电力电子课程设计-- 单相半控桥式晶闸管整流电路的设计.doc

电力电子技术课程设计电力电子技术课程设计 题 目: 单相半控桥式晶闸管整流电路的设计单相半控桥式晶闸管整流电路的设计 系 别: 自动化学院 专 业: 07 电气工程及其自动化 (低压电力智能控制方向) 姓 名: 谭善文 学 号: 2007104743002 指导教师: 张秀松 设计日期：2009 年 12 月 21 日2010 年 1 月 1 日 II 前前 言言 一、电力电子技术的应用一、电力电子技术的应用 电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学 科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联 系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的 实践性。能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括 了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、 晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩 波以及变频电路的工作原理。 在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流 电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的 调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽 车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种 电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作 电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以 说有电源的地方就有电力电子技术的设备。 二、电力电子技术课程中的整流电路二、电力电子技术课程中的整流电路 整流电路按组成的器件不同，可分为不可控、半控与全控三种，利用晶闸 管半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路；按电路接线方式可分为桥式 和零式整流电路；按交流输入相数又可分为单相、多相（主要是三相）整流电 路。正是因为整流电路有着如此广泛的应用，因此整流电路的研究无论在是从 经济角度，还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。本设计正是结合了 Matlab仿真软件对单相半控桥式晶闸管整流电路进行分析。 1 目录目录 目录目录1 一、课程设计目的一、课程设计目的2 二、设计基本要求二、设计基本要求2 三、选题思路三、选题思路2 3、1、整流电路的应用2 3、2、经济效益3 3、3、系统维护3 四、总体方案设计四、总体方案设计3 4、1、系统总体框图3 4、2、主电路结构及其工作原理3 4、3、参数计算.5 五、五、MATLAB 仿真设计仿真设计.6 5、1、MATLAB软件介绍 .6 5、2、仿真模型设计7 5、3、仿真参数设计7 5、4、仿真波形及分析11 六、结论与展望六、结论与展望12 七、致谢七、致谢13 八、参考文献八、参考文献13 2 一、一、课程设计目的课程设计目的 电力电子技术课程设计的目的首先是为了让我们能综合应用电力电子技术 的基本理论和基本分析方法创造性地设计一个电路，并通过仿真软件去验证、 分析。以此验证、巩固和消化所学电力电子技术教材上的理论知识，使我们能 够做到学以致用,运用所学的知识去解决生产和生活第一线的实际问题。其次是 为了培养我们检索文献的能力，特别是如何利用 Internet 检索需要的文献资料。 再次是为了进一步提高我们综合分析问题、发现问题和解决问题的能力，以更 好地为后续课程和毕业走上工作岗位奠定初步基础。 二、设计基本要求二、设计基本要求 主要内容：利用仿真软件研究单相半控桥式晶闸管整流电路，分析电路的 稳定性和外特性，给出电路的硬件结构框图，设计系统各个部分的硬件电路， 完成单相半控桥式晶闸管整流电路的原理试验和仿真。 基本要求：输入电压：交流 100V/50Hz；输出电压：0V-50V；输出功率： 500W 三、选题思路三、选题思路 3.13.1、整流电路的应用整流电路的应用 单相可控整流电路是电力电子电路中出现最早的形式，它是将交流电转变 为直流电的电路之一，应用十分广泛。其电路形式多种多样，并各有特色。 生产中大量需要电压可调的直流电源，如直流电动机的调速、同步发电机 的激磁、电焊、电镀等都要求直流电压可以方便地调节。在晶闸管问世之前， 为了得到可调的直流电源，不得不采用电动机一发电机组、汞弧整流器、充气 闸流管等设备。这些设备效率低、笨重或者体积较大。后来，采用晶闸管组成 的可控整流电路，可以很方便地把交流电变成大小可调的直流电。晶闸管组成 3 的可控整流电路具有体积小、重量轻、效率高以及控制灵敏等优点，得到了广 泛的应用。 3.23.2、经济效益、经济效益 整流电路由于被众多领域所应用，所以研究性能好的整流电路具有很大的 市场潜力，无论在是从经济角度，还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。 3.33.3、系统维护、系统维护 整流电路由于使用高性能的电子元器件，所以工作是非常稳定的，更因为 它的器件很少，所以即使是需要维修也是非常方便，只要更换元件即可。 四、总体方案设计四、总体方案设计 4.14.1、系统总体框图、系统总体框图 单相半控桥式晶闸管整流电路的设计，我们首先对电路原理进行分析， 通过分析，结合具体的性能指标求出相应的参数，然后在matlab仿真软件 中建立仿真模型，仿真模型采用交流输入电源，使用晶闸管和二极管作为 整流器件。通过不断仿真、调试，不断修正参数，直到确定符合要求的参 数。 图1 系统总体框图 交 流 输 入 晶闸管 桥式整 流电路 输出符 合要求 的电压 控制 电路 4 4.24.2、主电路结构及其工作原理、主电路结构及其工作原理 单相半波可控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少的优点， 但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。