电力电子课程设计.doc

1方案的选择我们选择的方案：单相桥式半控整流电路对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当突然增大至180或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使Ud成为正弦半波，即半周期Ud为正弦，另外半周期为Ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。电路简图如下： 图 1.1单相桥式半控整流电路2 变压器的选择2.1 变压器二次侧电压参数的计算 根据设计要求：电源电压：交流100V/50Hz；输出功率：500W；移相范围：0180。设R=20，=0o由 得 2.2 变压器一，二侧电流的计算变压器二次侧电流:由得:变压器二次侧电压： 由得： 2.3 变压器容量的计算及选择 变压器容量: 选择匝数比N1/N2=1，容量S等于500VA的变压器。3 晶闸管的选择由于单相交流调压主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。3.1 晶闸管电压、电流最大值的计算1.晶闸管的主要参数如下：（1）额定电压通常取和中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 （2）额定电流通过晶闸管的电流的平均值 3.2 晶闸管型号的选择晶闸管的选择原则：（1）所选晶闸管电流有效值大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。（2）选择时考虑（1.52）倍的安全裕量。即则晶闸管的额定电流为 (输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至应大于20A。在本次设计中选用2个KP20-4的晶闸管.4 驱动电路的设计4.1 触发电路晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求： （1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压。（2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。（3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。（4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。4.2 单结晶体管触发电路由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿陡等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。它由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成。4.3 单结晶体管自激震荡电路利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。经整流后的直流电源UZ一路径加在单结晶体管两个基极之间，另一路通过对电容C充电，发射极电压按指数规律上升。Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子间的电阻突然变小，开始导通。电容C开始通过管子迅速向放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。随着电容C放电，电压小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。在电容上形成锯齿波震荡电压，在上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲，其震荡频率为式中是单结晶体管的分压比。即调节，可调节振荡频率： 图2 单结晶体管触发电路4.4 同步电源同步电压由变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管削波为梯形波，而削波后的最大值UZ既是同步信号,又是触发电路电源.当UDZ过零时,电容C经迅速放电到零电压。这就是说,每半周开始,电容C都从零开始充电,进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻(即控制角)一致,实现同步。4.5移相控制当增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角增大，实现了移相。4.6脉冲输出 触发脉冲，由直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的半控桥电路无法工作。所以一般采用脉冲变压器输出。 实验电路如图所示。图中的VT1和VT3为触发脉冲互差180的晶闸管，VD2和VD4为整流二极管。由这四个管子组成桥式电路。因为只有共阴极的VT1和VT3可控，而共阳极的VD2和VD4不可控，所以称为桥式半控整流电路。电阻R和电感L为负载，若假定电感Ld足够大，即，由于电感中电流不能突变，则可认为负载电流在整个稳态工作过程中保持恒值。由于桥式结构的特点，只要晶闸管导通，负载端总要加上正向电压，而负载电流始终是单方向流动，因此桥式半控整流电路只能工作在第一象限，因为，所以无论控制角为何值，负载电流Id波形的变化很小。单相桥式半控整流电路的计算公式：输出电压平均值： 输出电流的平均值为： 5 实验仿真5.1 matlab中模块的选择启动MATLAB，进入SIMULINK后新建一个仿真模型的新文件。在这里可以任意添加电路元器件模块。然后对照电路系统模型，依次往文档中添加相应的模块。在此实验中，我们按下表添加模块：表5-1 matlab中模块选择表序号元器件名称提取元器件位置数量1交流电源Simpowersystems / Electrical Sourse / AC Voltage sourse12脉冲触发器Simulink / Sources / Pulse Generator23晶闸管模型Simpowersystems /Power Electronics /Detailed Thyristor24二极管模型Simpowersystems /Power Electronics /Diode35电流表模型Simpowersystems /Measurements /Current Measurement56电压表模型Simpowersystems /Measurements / Voltage Measurement27信号分解模型Simulink /Signal Routing /Demus18RLC串联电路Simpowersystems /Elements /Series RLC Branch19示波器模型Simulink /Sinks /Scope110多路测量仪Simpowersystems /Measurements /Multimeter15.2 仿真模型系统图设计添加好模块后，要对各元器件进行布局。一个良好的布局面板，更有利于阅读系统模型及方便调试选择ode15算法（如图5-1）。5.3各个参数设置 (1) 设置晶匣管参数（如图5-2）、二极管参数（如图5-4）： (2)设置交流电源参数（如图5-3）：， (3)设置负载参数（如图5-4）： (触发角为0） （4）设置=0，30，60时的脉冲参数：触发信号1初相位为0.0，0.0017,0.0033；触发信号2初相位为0.01，0.0117,0.0133； 设置=90，120，150时的脉冲参数： 触发信号1初相位为0.005，0.0067,0.0083 触发信号2初相位为0.015,0.0167,0.0183 设置=180时的脉冲参数（如图5-6，5-7）： 触发信号1初相位为0.01；触发信号2初相位为0.02（5）多路测量仪测量的物理量(如图5-8）5.4 测量端口的仿真波形图 （1）各端口在仿真中出现的波形（如图5-9至5-15） （2）多路测量仪测得（如图5-16至1-19） 图5.1 单相桥式半控整流系统模型 图5-2晶闸管参数设置图5-3交流电源参数设置图5-4二极管参数设置 图5-5 =0负载参数设置图5-6 =180脉冲1参数设置图5-7 =180脉冲2参数设置 图5-8 多路测量仪测量量图5-9 =0仿真输出 图5-10 =30仿真输出 图5-11 =60仿真输出图5-12 =90仿真输出图5-13 =120仿真输出图5-14 =150仿真输出图5-15 =180仿真输出 图5-16 =0仿真输出 图5-17 =90仿真输出 图5-18 =180仿真输出 六 分析与结论利用MATLAB软件中的Simulink平台搭建单相桥式半控整流电路，进行实验仿真，观测整流输出电压电流波形。分析得出带阻感负载时的工作情况如下：（1）在输入电压的正半周，触发角处给晶闸管VT1加出发脉冲，电压经VT1和VD4向负载供电。电压过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但因此时有电位的降低低，使得电流从VD4转移至VD2， VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是VT1和VD2续流。（2）在输入电压的负半周触发角时刻触发VT3导通，则向VT1加反向压使之关断，电压经VT2和VD1向负载供电。电压过零变正时，VD2导通，VD1关断。VT2和VD2续流，电压又为零。（3） 重复以上步骤。结论：无论控制角为何值，负载电流Id波形的变化很小。另外在实际应用此电路时要加续流二极管，以避免可能发生的失控现象。若无续流二极管，则当突然增大至180或触发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕阻释放，只能消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使输出电压变成正弦半波，即半周期为正弦，另外半周期为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，成为失控。有续流二极管时，续流过程由续流二极管完成，在续流阶段晶闸管关断，这就避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导通回路中只有一个管压降，少了一次管压降，有利于降低损耗。参考文献1 王兆安，黄俊.电力电子技术M.5版.北京：机械工业出版社，2011.Wang Zaoan,huangJun. Power electronic technology M. 5 edition. Beijing: mechanical industry press, 2011.2 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真M.机械工业出版社，2006年出版.Hong NaiGang. Power electronics and electric drive control system of the MATLAB simulation j. Mechanical industry press,Published in 2006.3 施阳. MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINKM.西工大出版社，1997年.Shi Yang. MATLAB language and dynamic simulation tools SIMULINK right M.Northwestern university press, 1997.4 周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真M.中国电力出版社， 2006年出版.Zhou Shengyuan. Power electronic