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河北工业大学毕业设计说明书作者：刘倩学号：110183学院：电气工程学院系(专业):电气工程及其自动化专业题目:三相全控桥式整流电路的仿真设计指导者：赵争菡实验师评阅者：杨晓光教授2015年6月10日河北工业大学2015届本科毕业设计说明书毕业设计（论文）中文摘要三相全控桥式整流电路的仿真设计摘要：三相全控桥式整流电路在工业领域有着十分广泛的应用。本文在研究全控整流电路理论基础上，采用MATLAB的Simulink动态仿真建立三相桥式全控整流电路的仿真模型。首先，通过对不同触发角、输出电压、故障现象和负载特性进行仿真分析和研究，得到不同负载及触发角时电路的整流电压波形。然后分析仿真结果的数据，验证仿真的正确性。最后针对器件上存在电压和电流的突变量，设计了一种充放电型缓冲电路，对电力电子器件加以保护。仿真结果表明该模型具有快捷、方便、直观、灵活等一系列特点,为电力电子教学及实验提供了一种较好的辅助方法。关键词：MATLAB三相全控整流电路缓冲电路河北工业大学2015届本科毕业设计说明书毕业设计（论文）外文摘要TitleSimulationofThree-PhaseFully-controlledBridgeRectifierCircuitAbstractThree-phasefully-controlledbridgerectifiercircuitiswidelyusedinindustrialapplications.Inthispaper,basedonthetheoryoffully-controlledrectifiercircuit,themodelofthree-phasefully-controlledbridgerectifiercircuitisbuiltonMatlab/Simulinkdynamicsimulation.Firstly,bysimulatingthedifferentfiringangle,theoutputvoltage,thefaultphenomenonandloadcharacteristics,itobtainstherectifiedvoltagewaveformsatthedifferentfiringangleandloadofthecircuit.Thentheanalysisofthesimulationresultsverifiesthecorrectnessofthesimulation.Lastly,forthepresenceofvoltageandcurrentofthedevicemutationvolume,itdesignsacharge-dischargetypesnubbercircuitprotectionforpowerelectronicdevices.Thesimulationresultsshowthemodelhasaseriesoffeatures,forexamplefast,flexible,convenient,intuitiveandsoon,soitcanprovideagoodteachingaidforpowerelectronicsandexperiments.Keywords:MATLABthree-phasefully-controlledrectifiercircuitsnubbercircuit河北工业大学2015届本科毕业设计说明书目录1引言………………………………………………………………………………11.1课题研究的背景与意义……………………………………………………………11.2国内外的研究现状及发展趋势……………………………………………………11.3本文主要研究内容…………………………………………………………………22整流电路…………………………………………………………………………32.1整流电路概述……………………………………………………………………32.2三相桥式全控整流电路………………………………………………………73MATLAB仿真设计…………………………………………………………………133.1MATLAB简介………………………………………………………………………133.2三相全控整流电路MATLAB建模…………………………………………133.3不同负载及触发角的电路仿真结果输出………………………………………163.4整流输出电压分析………………………………………………………………194缓冲电路……………………………………………………………………………204.1过电压保护……………………………………………………………………204.2过电流保护……………………………………………………………………204.3缓冲电路概述及充放电型RDC缓冲电路的设计………………………21结论………………………………………………………………………………23参考文献………………………………………………………………………………24致谢……………………………………………………………………………………26河北工业大学2015届本科毕业设计说明书-1-1引言1．1课题研究的背景与意义近几十年来，电力电子器件迅速发展，因而也促进了电力电子技术层面上的革新与进步。电力电子装置不仅应用于传统的工业，还被广范应用于交通运输、电力系统、通讯系统、计算机系统、新能源系统等新兴产业。在长距离、大容量电能的传输中，直流输电有很大的优势，其受电端的逆变阀和送电端的整流阀都采用晶闸管，而晶闸管需要由直流电源供电。全控型器件的高频开关电源因为具有小体积、高效、质轻被各种电子装置用来供电，比如通信设备中的程控交换机和大微型计算机。科技不断革新，生产力不断发展，整流电路越来越被广泛应用在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域[1]。