電力電子課程設(shè)計(jì) 單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題 目: 單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)系別: 自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè):07電氣工程及其自動(dòng)化(低壓電力智能控制方向)姓名:譚善文學(xué)號(hào):2007104743002 指導(dǎo)教師: 張秀松設(shè)計(jì)日期：2009年12月21日2010年1月1日前言一、電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(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(gè)學(xué)科交叉而成的，在電氣自動(dòng)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(duì)強(qiáng)電的控制，又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。能夠理論聯(lián)系實(shí)際，在培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結(jié)構(gòu)和分類、晶閘管的過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)方法、可控

2、整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無(wú)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。 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)橹绷麟姷碾娐罚鋺?yīng)用非常廣泛。工業(yè)中大量應(yīng)用的各種直流電動(dòng)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(dòng)汽車、飛機(jī)、船舶、電梯等交通運(yùn)輸工具中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(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)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(shuō)有電源的地方就有電力電子技術(shù)的設(shè)備。二、電力電子技術(shù)課程中的整流電路整流電

3、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?yàn)檎麟娐酚兄绱藦V泛的應(yīng)用，因此整流電路的研究無(wú)論在是從經(jīng)濟(jì)角度，還是從科學(xué)研究角度上來(lái)講都是很有價(jià)值的。本設(shè)計(jì)正是結(jié)合了Matlab仿真軟件對(duì)單相半控橋式晶閘管整流電路進(jìn)行分析。目錄目錄1一、課程設(shè)計(jì)目的2二、設(shè)計(jì)基本要求2三、選題思路23、1、整流電路的應(yīng)用23、2、經(jīng)濟(jì)效益33、3、系統(tǒng)維護(hù)3四、總體方案設(shè)計(jì)34、1、系統(tǒng)總體框圖34、2、主電路結(jié)構(gòu)及其工作原理34、3、參數(shù)計(jì)算5五、

4、MATLAB仿真設(shè)計(jì)65、1、Matlab軟件介紹65、2、仿真模型設(shè)計(jì)75、3、仿真參數(shù)設(shè)計(jì)75、4、仿真波形及分析11六、結(jié)論與展望12七、致謝13八、參考文獻(xiàn)13一、 課程設(shè)計(jì)目的電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)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(jì)一個(gè)電路，并通過(guò)仿真軟件去驗(yàn)證、分析。以此驗(yàn)證、鞏固和消化所學(xué)電力電子技術(shù)教材上的理論知識(shí)，使我們能夠做到學(xué)以致用,運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去解決生產(chǎn)和生活第一線的實(shí)際問(wèn)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(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，以

5、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)。二、設(shè)計(jì)基本要求主要內(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，給出電路的硬件結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計(jì)系統(tǒng)各個(gè)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(yàn)和仿真?；疽螅狠斎腚妷海航涣?00V/50Hz；輸出電壓：0V-50V；輸出功率：500W三、選題思路3.1、整流電路的應(yīng)用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。生產(chǎn)中大量需要電壓可調(diào)的直流電源，如直流電動(dòng)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

6、地調(diào)節(jié)。在晶閘管問(wèn)世之前，為了得到可調(diào)的直流電源，不得不采用電動(dòng)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(lái)，采用晶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(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。3.2、經(jīng)濟(jì)效益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(chǎng)潛力，無(wú)論在是從經(jīng)濟(jì)角度，還是從科學(xué)研究角度上來(lái)講都是很有價(jià)值的。3.3、系統(tǒng)維護(hù)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?yàn)樗钠骷苌?，所以即使是需要維修也是非常方便，只要更換元件即可

7、。四、總體方案設(shè)計(jì)4.1、系統(tǒng)總體框圖單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)，我們首先對(duì)電路原理進(jìn)行分析，通過(guò)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(guò)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)。交流輸入晶閘管橋式整流電路輸出符合要求的電壓控制電路圖1 系統(tǒng)總體框圖4.2、主電路結(jié)構(gòu)及其工作原理單相半波可控整流電路雖然具有電路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、使用元件少的優(yōu)點(diǎn)，但卻有整流電壓脈動(dòng)大、輸出整流電流小的缺點(diǎn)。較常用的是半控橋式整流電路，簡(jiǎn)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

8、似，只是其中兩個(gè)臂中的二極管被晶閘管所取代。在交流輸入電壓u2的正半周（a端為正）時(shí)，Th1和D1承受正向電壓。這時(shí)如對(duì)晶閘管Th1引入觸發(fā)信號(hào)，則Th1和D1導(dǎo)通，電流的通路為：u2+Th1RD1u2-圖2 電阻性負(fù)載的單相半控橋式整流電路這時(shí)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(shí)，Th2和D2承受正向電壓。這時(shí)，如對(duì)晶閘管Th2引入觸發(fā)信號(hào)，則Th2和D2導(dǎo)通，電流的通路為：u2-Th2RD2u2+ 圖3   電阻性負(fù)載時(shí)單相半控橋式整流電路的電壓與電流的波形圖這時(shí)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

9、式整流電路的輸出電壓的平均值要大一倍，即                         輸出電流的平均值為                     4.3、參

