功率电子技术课程设计

1、功率电子技术课程设计报告专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 年月日目 录1.课程设计目的42.课程设计要求43.课程设计内容43.1 单相半波可控整流电路的仿真53.1.1电路原理图53.1.2建立仿真模型63.1.3设置模型参数63.1.4模型仿真73.1.5仿真波形分析73.2 单相桥式半控整流电路的仿真83.2.1电路原理图83.2.2建立仿真模型83.2.3设置模型参数83.2.4模型仿真93.2.5仿真波形分析93.3单相桥式全控整流电路的仿真103.3.1电路原理图103.3.2建立仿真模型103.3.3模型仿真113.3.4仿真波形分析123.4三相半波可控整流电路的仿真12

2、3.4.1电路原理图123.4.2建立仿真模型133.4.3设置模型参数133.4.4模型仿真133.4.5仿真波形分析143.5三相桥式全控整流电路的仿真153.5.1电路原理图153.5.2建立仿真模型163.5.3设置模型参数163.5.4模型仿真173.5.5仿真波形分析184.课程设计总结185.课程设计体会及建议196.参考书目191.课程设计目的功率电子技术课程是一门专业技术基础课，电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节。其目的是通过对“电力电子技术”教材中主要电子电路进行仿真与建模，基本掌握电路的原理及参数设定和调整方法，提高学生分析问题的和解决问

3、题的能力；训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立进行查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告，进一步加深对变流电路基本理论的理解，提高运用基本技能的能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。通过设计，使学生巩固、加深对变流电路基本理论的理解，提高学生运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养学生的创新精神和创新能力。整流电路(Rectifier)尤其是三相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用得最为广泛的电路，不仅应用于一般工业领域，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域。因此，对三相桥式可控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与

4、研究具有一定的现实意义，这不仅是电力电子电路理论学习的重要一环，而且对工程实践的实际应用具有预测和指导作用。2.课程设计要求（1）熟悉MATLAB的Simulink和SimPowerSystem模块库应用。（2）熟练掌握基本电力电子电路的仿真方法。（3）掌握电力电子变流装置触发、主电路及驱动电路的构成及调试方法，能初步设计和应用这些电路。（4）能够运用理论知识对实验现象、结果进行分析和处理。（5）能够综合实验数据，解释现象，编写课程设计报告。3.课程设计内容（1）选取、明确设计任务，对所要设计的任务进行具体分析，充分了解系统性能、指标内容及要求。（在课程设计基本选题里面至少选取五种电路进行仿真

5、）（2）了解电路原题，画出原题框图。（3）进行仿真分析。（4）撰写课程设计报告（说明书）：课程设计报告是对设计全过程的系统总结，也是培养综合科研素质的一个重要环节。3.1 单相半波可控整流电路的仿真3.1.1电路原理图1、 电路结构与工作原理若用晶闸管T替代单相半波整流电路中的二极管D，就可以得到单相半波可控整流电路的主电路，如图1.0a) 电路图所示。设图中变压器副边电压u2为50HZ正弦波，负载 RL为电阻性负载。a) 电路图b) 波形图图1.0 单相半波可控整流电路（电阻性负载）3.1.2建立仿真模型3.1.3设置模型参数单相半波可控整流电路建模（1）建立一个新的模型窗口，打开电力电子模

6、块组thyristor，复制一个晶闸管到模型窗口中；打开晶闸管参数设置对话框，设置Ron=0.001，Lon=0H，Uf=0.8V；Ic=0A，Rs=10，Cs=250e-9。（2）打开电源模块组，复制一个电压源模块到模型窗口中，打开参数设置对话框，设置为：幅值50V，初相位0，频率是50HZ的正弦交流电。（3）打开元件模块组，复制一个串联RLC元件模块到模型窗口中，打开参数设置对话框，按仿真要求设置参数Series RLC Branch。（4）打开测量模块组，复制一个电压测量装置以测量负载电压Current Measurement。（5）打开测量模块组，复制一个电流测量装置以测量负载电流Vo

7、ltage Measurement。（6）打开Sinks模块组,复制一个示波器装置以显示电路中各物理量的变化关系，并按要求设置输入端口的个数。（7）建立给晶闸管提供触发信号的同步脉冲发生器（Pulse Generater）模型。参数设置为：脉冲幅值为10V，周期为0.02s，脉宽占整个周期的10%，相位延迟（1/50）*（60/360）s=1/300s（即=60）。3.1.4模型仿真（1） 当延迟角=30时，波形图如图所示：（2） 当延迟角=60时，波形图如图所示：3.1.5仿真波形分析在此试验中，我们可以看出通过改变触发角的大小，直流输出电压，负载上的输出电压波形都发生变化，并且电力电子变流

