《电力电子技术》课程设计说明书三相半波可控整流电路学院：电气与信息工程学院学生姓名：XXX指导教师：XXX 职称副教授专业：电气工程及其自动化班级：XXXX班学号：完成时间：2015年06月摘要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。
本文主要介绍三相半波可控整流电路的主电路、触发电路和保护电路的原理及电路仿真图，输入电压为三相交流线电压380V，通过降压变压器后由晶闸管转换为直流。
触发电路控制晶闸管的导通，通过调节脉冲的触发角可得到不同的输出电压。
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，在触发角的调节范围为97°～150°时输出电压为0～100V。
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仿真目录1 设计目的及要求 (1)1.1 设计目的 (1)1.2 设计要求 (1)1.2.1 设计课题 (1)1.2.2 设计内容 (1)2 主电路设计 (2)2.1 主电路原理分析 (2)2.2 触发角分析 (3)2.3 主要元器件选择 (3)2.3.1 晶闸管参数计算与选择 (3)2.3.2 触发电路芯片选择 (3)3 触发电路的设计 (5)4 保护电路的设计 (6)4.1 过压保护 (6)4.1.1 过压的原因 (6)4.1.2 过压保护的措施 (6)4.2 过流保护 (6)4.2.1 过流的原因 (6)4.2.2 过流保护的措施 (7)4.3 保护电路选择 (7)5 MATLAB仿真 (8)5.1 仿真软件MATLAB介绍 (8)5.1.1 MATLAB简介 (8)5.1.2 Simulink简介 (8)5.1.3 Simulink启动与退出 (9)5.2 MATLAB仿真模型 (10)5.3 MATLAB仿真结果及分析 (10)心得体会 (12)参考文献 (13)附录 (14)1 设计目的及要求1.1 设计目的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。
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。
通过课程设计达到加强和巩固所学的知识，加深对理论知识的理解；培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料；培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；培养综合运用知识的能力和工程设计能力；培养运用仿真软件的能力和方法；培养科技写作水平等。
1.2 设计要求1.2.1 设计课题三相半波可控整流电路的设计：三相交流输入线电压380V，要求整流电压在0～100V连续可调。
1.2.2 设计内容（1）、关于本课程学习情况简述；（2）、主电路的设计、原理分析和器件的选择；（3）、控制与驱动电路的设计；（4）、保护电路的设计；（5）、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。
2 主电路设计2.1 主电路原理分析三相半波可控整流电路如图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次谐波电流流入电网，三个晶闸管分别接入a,b,c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。
假设将电路中的晶闸管换作二极管，并用VD表示，该电路就成为三相半波可控整流电路。
此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压。
在相电压的交点处，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。
图1 三相半波可控整流电路原理图图2 触发角为0°时的波形自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角α的起点，即α=0。
，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。
当三个晶闸管的触发角为0°时，相当于三相半波可控整流电路的情况。
增大α值，将脉冲后移，整流电路的工作情况相应的发生变化。
晶闸管的触发角为0°时，波形图如图2所示，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。
2.2 触发角分析（1）、当α≤30°时，负载电流连续，有ααπωωπαπαπcos 17.1cos 263)(sin 2321222656d U U t td U U ===⎰++ （1）（2）、当α=0时，Ud 最大，为20d 17.1U U U d ==。
（3）、当α＞30°时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有））（（））（（απαππωωππαπ++=++==⎰+6cos 1675.06cos 1223)(sin 23212226U U t td U U d（2）2.3 主要元器件选择2.3.1 晶闸管参数计算与选择（1）、负载电流平均值为 R U I d =。
（3）（2）、晶闸管承受的最大反相电压为变压器二次侧线电压峰值，即22245.2632U U U U RM ==⨯= （4）（3）、由于晶闸管阴极与零线间的电压即为整流输出电压u d ，其最小值为0，而晶闸管阳极与零线间的最高电压等于变压器二次侧相电压的峰值，因此晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次侧相电压的峰值，即22U U FM = （5）（4）、由公式（5）得晶闸管峰值电压FM U =1.414错误！未找到引用源。
220=310V ，晶闸管电压安全裕量需是峰值电压的2～3倍，故N U =（2～3）错误！未找到引用源。
310V=620～930V 。
（5）、由公式（3）得晶闸管电流平均值d I =380/2=190A (电阻R 取2Ω) 晶闸管电流安全裕量需是额定值的1.5～2倍，故N I =（1.5～2）⨯VT I /1.73=165～220A 。
（6）、故晶闸管的电压范围620～930V ，电流范围165～220A 。
可选晶闸管型号为KK200-8或KS300-9。
2.3.2 触发电路芯片选择(1) KJ004芯片电参数1）、电源电压：直流+15V、-15V,允许波动土5％(±10％时功能正常)。
2）、KJ004电源电流：正电流≤15mA,负电流≤10mA。
3）、同步电压：任意值。
4）、同步输入端允许最大同步电流：6mA(有效值)。
5）、移相范围≥1700(同步电压30V,同步输入电阻15kΩ)。
6）、锯齿波幅度：≥10V(幅度以锯齿波平顶为准)。
7）、输出脉冲：a）、宽度：400μS—2mS(通过改变脉宽阻容元件达到)；b）、幅度：≥13V；c）、最大输出能力100mA(流出脉冲电流)；d）、输出管反压：BVCEO≥18V(测试条件Ie≤100μA)。
8）、正负半周脉冲相位不均衡≤±30。
9）、使用环境温度为四级：C：0—70℃R：-55—85℃E：-40—85℃M：-55—125℃。
(2) KJ041芯片电参数1）、电源电压：直流+15V，允许波动±5%(±10功能正常)。
2）、电源电流：≤20mA。
3）、输出脉冲：a．脉冲幅度：≥1V；b．最大输出能力：20mA(流出脉冲电流)。
4）、输入端二极管反压：≥30V。
5）、制端正向电流：≤3mA。
3 触发电路的设计驱动电路位于主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路。
驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。
对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。
图3 三相半波整流电路触发电路如图3所示为触发电路。
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，即构成完整的。
触发电路产生的触发信号用接插线与主电路各晶闸管相连接。
该电路可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。
4 保护电路的设计4.1 过压保护4.1.1 过压的原因(1)操作过电压:由拉闸,合闸,快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。
(2)浪涌过压:由雷击等偶然原因引起,从电网进入变换器的过压。
(3)电力电子器件关断过电压:电力电子器件关断时产生的过压。
(4)在电力电子变换器-电动机调速系统中,由于电动机回馈制动造成直流侧直流电压过高产生的过压，也称为泵升电压。
4.1.2 过压保护的措施RC吸收电路也叫RC缓冲电路，它是电阻Rs与电容Cs串联，并与开关并联连接的电路结构。
用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。
若开关断开，蓄积在寄生电感中能量对开关的寄生电容充电的同时，通过吸收电阻对吸收电容充电。
由于吸收电阻作用，阻抗变大，那么吸收电容也等效地增加了开关的并联电容容量，为此，抑制开关断开的电压浪涌。
开关接通时，吸收电容通过开关放电，其放电电流被吸收电阻所限制。
RC吸收电路的作用是为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。
因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感)，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。
同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。
由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。
RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。
4.2 过流保护4.2.1 过流的原因当电力电子变换器内部某一器件击穿或短路,触发电路或控制电路发生故障,出现过载,直流侧短路,可逆传动系统产生环流或逆变失败,以及交流电源电压过高或过低,缺相等,均可引起变换器内元件的电流超过正常工作电流,即出现过流.由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多,因此,必须对变换器进行适当的过流保护。