10、數(shù)計(jì)算本電路由于采用了Matlable仿真，器件的參數(shù)我們采用默認(rèn)值，這里主要計(jì)算電阻的值和脈沖信號(hào)源的延遲時(shí)間。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：Ud=0.45U0 (1+cos)即：50=0.45×100(1+cos)解得：=83.62°從而脈沖信號(hào)源一的延遲時(shí)間為：t1=T/360°=83.62°×0.02/360°=0.00465s則脈沖信號(hào)源二的相位延遲應(yīng)設(shè)置為：t2=0.01+0.00465=0.01465s由W=U2/R ,可得:R=502/500=5五、Mat

11、lab仿真設(shè)計(jì)5.1、Matlab軟件介紹Matlab是以矩陣為基本編程單元的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,它提供了各種矩陣的運(yùn)算與操作,并有較強(qiáng)的繪圖功能,是目前國(guó)際上最流行的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(hào)處理、通信系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、系統(tǒng)辨識(shí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、實(shí)時(shí)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。Simulink是Matlab軟件的擴(kuò)展,它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包,它和Matlab語(yǔ)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)

12、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(gè)系列產(chǎn)品。例如Mat2lab /Simulink中SimPowerSystems是專為電力電子和電氣傳動(dòng)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)的,包含有少數(shù)開關(guān)裝置和簡(jiǎn)單電力電子轉(zhuǎn)換器。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。5.2、仿真模型設(shè)計(jì)圖4 仿真模型圖5.3、仿真參數(shù)設(shè)計(jì)1）脈沖發(fā)生器的設(shè)置：圖5 脈沖信號(hào)源一的參數(shù)設(shè)置圖圖6 脈沖信號(hào)源二的參數(shù)設(shè)置圖2）電源參數(shù)設(shè)置：圖7 電源參數(shù)設(shè)置圖3）晶閘管參數(shù)設(shè)置：圖8 晶閘管參數(shù)設(shè)置圖4）顯示器參數(shù)

13、設(shè)置：圖9 顯示器參數(shù)設(shè)置圖5)二極管參數(shù)設(shè)置：圖10 二極管參數(shù)設(shè)置圖6)負(fù)載參數(shù)設(shè)置：圖11 負(fù)載參數(shù)設(shè)置圖7）仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：圖12 仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置5.4、仿真波形及分析圖13 仿真輸出波形圖設(shè)u為整流電源正弦電壓瞬時(shí)值，ug1 為Th1的門極脈沖、ug2 為Th2的門極脈沖、I1為流經(jīng)二極管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=83.62°時(shí)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(shí)波形。從仿真結(jié)果中可以知道，當(dāng)輸入電壓為100V/50Hz時(shí)，輸出功率為500W，

14、輸出電壓為50V。輸出的波形是非常漂亮的，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。六、小結(jié)與展望通過(guò)這次電力電子課程設(shè)計(jì)，我把在課本上的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)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(guò)程。這次課程設(shè)計(jì)可真是受益匪淺，我不但鞏固了自己電力電子的理論知識(shí)，還學(xué)會(huì)了應(yīng)用Matlab /Simulink仿真設(shè)計(jì)的方法來(lái)對(duì)電路進(jìn)行分析和計(jì)算。用這個(gè)仿真軟件，不僅可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間、方便修改和調(diào)試電路參數(shù),而且還可以非常直觀地觀察和測(cè)量電路中的電壓、電流和功率等物理量的實(shí)時(shí)變化曲線。這種直觀的仿真教學(xué),使我不但驗(yàn)證了書本上的理論知識(shí),而且也對(duì)一些抽象難懂的概念有了更加明確直觀的

15、理解,了解了參數(shù)或拓?fù)渥兓瘜?duì)控制系統(tǒng)運(yùn)行的影響。同時(shí)也能讓我掌握Matlab在電力電子仿真中的運(yùn)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)。這次課程設(shè)計(jì)還存在著一些沒(méi)有解決的問(wèn)題，比如調(diào)用仿真器件的時(shí)候有些元件的參數(shù)還不懂得怎么去修改，導(dǎo)致了仿真結(jié)果去實(shí)際分析存在一定的誤差，而且對(duì)一些沒(méi)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(zhēng)取結(jié)合一個(gè)實(shí)際的工程，做一個(gè)完整的電力電子控制系統(tǒng)。 本次的課程設(shè)計(jì)還令我認(rèn)識(shí)到了熟能生巧這個(gè)道理。剛剛接觸電子電力的時(shí)候，覺(jué)得很難，好像什么都不會(huì)，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(fèi)我很多的時(shí)間。但世上無(wú)難事，只怕有心人。再難的事，只要你肯用心，也會(huì)變得容易；反之，再容易的事，如果你無(wú)心去做，也會(huì)變得遙不可及。要學(xué)好電子電力，我們要走的路還很長(zhǎng)。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。七、致謝本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的順利完成，我要特別感謝我們的張秀松老師，是她平時(shí)盡心盡力和講課讓我們有扎實(shí)的電力電子技術(shù)理論基礎(chǔ)。另外，在整個(gè)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，