电力电子课程设计 单相半控桥式晶闸管整流电路的设计

1、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日前言一、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

2、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整流电

3、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。目录目录1一、课程设计目的2二、设计基本要求2三、选题思路23、1、整流电路的应用23、2、经济效益33、3、系统维护3四、总体方案设计34、1、系统总体框图34、2、主电路结构及其工作原理34、3、参数计算5五、

4、MATLAB仿真设计65、1、Matlab软件介绍65、2、仿真模型设计75、3、仿真参数设计75、4、仿真波形及分析11六、结论与展望12七、致谢13八、参考文献13一、 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

5、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3.1、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

6、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。3.2、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。3.3、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

7、。四、总体方案设计4.1、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。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图1 系统总体框图4.2、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

8、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+ 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

9、式整流电路的输出电压的平均值要大一倍，即                         输出电流的平均值为                     4.3、参

10、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=0.45U0 (1+cos)即：50=0.45×100(1+cos)解得：=83.62°从而脉冲信号源一的延迟时间为：t1=T/360°=83.62°×0.02/360°=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、Mat

11、lab仿真设计5.1、Matlab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

12、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。5.2、仿真模型设计图4 仿真模型图5.3、仿真参数设计1）脉冲发生器的设置：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：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

13、设置：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5.4、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，

14、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

15、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，