流过，提高了变压器的利用率。共阴极组的输出电压是输入电压的正半周，共阳极组的输出电压是输入电压的负半周，总的输出电压是正负两个输出电压的串联。42 工作情况分析当60时，三相全控桥式整流电路的Ud波形连续，工作情况与带电阻性负载时相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压Ud波形、晶闸管承受的电压波形都一样；区别在于，由于负载电感的存在，同样的输出整流电压加到负载上，得到的负载电流Id波形不同。由于电感的作用，似的负载电流的波形课近似为一条水平直线。60时，电感性负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时Ud波形不会出现负的部分，波形断续，而电感性负载时，由于负载电感感应电势的作用，Ud波形会出现负的部分。=90时，Ud波形上下对称，平均值为零，因此带电感性负载三相桥式全控整流电路的角移相范围为0-90。43 工作特点1、 任何时候共阴极和共阳极组各有一只元件同时导通才能形成电流通路。每个晶闸管导通角为120。2、 共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5， 按相序一次触发导通，相位相差120，共阳极组晶闸管VT2、VT4、VT6相位相差120，也按相序一次触发导通，同一相的晶闸管相位相差180。3、 输出电压Ud有六断线电压组成，每周期脉动六次。4、 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，它只与晶闸管导通情况有关，其波形有三段组成。一段为零（忽略导通时的压降），两段为线电压。晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。5、 变压器二次绕组流过整、负两个方向的电流，消除了变压器的直流磁化，提高了利用率。6、 对触发脉冲宽度的要求。整流桥正常工作时，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲，常用的方法有两种：一种是宽脉冲触发，它要求触发脉冲的宽度大于60；另一种是双窄脉冲触发，即触发一个晶闸管时，向小一个序号的晶闸管补发一个脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以多采用双脉冲触发。5 电路及波形4.1 原理图原理图1原理图242 电路图总电路图43 波形图6 总结 此次课程设计，是由个人单独完成，由于本学期刚刚结束的课程电力电子技术的学习，使我们对于三相桥式全控整流电路更加熟悉，每一个步骤都贯穿着电力电子技术的内容，是我了解到电力电子技术这门课程的重要性。从刚开始的看到电路图，到自己动手运用软件画出电路图，再到最后的调试出波形，我们经历了大概一周的设计，在这个过程中，我们也遇到很多问题，但是并没有气馁，积极向老师和同学请教，并且一遍又一边的重复画图，直到调试成功。而且，我们的努力也没有白费，认真严谨的设计态度给我们带来了成功的喜悦。通过这次电力电子技术设计，我掌握了设计一个电力电子电路的基本方法和基本步骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。培养了我得设计思维，增加了实际操作能力。此次电子设计的成功不仅帮助我们更好的掌握书本知识，尤其重要的是增强了我们的自信，培养了我们独立思考的能力。7 致谢 感谢老师和同学在我遇到问题时，不厌其烦的帮我检测及调试，给我讲解电路的实际应用原理，以及各个部分功能，使我在此次设计中学习到了曾经没有学的很扎实的内容。参考文献1. 电力电子技术.王兆安 刘进军.第五版.机械工业出版社.2010.2. 电力电子技术与MATLAB仿真.周渊深.中国电力出版社.2007.3. 电力电子器件及应用. 赵永健. 机械工业出版社，2006