8、技术的理论计算比较繁琐且很难得到准确的计算结果，从上述系统仿真结果波形可以看出，利用仿真软件进行仿真，波形准确、直观，利用该方法还能对非常复杂的电路、电力电子变流系统进行建模仿真。3.2 单相桥式半控整流电路的仿真3.2.1电路原理图单相桥式半控整流电路原理图如下：3.2.2建立仿真模型3.2.3设置模型参数（1）建立一个新的模型窗口，打开电力电子模块组thyristor，复制一个晶闸管到模型窗口中；打开晶闸管参数设置对话框，设置Ron=0.001，Lon=0H，Uf=0.8V；Ic=0A，Rs=10，Cs=250e-9。（2）打开电源模块组，复制一个电压源模块到模型窗口中，打开参数设置对话框

9、，设置为：幅值50V，初相位30，频率是50HZ的正弦交流电。（3）打开元件模块组，复制一个串联RLC元件模块到模型窗口中，打开参数设置对话框，按仿真要求设置参数Series RLC Branch。（4）打开测量模块组，复制一个电压测量装置以测量负载电压Current Measurement，一个电流测量装置以测量负载电流Voltage Measurement。3.2.4模型仿真（1）触发角为30度时，如图所示（2）触发角为60度时，如图所示3.2.5仿真波形分析结合以上波形图，我们可以分析出单相桥式半控整流电路具有以下的特点： 1、电感在电路中具有续流作用； 2、晶闸管在触发时换流，二极管则

10、在电源过零时刻换流； 3、尽管电路具有续流作用，但还应该加续流二极管。 4、从触发角的变化可以看出，触发角越大，负载上的平均电压越小。3.3单相桥式全控整流电路的仿真3.3.1电路原理图单相桥式全控整流电路（电阻性负载）电路图如图4.0所示：单相桥式全控整流电路（电阻性负载）工作原理：（1）在u2正半波的（）区间，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，但无触发脉冲，晶闸管VT2、VT3承受反向电压。因此在0区间，4个晶闸管都不导通。假如4个晶闸管的漏电阻相等，则Ut1.4= Ut2.3=1/2u2。（2）在u2正半波的（）区间，在时刻，触发晶闸管VT1、VT4使其导通。（3）在u2负半波的（）区间

11、，在区间，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，因无触发脉冲而处于关断状态，晶闸管VT1、VT4承受反向电压也不导通。（4）在u2负半波的（）区间，在时刻，触发晶闸管VT2、VT3使其元件导通，负载电流沿bVT3RVT2T的二次绕组b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压（ud=-u2）和电流，且波形相位相同。3.3.2建立仿真模型单相桥式全控整流电路（电阻性负载）建模单相桥式全控整流电路（电阻性负载）仿真电路图如图所示：3.3.3模型仿真波形图分别代表晶体管VT上的电流、晶体管VT上的电压、电阻加电感上的电压。下列波形分别是延迟角为30、60、120时的波形变化。（1）

12、 当延迟角=30时，波形图如图所示：（2）当延迟角=60时，波形图如图所示：（2） 当延迟角=120时，波形图如图4.5所示：3.3.4仿真波形分析单相桥式全控整流电路（电阻性负载）是典型单相桥式全控整流电路，共用了四个晶闸管，两只晶闸管接成共阳极，两只晶闸管接成共阴极，每一只晶闸管是一个桥臂，桥式整流电路的工作方式特点是整流元件必须成对以构成回路，负载为电阻性。3.4三相半波可控整流电路的仿真3.4.1电路原理图变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形，为/Y接法。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起为共阴极接法 。图1中VTl、VT3和VT5为触发脉冲相位互差12

13、0。的晶闸管，VD。、VD6和VD2为整流二极管，由这6个管子组成三相桥式半控整流电路按照图所示的管子编号，它们的导通顺序依次为：VT。一VD2-VT3一VD4一VTr-VD6。假定负载电感L足够大脚，可以认为负载电流在整个稳态工作过程中保持恒值，因此不论控制角a为何值，负载电流如总是单向流动，而且变化很小。3.4.2建立仿真模型3.4.3设置模型参数（1）仿真参数，算法（solver）ode15s，相对误差（relativetolerance）1e-3，开始时间0结束时间0.05s。（2）脉冲参数，振幅1V，周期0.02，占空比10%，时相延迟为（+30）*0.01/180。（3）电源参数，

