1、 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课 程设计 第 1 页 共 18 页 第 1 章 绪 论 1.1 设计目的 1、熟悉掌握 MATLAB 软件及其可视化仿真软件 Simulink 工具分析的操作方法。 2、根据三项桥式全控整流电路的仿真方案，确定其带阻感性负载时的输出电压与电流的特点。 1.2 设计任务 制定设计方案，使用 SIMULINK 建立三相桥式整流电路的模型，正确选择合理器件并进行参数设置，仿真获得的三相桥式整流电路在电阻负载和阻感负载情况下 不同触发角时对应电压电流的波形； 1.3 MATLAB 应用简介 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并称为三大数学 软
2、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。 1.4 Simulink 的应用 Simulink 是基于 MATLAB 的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的 建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车动力学系统等等 ，其中包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等等。 Si
3、mulink 提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且 Simulink 还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink 几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课 程设计 第 2 页 共 18 页 第 2 章 三相桥式全控整流电路的设计 2.1 主电路设计及原理 其原理图如图 1 所示 。 图 2-1 主电路原理图 2.2 主电路原理及其说明 整流电路的负载为带反电动势的阻感负载 。假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况 也就相当于晶闸管触发角 =0 o时的情况。此时，对于共阴极组的 3个晶闸管，阳极所接交流
4、电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的 3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有 1 个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图 2-2 所示。 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课 程设计 第 3 页 共 18 页 图 2-2 反电动势波形 =0 o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析 ud 的波形时， 既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点 n
5、 为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 ud1 为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2 为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压 ud = ud1 ud2 是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。 直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压 ud 为这两个相电 压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压 ud 波形为线电压在正半周的包络线。 由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。流
6、过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势 Li，它的极性事阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。 图 2-3 给出了 =30 o时的波形。从 t1 角开始把一个周期等分为 6 段，每段为 60o与 0o时的情况相比，一周期中 ud 波形仍由 6 段 线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表 1 的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课 程设计 第 4 页 共 18 页 30o,组成 ud 的每一段线电压因此推迟 30o， u
7、d 平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。图中同时给出了变压器二次侧 a相电流 ia 的波形，该波形的特点是，在 VT1 处于通态的 120o期间， ia 为正， 由于大电感的作用， ia波形的形状 近似为一条直线 ，在 VT4 处于通态的 120o期间， ia 波形的形状 也近似为一条直线 ，但为负值 。 图 2-3 =30o 时的波形 由以上分析可见，当 60 o时， ud波形均连续，对于 带 大电感的反电动势 ，id波形 由于电感的作用为一条平滑的直线并且 也连续。当 60o时，如 90o时电阻负载情况下的工作波形如图 4 所示， ud 平均值 继续 降低 ，由于电感的存在延
8、迟了 VT 的关断时刻，使得 ud 的值出现负值，当电感足够大时， ud 中正负面积基本相等， ud 平均值近似为零。这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的角的移相范围为 90 度。 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课 程设计 第 5 页 共 18 页 图 2-4 90o时的波形 2.3 三相桥式整流电路特点 三相桥式全控整流电路特点 : 1.共阴极组电路和共阳极组电路串联，并接到变压器次级绕组上。 2.三相桥是 电路中变压器绕组中，一周汽机油正向电流，又有反向电流，提高了变压器的利用率，避免直流磁化。 3.三相桥式整流电路时两组三相半波整流电路的串联，因此输出电压是三相半波的两倍。
9、 4.三相桥式全控整流电路的共阴极组和共阳极组必须各有一个 晶闸管 同时导通才能形成通路，且不可同相。 5.对共阴极组正半周触发，依次互差 1200，对共阳极组负半周触发，依次互差1200。 6.接在同一相的两个晶闸管触发脉冲相位差 1800。 7.为保证电源合闸或电流断续情况正常工作，触发脉冲应采用双脉冲或宽度大于 60 度的宽脉冲。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课 程设计 第 6 页 共 18 页 第 3章 触发 电路的设计 3.1 电路图的选择 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等
10、电子电路中。 晶闸管具有下面的特性： 1） 当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 2） 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。 3） 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何 变化 ，晶闸管 都 保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。 4） 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或 电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。 设计图如下 图 3-1 双脉冲触发电路吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课 程设计 第 7 页 共 18 页 根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。在
11、整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的 2 个晶闸管均有触发脉冲。在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差 60o，脉宽一般为 20o 30o，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发 电路输出功率小。 3.2 触发电路原理说明 如图 3-1 所示，触发电压的形成用 KJ004 芯片完成。 KJ004 电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻 R6、 RW1,流出的充电电流和积分电容
12、C1的数值。对不同的移相控制电压 VY,只有改变权电阻 R1、 R2 的比例 ,调节相应的偏移电压 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移相范围。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的值可以获得不同的脉冲输出。KJ004 芯片内部结构如图 3-2 所示。 图 3-2 KJ004 芯片内部解构 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课 程设计 第 8 页 共 18 页 第 4 章 仿真设计与参数整定 4.1 仿真元件的选择 打开 MATLAB 软件中 simulink 元件库，单击开始按钮 ,选
13、择 simulink、SimPowerSystem。弹出电力系统 元件库对话框如图 4-1。 图 4-1 元件库 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课 程设计 第 9 页 共 18 页 4.2 常数发生器设置 从 commonly used blocks 找出 constank， 触发角 使用一个常数发生器设置 ，数值设置分别为 0、 30、 60、 90、 120，如图 4-2； 图 4-2 常数发生器参数设置 4.3 交流电压源设置 从 SimpowerSystems 中找到 AC Voltage Source 元件，更改参数设置，如图4-3； 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课 程设计 第 10 页 共 18 页 图 4-3 交流电压源参数