较常用的是半控桥式整流电 路，简称半控桥，其电路如图 2 所示。电路与单相不可控桥式整流电路相似， 只是其中两个臂中的二极管被晶闸管所取代。 在交流输入电压 u2 的正半周（a 端为正）时，Th1和 D1承受正向电压。这 时如对晶闸管 Th1引入触发信号，则 Th1和 D1导通，电流的通路为： u2+Th1RD1u2- 图 2 电阻性负载的单相半控桥式整流电路 这时 Th2和 D2都因承受反向电压而截止。同样，在电压 u2 的负半周时， Th2和 D2承受正向电压。这时，如对晶闸管 Th2引入触发信号，则 Th2和 D2导通， 电流的通路为：u2-Th2RD2u2+ 5 图 3 电阻性负载时单相半控桥式整流电路的电压与电流的波形图 这时 Th1和 D1处于截止状态。电压与电流的波形如图 3 所示。显然，与单 相半波整流相比，桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍，即 2 cos21 9 . 0 0 a UU 输出电流的平均值为 2 cos1 9 . 0 0 0 a R U R U I LL 4.34.3、参数计算、参数计算 本电路由于采用了Matlable仿真，器件的参数我们采用默认值，这里主要 计算电阻的值和脉冲信号源的延迟时间。 由基本要求：输入电压：交流100V/50Hz；输出电压：0V-50V；输出功率： 500W 可得： Ud=0.45 U0 (1+cos) 即：50=0.45100(1+cos) 解得：=83.62 6 从而脉冲信号源一的延迟时间为： t1=T/360=83.620.02/360=0.00465s 则脉冲信号源二的相位延迟应设置为： t2=0.01+0.00465=0.01465s 由W=U2/R ,可得: R=502/500=5 五、五、MatlabMatlab 仿真设计仿真设计 5.15.1、MatlabMatlab 软件介绍软件介绍 Matlab是以矩阵为基本编程单元的一种程序设计语言,它提供了各种矩阵的 运算与操作,并有较强的绘图功能,是目前国际上最流行的控制系统计算机辅助 设计软件。新版本的推出,使得Matlab的应用范围更加广泛,而且增加了许多工 具箱,如信号处理、通信系统、虚拟现实、系统辨识、神经网络、模糊逻辑、实 时空间等学科和领域的工具箱,以供不同专业的科研技术人员开发利用。 Simulink是Matlab软件的扩展,它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包,它 和Matlab语言的主要区别在于,与用户的交互接口是基于W indows模型化图形输 入,使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非编程上。目前Math works公司已经把Simulink发展成为一个系列产品。例如Mat2lab /Simulink中 SimPowerSystems是专为电力电子和电气传动系统仿真设计的,包含有少数开关 装置和简单电力电子转换器。转换器的开关器件是基于由V - R - L支路组成的 微模型结构,为使开关器件正常工作,在开关器件两端并接R - C吸收电路。 7 5.25.2、仿真模型设计、仿真模型设计 图4 仿真模型图 5.35.3、仿真参数设计、仿真参数设计 1）脉冲发生器的设置： 8 图5 脉冲信号源一的参数设置图 图6 脉冲信号源二的参数设置图 2）电源参数设置： 9 图7 电源参数设置图 3）晶闸管参数设置： 图8 晶闸管参数设置图 4）显示器参数设置： 10 图9 显示器参数设置图 5)二极管参数设置： 图10 二极管参数设置图 11 6)负载参数设置： 图11 负载参数设置图 7）仿真系统参数设置： 图12 仿真系统参数设置 12 5.45.4、仿真波形及分析、仿真波形及分析 图13 仿真输出波形图 设u为整流电源正弦电压瞬时值，ug1 为Th1 的门极脉冲、ug2 为Th2的门极脉 冲、I1为流经二极管D1与晶闸管Th1 的电流、I2为流经二极管D2与晶闸管Th2 的 电流、ud 为整流输出电压。图13为控制角=83.62时的仿真输出波形图，图 中自上而下依次为u、ug1 、ug2 、I1、I2、ud 瞬时波形。从仿真结果中可以知 道，当输入电压为100V/50Hz时，输出功率为500W，输出电压为50V。输出的波 形是非常漂亮的，达到了设计的要求。 六、小结与展望六、小结与展望 通过这次电力电子课程设计，我把在课本上的知识应用到实际当中去研究。 我基本上了解了单相桥式半控整流的工作原理，熟悉了单相桥式整流电路整流 的全过程。这次课程设计可真是受益匪浅，我不但巩固了自己电力电子的理论 知识，还学会了应用Matlab /Simulink仿真设计的方法来对电路进行分析和计 13 算。用这个仿真软件，不仅可以节约计算时间、方便修改和调试电路参数,而且 还可以非常直观地观察和测量电路中的电压、电流和功率等物理量的实时变化 曲线。这种直观的仿真教学,使我不但验证了书本上的理论知识,而且也对一些 抽象难懂的概念有了更加明确直观的理解,了解了参数或拓扑变化对控制系统运 行的影响。同时也能让我掌握Matlab在电力电子仿真中的运用,可以引导我进行 更复杂的系统分析,并为以后从事相关研究工作打下一定的基础。 这次课程设计还存在着一些没有解决的问题，比如调用仿真器件的时候有 些元件的参数还不懂得怎么去修改，导致了仿真结果去实际分析存在一定的误 差，而且对一些没有的封装不懂得怎么去制作。所以还是要继续努力学习，争 取结合一个实际的工程，做一个完整的电力电子控制系统。 本次的课程设计还令我认识到了熟能生巧这个道理。刚刚接触电子电力的 时候，觉得很难，好像什么都不会，各种各样的公式更烦，做一道习题或者是 图一幅图都要耗费我很多的时间。但世上无难事，只怕有心人。再难的事，只 要你肯用心，也会变得容易；反之，再容易的事，如果你无心去做，也会变得 遥不可及。要学好电子电力，我们要走的路还很长。但路漫漫其修玩兮，吾将 上下而求索。只要我们不懈努力，我相信我们一定能把任何一件事做好。 七、致谢七、致谢 本次电力电子技术课程设计的顺利完成，我要特别感谢我们的张秀松老师， 是她平时尽心尽力和讲课让我们有扎实的电力电子技术理论基础。另外，在整 个实训过程中，我还要感谢