電力電子課程設(shè)計-- 單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計

1、<p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計</p><p>　　題 目: 單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計 </p><p>　　系 別: 自動化學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè): 07電氣工程及其自動化</p><p>　　(低壓電力智能控制方向)</p><p>

2、;<b>　　前 言</b></p><p>　　一、電力電子技術(shù)的應(yīng)用</p><p>　　電力電子技術(shù)是一門新興技術(shù)，它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉而成的，在電氣自動化專業(yè)中已成為一門專業(yè)基礎(chǔ)性強(qiáng)且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程體現(xiàn)了弱電對強(qiáng)電的控制，又具有很強(qiáng)的實踐性。能夠理論聯(lián)系實際，在培養(yǎng)自動化專業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管

3、的結(jié)構(gòu)和分類、晶閘管的過電壓和過電流保護(hù)方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無源逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。</p><p>　　在電力電子技術(shù)中，可控整流電路是非常重要的內(nèi)容，整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?，其?yīng)用非常廣泛。工業(yè)中大量應(yīng)用的各種直流電動機(jī)的調(diào)速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機(jī)車、磁懸浮列車等）、電動汽車、飛機(jī)、船舶、電梯等交通運輸工具中

4、也廣泛采用整流電力電子技術(shù)；各種電子裝置如通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源、大型計算機(jī)所需的工作電源、微型計算機(jī)內(nèi)部的電源都可以利用整流電路構(gòu)成的直流電源供電，可以說有電源的地方就有電力電子技術(shù)的設(shè)備。</p><p>　　二、電力電子技術(shù)課程中的整流電路</p><p>　　整流電路按組成的器件不同，可分為不可控、半控與全控三種，利用晶閘管半導(dǎo)體器件構(gòu)成的主要有半控和全控整流電路；按

5、電路接線方式可分為橋式和零式整流電路；按交流輸入相數(shù)又可分為單相、多相（主要是三相）整流電路。正是因為整流電路有著如此廣泛的應(yīng)用，因此整流電路的研究無論在是從經(jīng)濟(jì)角度，還是從科學(xué)研究角度上來講都是很有價值的。本設(shè)計正是結(jié)合了Matlab仿真軟件對單相半控橋式晶閘管整流電路進(jìn)行分析。</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄

6、1</b></p><p>　　一、課程設(shè)計目的2</p><p>　　二、設(shè)計基本要求2</p><p><b>　　三、選題思路2</b></p><p>　　3、1、整流電路的應(yīng)用2</p><p>　　3、2、經(jīng)濟(jì)效益3</p><p>　　3

7、、3、系統(tǒng)維護(hù)3</p><p>　　四、總體方案設(shè)計3</p><p>　　4、1、系統(tǒng)總體框圖3</p><p>　　4、2、主電路結(jié)構(gòu)及其工作原理3</p><p>　　4、3、參數(shù)計算5</p><p>　　五、Matlab仿真設(shè)計6</p><p>　　5、1、Matlab

8、軟件介紹6</p><p>　　5、2、仿真模型設(shè)計7</p><p>　　5、3、仿真參數(shù)設(shè)計7</p><p>　　5、4、仿真波形及分析11</p><p>　　六、結(jié)論與展望12</p><p><b>　　七、致謝13</b></p><p><

9、b>　　八、參考文獻(xiàn)13</b></p><p><b>　　課程設(shè)計目的</b></p><p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計的目的首先是為了讓我們能綜合應(yīng)用電力電子技術(shù)的基本理論和基本分析方法創(chuàng)造性地設(shè)計一個電路，并通過仿真軟件去驗證、分析。以此驗證、鞏固和消化所學(xué)電力電子技術(shù)教材上的理論知識，使我們能夠做到學(xué)以致用,運用所學(xué)的知識去解決生產(chǎn)和生活

