单相半波可控整流电路设计

1、电力电子技术时间：2021.02.09创作人：欧阳历课程设计说明书单相半波可控整流电路设计学生姓名：学号：学生姓名：学号：学 院：计算机与控制工程学院 专 业：电气工程及其自动化 指导教师：2016年 月中北大学课程设计任务书2015/2016学年第一学期学院：计算机与控制工程学院专业：电气工程及其自动化学生姓名：学号：学生姓名学号：课程设计题目:单相半波可控整流电路设计起迄日期：2015年12月27日 2016年1月8日课程设计地点：德怀楼八层虚拟仿真实验室指导教师：学科部副主任：下达任务书日期：2015年12月26日课程设计任务书1. 设计目的:“亍押蒔駆万电芋电丽二藏羽离”“真詡丽殛殛开

2、能另2）学习Visio绘图软件和Matlab仿真软件2. 设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 介莎F斷电蛾彈辭菠礦録甬繭顶箴炯簸籤;2）已知参数：直流负载电阻R产5C,单相交流电压t/=100cosl00 （V）,3）绘制电路原理图。首先，分别分析并计算电阻两端平均电压Ul=25V和S.=30H时，功率管相对应的触发角。其次，按照原理图，在仿真软件中建立仿真模 型，验证计算结果，结果应包含电阻两端平均电压UL = 25V和匕=30/时的电路工作 的波形图。并对仿真结果进行必要的文字分析。3. 设计工作任务及工作量的要求（包括课程设计计算说明书（论文）、图 纸、实物样品

3、等）:1）根据设计题LI要求的指标，通过查阅有关资料分析其丄作原理，确定器件类型，可 供选择的变流器件为晶闸管、Mosfet和IGBT,设汁电路原理图；2）画出电路方框图，完成电路各部分的指标分配，计算各单元电路的参数和确定各元 件的参数值，叙述主要元器件的功能及他们之间的控制关系和数据传输。3）用Visio绘图软件绘制电路原理图4）利用Matlab仿真软件对电路图进行仿真分析。课程设计任务书4. 主要参考文献：一忆“至疽妥丽詩技采机械亍亚茁脑匸26662刘志刚.电力电子学.清华大学出版社.2009石玉.电力电子技术例题与电路设计指导.机械工业出版社.20034张兴，张崇巍.PWM整流器及其控

4、制M.北京：机械工业出版社，20125. 设计成果形式及要求：2）Matlab仿真电路结果图3）课程设计说明书。6. 工作计划及进度:2015年12月27日 12月29日 设计电路2015年12月29 0 01月01日 绘制电路原理图2016年01月02 001月07日对设计的电路进行Matlab仿真，撰写课程设计说明书2015年01.月08日答辩学科部副主任审查意见：签字：年 月 日目录1绪论12. 2.单相半波可控整流电路设计22. 1课程设计任务及要求22.2电路原理图32. 3单相半波可控整流电路的计算公式42.4带阻感负载时的工作情况53. MATLAB 仿真53. 1 MATLAB

5、 仿真图 53. 1. 1主电路仿真图53. 1. 2触发电路仿真图63.2元器件参数设置63. 2. 1 设置 M0SFET 参数73.2.2设置电阻负载参数73.2.3设置电源参数83.2.4设置脉冲参数83. 3仿真结果展示94. 结论11参考文献12附录121 绪论电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学 科。因它本身是大功率的电技术，乂大多是为应用强电的工业服务的，故常将 它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路 和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料 为单晶硅;它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术

6、为半导体器件工艺。近 代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子 学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，乂开发出许多电能转换电 路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等 二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途 的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。 电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大 量应用。本课程体现了弱电对强电的控制，乂具有很强的实践性。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

7、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 调速均釆用电力电子装置；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、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。2.单相半波可控整流电路设计单相半波可

8、控电路总体设计框图如图所示图1电路设计流程图2.1课程设计任务及要求1）设计的电路为单相半波可控整流电路，负载为电阻负载。2）已知参数：直流负载电阻R = 5V ,单相交流电压i/=100cosl00（V）o3）绘制电路原理图。首先，分别分析并讣算电阻两端平均电压UL = 25V和 t/L = 30V,功率管相对应的触发角。其次，按照原理图，在仿真软件中建立仿 真模型，验证计算结果，结果应包含电阻两端平均电压UL = 25V和U厶= 30U 时的电路工作的波形图。并对仿真结果进行必要的文字分析4）根据设计题LI要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定器件 类型，可供选择的变流器件为晶闸

9、管、MOSFET和IGBT,设计电路原理图；5）画出电路方框图，完成电路各部分的指标分配，计算各单元电路的参数和 确定各元件的参数值，叙述主要元器件的功能及他们之间的控制关系和数据传 输。6）用Visio绘图软件绘制电路原理图7）利用Matlab仿真软件对电路图进行仿真分析0图3.单向半波可控整流电路电阻负载波形图输出电压平均值：Ud= sin(l-sina)(21)实验电路如图2所示。通过查阅有关资料分析其工作原理，确定器件变 流器件为Mosfeto主电路原理说明：T为变压器，Uvt是变流器MOSFET两 端电压，U2为变压器副端电压，R为阻性负载，Ud为负载两段电压。Id为流 过负载的电流