经常使用的三相整流电路包括三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路，因为整流电路由晶闸管、电阻、电感、电容等多种电子器件组成，又涉及到直流信号、触发信号和交流信号，所以用常规方法分析整流电路就会显得繁琐，对实验环境的要求也十分苛刻，致使实验、分析过程显得棘手。在MATLAB中可以通过Simulink实现对电路拓扑结构的搭建能够直观的看到电路运行后的结果，在MATLAB中通过对话框可以按照要求对原器件的参数进行修改，并且得到相应的运行结果，可以让实验人员直接进行分析实验结果，不需要通过复杂的编程来得到结果。将MATLAB的动态仿真功能应用到实践教学中，可以使学生直观地观察到波形随着电路参数的修改而产生相应的变化，大大提高了学生学习电力电子技术的热情，又能够提高学生的动手操作能力，在实践中检验所学的理论知识，将所学的知识得到进一步巩固，提高学生的综合能力。1．2国内外的研究现状及发展趋势在所有电能变化中电力电子是最早使用在交流电整流成直流电能，自20世纪20年代到现在已经历以下几种类型：旋转式变流机组、静止式离子整流器、和静止式半导体整流器[2]。在半导体整流器出现之前电能的转化大多使用离子变流器和交流机组河北工业大学2015届本科毕业设计说明书-2-来实现，但是由于其各项关键经济数据均达不到客户的需求，所以被性能更为优异的半导体整流器所代替。整流电路高频和低频的区分方法是通过开关器件达到的频率来进行区分，在低频电路中比较典型的控制方式是相控式，相控式整流方式是在整流电路中最早被人们所接受的，且被应用到各个不同领域，比如交通、电力、航空和新能源等领域；在高频电路中比较典型的整流电路是PWM整流电路，这是一种新兴的整流电路，发展时间较短，是近几年才将PWM控制技术应用到相应的工业领域。MATLAB软件人机对话语言系统是在当代社会中最为主流的计算机语言，MATLAB具有强大的仿真、数据分析、控制等大量强大的功能，被各行各业的科学工作者用来进行系统建模与数据的分析计算，受到各行各业的推崇，应用十分广泛。回顾历史，MATLAB最初的目标群体就是学生，老师可以通过MATLAB更好地向学生传授知识，学生也可以通过MATLAB直观地观察到相应的结果，更好地巩固学习，加深自身对知识的理解，所以一直以来就可以在高校中寻觅到MATLAB的身影成为老师和学生进行教学和学习的不可或缺的工具。由于MATLAB具有高效的数据分析处理能力，大大地减少了相应的试验时间，缩短了科研人员的项目周期，被科研人员所喜爱，得到广泛应用。在国外大学中，MATLAB被广泛应用到高数教学中，发挥其特有的科学计算能力，对教学工作起到了很好的帮助[3]。在工科的科研领域中，科学工作者利用MATLAB针对实际遇到的问题搭建相应的数学模型进行仿真分析，以此来帮助科学工作者得到相应的数据解决棘手复杂的问题。对于出现的各种问题，MATLAB中都有相对应的工具箱来实现图像、信号、计算分析等功能[4]。在三相整流电路中对于不同的触发角和负载其相应的波形各不相同，在对其进行数据分析时需要进行繁琐的计算和绘图，而MATLAB具有直观、快速、方便等特性，日后将更多地应用到三相整流电路的教学中，以方便学生更好地理解三相整流电路的原理，方便教学工作的展开[6]。1．3本文主要研究内容由于利用MATLAB可以让实验人员直接进行实验分析结果，而不需要通过复杂的编程来得到结果，将MATLAB应用到教学中，一方面可以激发学生学习兴趣，更重要的是MATLAB教学简单直接，使学生容易理解，提高了动手实践能力。因此，本文选择三相全控桥式整流电路的仿真设计为课题，主要研究内容为以下几个方面：(1)介绍整流电路的拓扑结构、运行原理、各部分关系及作用，并对三相桥式电河北工业大学2015届本科毕业设计说明书-3-路在全控方式下进行整流的基本原理和构成做了深入的研究。(2)根据在全控方式下进行的三相桥式整流的技术要求，进行软件设计，对已有的电路结构触发方式进行多次的试验验证理论分析的正确性。(3)根据相关参数要求，利用MATLAB建立相应的数学模型并进行仿真分析，观察不同的触发角和负载（阻感负载和电阻负载）得到的不同波形,进而得到整流输出电压受到的影响。(4)研究RDC缓冲电路的拓扑结构及其特点。通过RDC缓冲电路实现对器件上突变的电压和电流进行缓冲，减少由于电压电流的突变对器件造成的破坏。2整流电路2.1整流电路概述2.1.1整流电路定义由于许多电力电力器件都是由直流电源供电的，而整流电路就是一种可以实现AC向DC转换的电路。现阶段使用的整流电路通常由主电路、控制电路、保护电路三部分构成，其中整流电路的核心是主电路，整流电路中涉及到的元器件包括晶闸管、变压器、负载等。电能转换的过程是交流电通过降压变压器变成电压较低的交流电，再利用整流电路转换成可以为电力电子器件提供能源的直流电。实际上交流电经过整流电路整流出来的直流电，并不是单纯的直流电压，还包括交流电压。我们一般称这种既含有AC又含有DC的电压称为单向脉动性直流电压。由于整流电路这种可以把交流电转换为直流电的特性，使得整流电路在各个工业领域中发挥极大的作用[5]。整流电路种类十分多，比较常用的整流电路包括半波整流电路、桥式整流电路及全波整流电路。按照不同的结构和性质分类有不同的分法，不同种类的整流电路又有不同的组成、性质和应用范围。为了能够更直观详细地介绍各个种类的整流电路，请参考下表。如表2-1是按组成器件分类，表2-2是按照电路结构分类，表2-3是按照电网交流输入相数分类，表2-4是按照电流方向来分类，表2-5是按控制方式分类，表2-6是按引出方式。河北工业大学2015届本科毕业设计说明书-4-表2-1按组成器件分类的整流电路整流电路种类特征不可控电路整流电路由不可控二极管组成，固定电路结构后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。半控电路整流电路由二极管和可控元件混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但可以调节平均值。全控电路整流电路所有的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO等），其输出直流电压的平