10、第一線的實際問題。其次是為了培養(yǎng)我們檢索文獻(xiàn)的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻(xiàn)資料。再次是為了進(jìn)一步提高我們綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，以更好地為后續(xù)課程和畢業(yè)走上工作崗位奠定初步基礎(chǔ)。</p><p><b>　　二、設(shè)計基本要求</b></p><p>　　主要內(nèi)容：利用仿真軟件研究單相半控橋式晶閘管整流電路，分析電路的穩(wěn)定性和外特性

11、，給出電路的硬件結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計系統(tǒng)各個部分的硬件電路，完成單相半控橋式晶閘管整流電路的原理試驗和仿真。</p><p>　　基本要求：輸入電壓：交流100V/50Hz；輸出電壓：0V-50V；輸出功率：500W</p><p><b>　　三、選題思路</b></p><p>　　3.1、整流電路的應(yīng)用</p><p>

12、　　單相可控整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的形式，它是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷碾娐分?，?yīng)用十分廣泛。其電路形式多種多樣，并各有特色。</p><p>　　生產(chǎn)中大量需要電壓可調(diào)的直流電源，如直流電動機(jī)的調(diào)速、同步發(fā)電機(jī)的激磁、電焊、電鍍等都要求直流電壓可以方便地調(diào)節(jié)。在晶閘管問世之前，為了得到可調(diào)的直流電源，不得不采用電動機(jī)一發(fā)電機(jī)組、汞弧整流器、充氣閘流管等設(shè)備。這些設(shè)備效率低、笨重或者體積較大。后來，采用晶

13、閘管組成的可控整流電路，可以很方便地把交流電變成大小可調(diào)的直流電。晶閘管組成的可控整流電路具有體積小、重量輕、效率高以及控制靈敏等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　3.2、經(jīng)濟(jì)效益</b></p><p>　　整流電路由于被眾多領(lǐng)域所應(yīng)用，所以研究性能好的整流電路具有很大的市場潛力，無論在是從經(jīng)濟(jì)角度，還是從科學(xué)研究角度上來講都是很有價值的。<

14、;/p><p><b>　　3.3、系統(tǒng)維護(hù)</b></p><p>　　整流電路由于使用高性能的電子元器件，所以工作是非常穩(wěn)定的，更因為它的器件很少，所以即使是需要維修也是非常方便，只要更換元件即可。</p><p><b>　　四、總體方案設(shè)計</b></p><p>　　4.1、系統(tǒng)總體框圖<

15、;/p><p>　　單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計，我們首先對電路原理進(jìn)行分析，通過分析，結(jié)合具體的性能指標(biāo)求出相應(yīng)的參數(shù)，然后在matlab仿真軟件中建立仿真模型，仿真模型采用交流輸入電源，使用晶閘管和二極管作為整流器件。通過不斷仿真、調(diào)試，不斷修正參數(shù)，直到確定符合要求的參數(shù)。</p><p>　　圖1 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　4.2、主電路結(jié)構(gòu)及其工

16、作原理</p><p>　　單相半波可控整流電路雖然具有電路簡單、調(diào)整方便、使用元件少的優(yōu)點，但卻有整流電壓脈動大、輸出整流電流小的缺點。較常用的是半控橋式整流電路，簡稱半控橋，其電路如圖2所示。電路與單相不可控橋式整流電路相似，只是其中兩個臂中的二極管被晶閘管所取代。</p><p>　　在交流輸入電壓u2的正半周（a端為正）時，Th1和D1承受正向電壓。這時如對晶閘管Th1引入觸發(fā)信號

17、，則Th1和D1導(dǎo)通，電流的通路為：</p><p>　　u2+→Th1→R→D1→u2-</p><p>　　圖2 電阻性負(fù)載的單相半控橋式整流電路</p><p>　　這時Th2和D2都因承受反向電壓而截止。同樣，在電壓u2的負(fù)半周時，Th2和D2承受正向電壓。這時，如對晶閘管Th2引入觸發(fā)信號，則Th2和D2導(dǎo)通，電流的通路為：u2-→Th2→R→D2→u

