阻性負(fù)載單相橋式全控整流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、 淮 海 工 學(xué) 院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 題 目： 阻性負(fù)載單相橋式全控整流 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 學(xué) 院： 電子工程 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： D自動(dòng)化101 姓 名： 萬新建 學(xué) 號(hào)： 511021226 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書專用紙1 緒論電力電子技術(shù)又稱為功率電子技術(shù)，他是用于電能變換和功率控制的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的方法和手段，是當(dāng)代高新技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容，也是支持電力系統(tǒng)技術(shù)革命發(fā)展的重要基礎(chǔ)，并節(jié)能降耗、增產(chǎn)節(jié)約提高生產(chǎn)效能的重要技術(shù)手段。微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及大功率電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，極大地推動(dòng)了電工技術(shù)、電氣工程和電力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步。 隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人

2、們對(duì)電路的要求也越來越高,由于在生產(chǎn)實(shí)際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應(yīng)用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而在許多場(chǎng)合，例如電解、蓄電池的充電、直流電動(dòng)機(jī)等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機(jī)外，最普遍應(yīng)用的是利用各種半導(dǎo)體元件產(chǎn)生直流電。這個(gè)方法中，整流是最基礎(chǔ)的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，把方向和大小交變的電流變換為直流電，整流的基礎(chǔ)是整流電路。 2.設(shè)計(jì)目的、要求 2.1設(shè)計(jì)目的1 加深理解電力電子技術(shù)

3、課程的基本理論。2 加深理解阻性負(fù)載單相橋式全控整流電路的工作原理。3掌握電力電子電路的一般設(shè)計(jì)方法，具備初步的獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。4學(xué)習(xí)MATLAB仿真軟件及各模塊參數(shù)的確定。 2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 設(shè)計(jì)條件： 1電源電壓：交流100V/50Hz 2輸出功率：500W 3觸發(fā)角a=30°和90° 4純電阻負(fù)載 根據(jù)課程設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)條件，說明主電路的工作原理、計(jì)算選擇元器件參數(shù)。 設(shè)計(jì)內(nèi)容包括： 1整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算 2晶閘管電流、電壓額定參數(shù)選擇 3觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)3.設(shè)計(jì)指標(biāo) 1根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求的指標(biāo)，通過查閱有關(guān)資料分析其工作原理，確定各器件參數(shù)，設(shè)計(jì)電路原理圖。2

4、利用MATLAB仿真軟件繪制主電路結(jié)構(gòu)模型圖，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。3.仿真用示波器模塊觀察和記錄電源電壓、觸發(fā)信號(hào)、晶閘管電流和電壓，負(fù)載電流和電壓的波形圖。4.總體框圖設(shè)計(jì)單相半控橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)是：輸出電壓脈動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 單相全控橋式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在相同的負(fù)載下流過晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。 單

5、相半波相控整流電路因其性能較差，實(shí)際中很少采用，在中小功率場(chǎng)合采用更多的是單相全控橋式整流電路。 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。 4.1 整流電路設(shè)計(jì) 圖3.1單相橋式全控整流電路（純電阻性負(fù)載） 單相橋式全控整流電路是由交流電源、整流變壓器、晶閘管、負(fù)載以及觸發(fā)電路組成。 其工作原理如下： 1）在u2正半波的（0）區(qū)間，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓，但無觸發(fā)脈沖，晶閘管VT2、VT3承受反向電壓。因此在0區(qū)間，4個(gè)晶閘管都不導(dǎo)通。假如4個(gè)晶閘管的漏電阻相等，則Ut1、4= Ut2、3=1/2*u2。2）在u2正半波的（）區(qū)間，在時(shí)刻，觸發(fā)晶閘

6、管VT1、VT4使其導(dǎo)通。3）在u2負(fù)半波的（）區(qū)間，在區(qū)間，晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，因無觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)，晶閘管VT1、VT4承受反向電壓也不導(dǎo)通。4）在u2負(fù)半波的（）區(qū)間，在時(shí)刻，觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其元件導(dǎo)通，負(fù)載電流沿bVT3RVT2T的二次繞組b流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)載電阻上，負(fù)載上有輸出電壓（ud=-u2）和電流，且波形相位相同。5. 各部分的設(shè)計(jì) 5.1晶閘管 晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代; 20世紀(jì)80年代以來，開始被性