14、频率50hz，电压100v，其相限角度分别为0、120、-120。（4）设置触发脉冲分别为30、60、90。3.4.4模型仿真（1） 当延迟角=30时，波形图如图所示：（2） 当延迟角=60时，波形图如图所示：（3）当延迟角=120时，波形图如图4.5所示：3.4.5仿真波形分析a 30时，整流电压波形与电阻负载时相同。a 30时，u2过零时，VT1不关断，直到VT2 的脉冲到来才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断，因此ud波形中会出现负的部分。 id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为90 。3.5三相桥式全控整流

15、电路的仿真3.5.1电路原理图1、三相桥式全控整流电路特性分析三相桥式全控整流电路图是应用最为广泛的整流电路，其电路图如下：在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是。由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。 为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是1-2-3-4-5-6，晶闸管是这样编号的：晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶

16、闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。 为了搞清楚变化时各晶闸管的导通规律，分析输出波形的变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析=0的情况，也就是在自然换相点触发换相时的情况。为了分析方便起见，把一个周期等分6段（见图2）。在第（1）段期间，a相电压最高，而共阴极组的晶闸管KP1被触发导通，b相电位最低，所以供阳极组的晶闸管KP6被触发导通。这时电流由a相经KP1流向负载，再经KP6流入b相。变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流为正，共阳极组的b相电流为负。加在负载上的整流电压为ud=ua-ub=uab 经过60后进入第(2)段时期。这时a相电位仍然最高，晶闸管KPl继续导通，但是c相

17、电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相晶闸管KP2，电流即从b相换到c相，KP6承受反向电压而关断。这时电流由a相流出经KPl、负载、KP2流回电源c相。变压器a、c两相工作。这时a相电流为正，c相电流为负。在负载上的电压为ud=ua-uc=uac再经过60，进入第(3)段时期。这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管KP3，电流即从a相换到b相，c相晶闸管KP2因电位仍然最低而继续导通。此时变压器bc两相工作，在负载上的电压为ud=ub-uc=ubc余相依此类推。3.5.2建立仿真模型3.5.3设置模型参数三相电源电压设置为100V，频率设为50Hz，相角相互相差12

18、0度。变换器桥设置相当于六个晶闸管，只要有适当的触发信号，便可以使变换器在对应的时刻导通。设置同步电压的频率跟脉冲宽度分别为50Hz和10%，“alpha_deg”是移相控制角信号输入端，通过设置输入信号给它的常数模块参数便可以得到不同的触发角a，从而产生给出间隔60 度的双脉冲。选择算法为ode23tb，stop time 设为0.1。1.电阻负载仿真 设置电路负载为纯电阻性，R100。以下是分别在a=0 度，30 度，60 度,90度时的仿真结果。2.阻感负载仿真 设置电路负载为阻感性，R100，L10H。3.带反电动势阻感负载仿真 设置电路负载为阻感性，R100，L10H，反电动势E25

19、V。3.5.4模型仿真（1）当延迟角=30时，波形图如图所示：（2）当延迟角=60时，波形图如图所示：（3）当延迟角=90时，波形图如图所示：3.5.5仿真波形分析通过心上的波型图，我们可以得出以下结论：1. 对于纯电阻性负载，当触发角小于等于90时，Ud波形均为正值，直流电流Id与Ud成正比，并且电阻为1欧姆，所以直流电流波形和直流电压一样。随着触发角增大，在电压反向后管子即关断，所以晶闸管的正向导通时间减少，对应着输出平均电压逐渐减小，并且当触发角大于60后Ud波形出现断续。而随着触发角的持续增大，输出电压急剧减小，最后在120时几乎趋近于0。对于晶闸管来说，在整流工作状态下其所承受的为反

20、向阻断电压。移相范围为0120。2. 对于阻感性的负载，当触发角小于60时，整流输出电压波形与纯阻性负载时基本相同，所不同的是，阻感性负载直流侧电流由于有电感的滤波作用而不会发生急剧的变化，输出波形较为平稳。而当触发角大于等于60小于90时，由于电感的作用，延长了管子的导通时间，使Ud波形出现负值，而不会出现断续，所以直流侧输出电压会减小，但是由于正面积仍然大于负面积，这时直流平均电压仍为正值。当触发角大于90时，由于id太小，晶闸管无法再导通，输出几乎为0。工作在整流状态，晶闸管所承受的电压主要为反向阻断电压。移相范围为090。电感能够使电流输出平稳；在没有续流二极管的情况下，晶闸管的导通时间得到延长，而当加入续流二极管后，电流通过二极管续流，二极管续流功率损耗较小，这时输出电流相对来说就较不加续流二极管时要小，而输出电压相对来说却要大些。4.课程设计总结 通过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角和负载特性的影响，通过应用Matlab的可视化仿真工具Simulink对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并与常规电路理论分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。采用MatlabSimulink对三相桥式全控整流电路进