18、2+</p><p>　　圖3   電阻性負(fù)載時單相半控橋式整流電路的電壓與電流的波形圖</p><p>　　這時Th1和D1處于截止?fàn)顟B(tài)。電壓與電流的波形如圖3所示。顯然，與單相半波整流相比，橋式整流電路的輸出電壓的平均值要大一倍，即</p><p><b>　　輸出電流的平均值為</b></p><p>&

19、lt;b>　　4.3、參數(shù)計算</b></p><p>　　本電路由于采用了Matlable仿真，器件的參數(shù)我們采用默認(rèn)值，這里主要計算電阻的值和脈沖信號源的延遲時間。</p><p>　　由基本要求：輸入電壓：交流100V/50Hz；輸出電壓：0V-50V；輸出功率：500W 可得：</p><p>　　Ud=0.45 U0 (1+cosа)&l

20、t;/p><p>　　即：50=0.45×100(1+cosа)</p><p>　　解得：а=83.62°</p><p>　　從而脈沖信號源一的延遲時間為：</p><p>　　t1=аT/360°=83.62°×0.02/360°=0.00465s</p><p

21、>　　則脈沖信號源二的相位延遲應(yīng)設(shè)置為：</p><p>　　t2=0.01+0.00465=0.01465s</p><p>　　由W=U^2/R ,可得:</p><p>　　R=50^2/500=5Ω</p><p>　　五、Matlab仿真設(shè)計</p><p>　　5.1、Matlab軟件介紹</p

22、><p>　　Matlab是以矩陣為基本編程單元的一種程序設(shè)計語言,它提供了各種矩陣的運算與操作,并有較強(qiáng)的繪圖功能,是目前國際上最流行的控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計軟件。新版本的推出,使得Matlab的應(yīng)用范圍更加廣泛,而且增加了許多工具箱,如信號處理、通信系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實、系統(tǒng)辨識、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、實時空間等學(xué)科和領(lǐng)域的工具箱,以供不同專業(yè)的科研技術(shù)人員開發(fā)利用。</p><p>　　Simu

23、link是Matlab軟件的擴(kuò)展,它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包,它和Matlab語言的主要區(qū)別在于,與用戶的交互接口是基于W indows模型化圖形輸入,使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建而非編程上。目前Math works公司已經(jīng)把Simulink發(fā)展成為一個系列產(chǎn)品。例如Mat2lab /Simulink中SimPowerSystems是專為電力電子和電氣傳動系統(tǒng)仿真設(shè)計的,包含有少數(shù)開關(guān)裝置和簡單電力電子轉(zhuǎn)換器

24、。轉(zhuǎn)換器的開關(guān)器件是基于由V - R - L支路組成的微模型結(jié)構(gòu),為使開關(guān)器件正常工作,在開關(guān)器件兩端并接R - C吸收電路。</p><p>　　5.2、仿真模型設(shè)計</p><p><b>　　圖4 仿真模型圖</b></p><p>　　5.3、仿真參數(shù)設(shè)計</p><p>　　1）脈沖發(fā)生器的設(shè)置：</p

25、><p>　　圖5 脈沖信號源一的參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　圖6 脈沖信號源二的參數(shù)設(shè)置圖</p><p><b>　　2）電源參數(shù)設(shè)置：</b></p><p>　　圖7 電源參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　3）晶閘管參數(shù)設(shè)置：</p><p>　　圖8 晶閘管

26、參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　4）顯示器參數(shù)設(shè)置：</p><p>　　圖9 顯示器參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　5)二極管參數(shù)設(shè)置：</p><p>　　圖10 二極管參數(shù)設(shè)置圖</p><p><b>　　6)負(fù)載參數(shù)設(shè)置：</b></p><p>　　圖11