7、能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域，成為功率低頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型-普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。 1）晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率器件，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。引出陽極A、陰極K和門極（或稱柵極）G三個(gè)聯(lián)接端。2）晶閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個(gè)結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個(gè)電極。由于具有擴(kuò)散工藝，具有三結(jié)四層

8、結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可以等效成如圖3.3.1（右）所示的兩個(gè) （P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。 圖4.1 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路3）晶閘管的門極觸發(fā)條件（1）: 晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通； （2）：晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通；（3）：晶閘管一旦導(dǎo)通門極就失去控制作用；（4）：要使晶閘管關(guān)斷，只能使其電流小到零一下。晶閘管的驅(qū)動(dòng)過程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于能過門極只能控制其開通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而

9、可靠的控制手段。 5.2 晶閘管電流、電壓額定值的選擇 晶閘管所能承受的最大正向電壓和反向電壓分別為。為選擇晶閘管、變壓器容量、導(dǎo)線面積等定額，需要考慮發(fā)熱問題，為此需要計(jì)算電流有效值。流過晶閘管的電流有效值為 變壓器二次電流有效值與輸出直流電流有效值I相等，為 由上面兩式可得出： 不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量為6.總電路圖的設(shè)計(jì)6.1 單相橋式全控整流電路純電阻性負(fù)載工作原理 圖6.1.1 單相橋式全控整流電路純電阻性負(fù)載工作原理圖6.1.2 工作原理說明晶閘管和組成一對(duì)橋臂，和組成另一對(duì)橋臂。當(dāng)變壓器二次電壓U2為正半周時(shí)（a端為正，b端為負(fù)），相當(dāng)于控制角a的瞬間給和以觸發(fā)脈沖

10、，和即導(dǎo)通，這時(shí)電流從電源a端經(jīng)、V4流回到電源b端。這期間V2和V3均承受反壓而截止。當(dāng)電源電壓過零時(shí)，電流也降到零，V1和即關(guān)斷。在電源電壓的負(fù)半周期，仍在控制角為a處觸發(fā)晶閘管和，則和導(dǎo)通。電流從電源b端經(jīng)、流回電源a端。到一周期結(jié)束時(shí)電壓過零，電流亦降至零，和關(guān)斷。在電源電壓的負(fù)半周期，和均承受反向電壓而截止。很顯然上述兩組觸發(fā)脈沖在相位上相差180°。以后又是和導(dǎo)通，如此循環(huán)工作下去。6.2 基本參數(shù)計(jì)算1） 由變壓器容量S=500W、變壓器二次側(cè)電壓U可得到變壓器二次電流有效值=輸出直流電流有效值I=2）根據(jù)I=5A可得到負(fù)載電阻值 R=3）整流電壓平均值： 4） 輸出電

11、流平均值： 5） 晶閘管的電流平均值：=6） 流過晶閘管的電流有效值： =3.536A7）晶閘管所承受的最大正向電壓=V=70.71V 最大反向電壓為=141.42V8） 晶閘管的額定電壓：424.26V9） 晶閘管的額定電流：I=6.3建模在MATLAB新建一個(gè)Model，命名為untitled.mdl，同時(shí)模型建立如下圖所示： 圖6.3.1 在matlab中建立的單相橋式全控整流電路電阻性負(fù)載電路圖 在此電路中，輸入電壓的電壓設(shè)置為141,4V，頻率設(shè)置為50Hz，電阻阻值設(shè)置為20歐姆，電感設(shè)置為1e-5H，脈沖輸入的電壓設(shè)置為1V，周期設(shè)置為0.02（與輸入電壓一致周期），占空比設(shè)置為