10、，Ug为触发电压。根据MOSFET导通的两个条件(MOSFET的阳-阴极之间加正向电压；门 极加正向电压，流入足够的门极电流)可以判断：在电源电压U2的正半周， U20, MOSFET承受正向电压，可以被触发导通，但在给MOSFET (1极施加 触发信号之前，MOSFET处于正向阻断状态，电流Id二0,输出电压Ud二0,电 源电压全部加在MOSFET上，即Uvt二U2。设在wt = a时刻向MOSFET送出触发 脉冲，MOSFET被触发导通，若忽略MOSFET的导通丿玉降，则输出电压与电源电 压相等，即ud二u2,电流Id二ud/Rd。当wt =-时，电源电压u2=0,使得流MOSFET的电流

11、降到维持电流以下而关断，此时电流Id二0, ud二0.在电源电 压u2的负半周，u20, MOSFET承受反向电压，处于反向阻断状态，负载电 压ud二0,电源电压全部加在MOSFET上，Uvt二u2。直到第二个周期相当于3 tl时刻再次施加触发脉冲，MOSFET再次被触发导通，如此周而复始。2. 3单相半波可控整流电路的计算公式：根据设计要求可知电源电压为余弦函数，有效值U2 = r T = 0.025,触发负载电阻值：R = 5O1.当Ud = 25V时，有公式可求出触发角 = -34.75电流平均值A/= =5A2当Ud = 30V时，有公式可求出触发角 = -65.25电流平均值A/=-

12、=6AR2.4带电阻负载时的工作情况(1) 在电源电压正半波(-兰兰区间)，M0SFET承受正向电压，脉冲Ug在2 2wt = a处触发MOSFET, M0SFET开始导通，形成负载电流id,负载上有输出电 压和电流。(2) 在wt = -时刻，U2二0,电源电压自然过零，M0SFET电流小于维持电流2而关断，负载电流为零。(3) 在电源电压负半波(冬竺区间)，M0SFET承受反向电压而处于关断状2 2态，负载上没有输岀电压，负载电流为零。(4) 直到电源电压u2的下一周期的正半波，脉冲Ug在切=2兀+ &处乂触发MOSFET, M0SFET再次被触发导通，输出电圧和电流乂加在负载上，如此不断

13、重 复。3. MATLAB 仿真3.1 MATLAB仿真图3. 1. 1主电路仿真图图4主电路仿貞图3.1.2触发脉冲仿真电路Fyp GPHxyUem图5触发电路仿貞图3.2元器件参数设置3. 2. 1设置M0SFET参数囤 Block Parameters: Thyristorresistance (Ron) and inductance (Lon)For most applications the internal inductance should be set to zeroIn off-statc the Thyristor as an inf initc impedancePara

14、metersRes is temcc Ron fCluns) :0. 001IndueLon CH):0Forward voltage Vf (V):0.8Initial current Io (A):|oSnubber resistance Rs (Ohins):10Snubber capacitance Cs (F):4. 7c-6J Show measurement port OK | Cancel | Help | Apply图6. MOSFET参数设置图瓯 Block Parameters: Series RLC Branch| 23Series RLC Branch (mask)

15、(link)ImpleiLents a series branch of RLC elementsUse the 5 Branch typeJ parairieter to add or remove clcncn ts fr oui the br an ch ParametersBranch type:Resistance (Ohms):5Measurements Branch voltageOKCanoe 1He lpApply图7.电阻负载参数设置图3. 2. 3设置电源参数5 Block Parameters: AC Voltage Source召AC Voltage Source (

16、mask) (link)Ideal sinusoidal AC Voltage sctirceParametersPeak amplitude (V):ICOPhase (deg):-90Frequency (Hz):50Sample time：0Measurenients NoneApply图8.电源参数设宜图当Ud二25V时，触发参数如图欧阳历创编匣 Source Block Parameters: ConstantConstantOutput the cons tont specified by the * Cons trrt value* par ante t&r. IfConstan

17、t value5 is a 7ector and Interpret vector parameters as 1D5 is on, treat the constnnt value as a 1D array Otherwise, output a matrix with the same diincnslons as the constant valueMain Signal AttributesConsvalue：infCancelHelpApply图9触发脉冲参数设置图当Ud二30V时,触发参数如图15 Source Block Parameters: Constant| 33Cons

18、tantOutput thg constarrt specified by the Constant value* paranetgr. I于Constant value5 is a 7ector and 5 InterDTt vector parameters as 1D is on, treat the constout value as a 1D array OthTwise, output a matrix with the s-amc dimensions as the constant valueMain Signal AttributesConsvalue：infOKCancel

19、HelpApply图10.触发脉冲参数设置图当Ud二25V时图11 仿貞结果图当Ud=30V时图12 仿貞结果图仿真结果分析示波器第一个波形是电源电压，笫二个波形是脉冲波形，第三个波形是负 载两端电压，第四个波形是电流波形，第五个是M0SFET两端电压。当电源电压 U2 0, M0SFET不导通，M0SFET两端受电源电压；当电源电压U2) 0且没有触 发电流时，M0SFET同样不导通承受电源电压；当电源电压U20而且有触发电 流时，M0SFET导通，电阻负载承受电源电压，每个周期内重复上述情况。4.结论及体会结合以上波形图，我们可以分析出单相半波可控整流电路具有以下的特点：1、阻性负载时ud和id波形相同；