27、 負(fù)載參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　7）仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：</p><p>　　圖12 仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置</p><p>　　5.4、仿真波形及分析</p><p>　　圖13 仿真輸出波形圖</p><p>　　設(shè)u為整流電源正弦電壓瞬時值，ug1 為Th1 的門極脈沖、ug2 為Th2的門極脈沖、I1為流經(jīng)二

28、極管D1與晶閘管Th1 的電流、I2為流經(jīng)二極管D2與晶閘管Th2 的電流、ud 為整流輸出電壓。圖13為控制角а=83.62°時的仿真輸出波形圖，圖中自上而下依次為u、ug1 、ug2 、I1、I2、ud 瞬時波形。從仿真結(jié)果中可以知道，當(dāng)輸入電壓為100V/50Hz時，輸出功率為500W，輸出電壓為50V。輸出的波形是非常漂亮的，達(dá)到了設(shè)計的要求。</p><p><b>　　六、小結(jié)

29、與展望</b></p><p>　　通過這次電力電子課程設(shè)計，我把在課本上的知識應(yīng)用到實際當(dāng)中去研究。我基本上了解了單相橋式半控整流的工作原理，熟悉了單相橋式整流電路整流的全過程。這次課程設(shè)計可真是受益匪淺，我不但鞏固了自己電力電子的理論知識，還學(xué)會了應(yīng)用Matlab /Simulink仿真設(shè)計的方法來對電路進(jìn)行分析和計算。用這個仿真軟件，不僅可以節(jié)約計算時間、方便修改和調(diào)試電路參數(shù),而且還可以非常直

30、觀地觀察和測量電路中的電壓、電流和功率等物理量的實時變化曲線。這種直觀的仿真教學(xué),使我不但驗證了書本上的理論知識,而且也對一些抽象難懂的概念有了更加明確直觀的理解,了解了參數(shù)或拓?fù)渥兓瘜刂葡到y(tǒng)運行的影響。同時也能讓我掌握Matlab在電力電子仿真中的運用,可以引導(dǎo)我進(jìn)行更復(fù)雜的系統(tǒng)分析,并為以后從事相關(guān)研究工作打下一定的基礎(chǔ)。</p><p>　　這次課程設(shè)計還存在著一些沒有解決的問題，比如調(diào)用仿真器件的時候有

31、些元件的參數(shù)還不懂得怎么去修改，導(dǎo)致了仿真結(jié)果去實際分析存在一定的誤差，而且對一些沒有的封裝不懂得怎么去制作。所以還是要繼續(xù)努力學(xué)習(xí)，爭取結(jié)合一個實際的工程，做一個完整的電力電子控制系統(tǒng)。 </p><p>　　本次的課程設(shè)計還令我認(rèn)識到了熟能生巧這個道理。剛剛接觸電子電力的時候，覺得很難，好像什么都不會，各種各樣的公式更煩，做一道習(xí)題或者是圖一幅圖都要耗費我很多的時間。但世上無難事，只怕有心人。再難的事，只要

32、你肯用心，也會變得容易；反之，再容易的事，如果你無心去做，也會變得遙不可及。要學(xué)好電子電力，我們要走的路還很長。但路漫漫其修玩兮，吾將上下而求索。只要我們不懈努力，我相信我們一定能把任何一件事做好。</p><p><b>　　七、致謝</b></p><p>　　本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計的順利完成，我要特別感謝我們的張秀松老師，是她平時盡心盡力和講課讓我們有扎實的電

33、力電子技術(shù)理論基礎(chǔ)。另外，在整個實訓(xùn)過程中，我還要感謝我們219的全體舍友，是大家在一起討論一起研究，互相幫助，共同進(jìn)步。感謝大家一起為這次課程設(shè)計營造了良好的氣氛。這次，我還要特別感謝海杰同學(xué)。海杰同學(xué)不但幫我安裝了matlab仿真軟件,還耐心地教會了我如何使用這個仿真軟件，讓我在設(shè)計的過程中節(jié)省了很多時間。大家的無私地給了我很大的幫助，所以在此我要再一次向他們表示衷心的感謝。</p><p><b>