12、10%，觸發(fā)角設(shè)置為90°因?yàn)?個(gè)晶閘管在對(duì)應(yīng)時(shí)刻不斷地周期性交替導(dǎo)通，關(guān)斷，所以脈沖出發(fā)周期應(yīng)相差180°。 a.電源參數(shù)，頻率50hz，電壓100v，如圖6.3.2 圖6.3.2單相橋式全控整流電路電源參數(shù)設(shè)置b.VT1,VT4脈沖參數(shù)，振幅3V，周期0.02，占空比10%，時(shí)相延遲/360*0.02，如圖6.3.3圖6.3.3 單相橋式全控整流電路脈沖參數(shù)設(shè)置C.VT2,VT3脈沖參數(shù)，振幅3V，周期0.02，占空比10%，時(shí)相延遲（+180）/360*0.02，如圖6.3.4 圖6.3.4 單相橋式全控整流電路脈沖參數(shù)設(shè)置 圖6.3.5 單相橋式全控整流電路脈沖參數(shù)

13、設(shè)置按照關(guān)系式t=，控制角=30，周期T=0.02s，則第一個(gè)脈沖在t= 0.00167s時(shí)到來?；パa(bǔ)的兩套管在一個(gè)周期內(nèi)各導(dǎo)通一次，所以第二個(gè)脈沖在t=0.01+t=0.01167s?？刂平?90，則第一個(gè)脈沖在t= 0.005s時(shí)到來?；パa(bǔ)的兩套管在一個(gè)周期內(nèi)各導(dǎo)通一次，所以第二個(gè)脈沖在t=0.01+t=0.015s。6.4 仿真結(jié)果（1） 下圖是用示波器觀察仿真結(jié)果晶閘管VT的電流波形和電壓波形，電源電壓波形，=30°時(shí)負(fù)載電阻兩端的電壓波形和電流波形。 （2） 下圖是用示波器觀察仿真結(jié)果晶閘管VT的電流波形和電壓波形，電源電壓波形，=90°時(shí)負(fù)載電阻兩端的電壓波形和

14、電流波示波器顯示內(nèi)容：第一行U：VT和VT的觸發(fā)脈沖；第二行U：二次側(cè)交流電壓值；第三行i:晶閘管電流；第四行：晶閘管電壓；第五行：流過負(fù)載的電流；第六行U：負(fù)載兩端的電壓。7. 總結(jié)這次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我完成的是單相橋式全控整流電路純電阻性負(fù)載。通過實(shí)際仿真操作，我明白了很多關(guān)于電力電子仿真技術(shù)方面的知識(shí)，尤其是在課本中沒有完全介紹的有關(guān)matlab的軟件知識(shí)。要完成這次課程設(shè)計(jì)，關(guān)靠書本知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以我查閱了很多關(guān)于電力電子的書籍，并且也通過網(wǎng)絡(luò)查到了很多相關(guān)的知識(shí)，為這次課程設(shè)計(jì)做了很多幫助。對(duì)于課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，首先要做的應(yīng)是對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容的理論理解，在理論充分理解的基礎(chǔ)上，才

15、能做好課程設(shè)計(jì)，才能設(shè)計(jì)出性能良好的電路。整流電路中，基本元件的選擇是最關(guān)鍵的，開關(guān)器件和觸發(fā)電路選擇的好，對(duì)整流電路的性能指標(biāo)影響很大。在這次課程設(shè)計(jì)過程中，碰到的難題就是對(duì)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)中沒能很好的系統(tǒng)的總結(jié)相關(guān)知識(shí)。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中貫穿的計(jì)算過程沒能很好的把握。在今后的學(xué)習(xí)中要認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電力電子課程進(jìn)行補(bǔ)充，為以后深入的學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)做鋪墊。設(shè)計(jì)過程中，我明白了整流電路，尤其是單相橋式全控整流電路的作用以及整流電路設(shè)計(jì)方法的多樣性。另外通過這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)文檔的編排也有了一定的掌握，這對(duì)于以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)及工作需要都有很大的幫助，在完成課程設(shè)計(jì)的同時(shí)我也在復(fù)習(xí)一遍電力電子這門課程。通過這次的經(jīng)歷我加深了對(duì)電力電子技術(shù)這門課程的基本理論的理解，掌握了電