電力電子課程設(shè)計(jì)

1、1 緒論所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說(shuō)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)中所變換的“電力”和“電力系統(tǒng)”所指的“電力”是有區(qū)別的。兩者都指“電能”，但后者更具體，特指電力網(wǎng)的電力，前者則更一般一些。具體地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子器件是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。正是大功率晶閘管的發(fā)明，使得半導(dǎo)體變流技術(shù)從電子學(xué)中分離出來(lái)，發(fā)展成為電力電子技術(shù)這一專門的學(xué)科。電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)，但它的的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部

2、門，包括鋼鐵、冶金、化工、電力、石油、汽車、運(yùn)輸以及人們的日常生活。功率范圍大到幾千兆瓦的高壓直流輸電，小到一瓦的手機(jī)充電器，電力電子技術(shù)隨處可見(jiàn)。 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用中也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，電力電子裝置與傳統(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)操作設(shè)備相比有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制方便，靈活的特點(diǎn)，能夠顯著地改善電力系統(tǒng)的特性，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定、降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約運(yùn)行成本方面有很大潛力。有人預(yù)言，電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制一起，將和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來(lái)科學(xué)技術(shù)的兩大支柱?？梢?jiàn)，電力電子技術(shù)在21世紀(jì)中將會(huì)起著十分重要的作用，有著十分光明的未來(lái)。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人們對(duì)電路的要求也越來(lái)越高,由于在生產(chǎn)實(shí)際中需要大小

3、可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應(yīng)用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而在許多場(chǎng)合，例如電解、蓄電池的充電、直流電動(dòng)機(jī)等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機(jī)外，最普遍應(yīng)用的是利用各種半導(dǎo)體元件產(chǎn)生直流電。這個(gè)方法中，整流是最基礎(chǔ)的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷逊较蚝痛笮〗蛔兊碾娏髯儞Q為直流電，整流的基礎(chǔ)是整流電路。2 設(shè)計(jì)任務(wù)2.1設(shè)計(jì)目的1加深理解電力電子技術(shù)課程的基本理論。2掌握電力電子電路的一般設(shè)計(jì)方法，具備初步的獨(dú)

4、立設(shè)計(jì)能力。3學(xué)習(xí)MATLAB仿真軟件及各模塊參數(shù)的確定。2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求設(shè)計(jì)條件：1電源電壓：交流100V/50Hz 2輸出功率：500W 3觸發(fā)角=120 4純電阻負(fù)載根據(jù)課程設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)條件，說(shuō)明主電路的工作原理、計(jì)算選擇元器件參數(shù)。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：1整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算 2晶閘管電流、電壓額定參數(shù)選擇 3觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)2.3 設(shè)計(jì)工作內(nèi)容及工作量的要求1根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求的指標(biāo)，通過(guò)查閱有關(guān)資料分析其工作原理，確定各器件參數(shù)，設(shè)計(jì)電路原理圖。2利用MATLAB仿真軟件繪制主電路結(jié)構(gòu)模型圖，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。3.仿真用示波器模塊觀察和記錄電源電壓、觸發(fā)信號(hào)、晶閘管電流和電壓，負(fù)載電

5、流和電壓的波形圖。3 設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1 設(shè)計(jì)方案的選擇單相全控橋式純電阻負(fù)載整流電路可分為單相橋式帶阻感負(fù)載相控整流電路和單相橋式帶阻感負(fù)載半控整流電路，它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn)。下面分析兩種單相橋式整流電路在帶電感性負(fù)載的工作情況。 單相半控橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)是：輸出電壓脈動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒(méi)有直流磁化問(wèn)題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 單相全控橋式整流電路其輸出平均電壓是半波整流

6、電路2倍，在相同的負(fù)載下流過(guò)晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。 單相半波相控整流電路因其性能較差，實(shí)際中很少采用，在中小功率場(chǎng)合采用更多的是單相全控橋式整流電路。 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。3.2 整流電路設(shè)計(jì) 圖3.2單相橋式全控整流電路（純電阻性負(fù)載）單相橋式全控整流電路是由交流電源、整流變壓器、晶閘管、負(fù)載以及觸發(fā)電路組成。其工作原理如下：1）在u2正半波的（0）區(qū)間，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓，但無(wú)觸發(fā)脈沖，晶閘管VT2、VT3承受反向電壓。因此在0區(qū)間，4個(gè)晶閘管都不導(dǎo)通。假如4個(gè)晶閘管的漏電阻相等，則Ut1、4=

7、 Ut2、3=1/2*u2。2）在u2正半波的（）區(qū)間，在時(shí)刻，觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導(dǎo)通。3）在u2負(fù)半波的（）區(qū)間，在區(qū)間，晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，因無(wú)觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)，晶閘管VT1、VT4承受反向電壓也不導(dǎo)通。4）在u2負(fù)半波的（）區(qū)間，在時(shí)刻，觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其元件導(dǎo)通，負(fù)載電流沿bVT3RVT2T的二次繞組b流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)載電阻上，負(fù)載上有輸出電壓（ud=-u2）和電流，且波形相位相同。3.3 元器件的選擇3.3.1 晶閘管 晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），開(kāi)

8、辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代; 20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域，成為功率低頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型-普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。 1）晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率器件，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（或稱柵極）G三個(gè)聯(lián)接端。2）晶閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個(gè)結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），

9、并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個(gè)電極。由于具有擴(kuò)散工藝，具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可以等效成如圖3.3.1（右）所示的兩個(gè)晶閘管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。圖3.3.1 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路3）晶閘管的門極觸發(fā)條件（1）: 晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通； （2）：晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通；（3）：晶閘管一旦導(dǎo)通門極就失去控制作用；（4）：要使晶閘管關(guān)斷，只能使其電流小到零一下。晶閘管的驅(qū)動(dòng)過(guò)程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于能過(guò)門

10、極只能控制其開(kāi)通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。3.3.2 晶閘管電流、電壓額定值的選擇導(dǎo)通之后， ud=u2， ， 直至|u2|=E，id即降至0使得 晶閘管關(guān)斷，此后ud=E 。晶閘管所能承受的最大正向電壓和反向電壓分別為。為選擇晶閘管、變壓器容量、導(dǎo)線面積等定額，需要考慮發(fā)熱問(wèn)題，為此需要計(jì)算電流有效值。流過(guò)晶閘管的電流有效值為變壓器二次電流有效值與輸出直流電流有效值I相等，為I=由上面兩式可得出： 不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量為。4 單相橋式全控整流電路純電阻性負(fù)載電路設(shè)計(jì)4.1 單相橋式全控整流電路純電阻性負(fù)載工作原理

11、4.1.1 單相橋式全控整流電路純電阻性負(fù)載工作原理圖 圖4.1.1 單相橋式全控整流電路純電阻性負(fù)載工作原理圖4.1.2 工作原理說(shuō)明晶閘管和組成一對(duì)橋臂，和組成另一對(duì)橋臂。當(dāng)變壓器二次電壓U2為正半周時(shí)（a端為正，b端為負(fù)），相當(dāng)于控制角a的瞬間給和以觸發(fā)脈沖，和即導(dǎo)通，這時(shí)電流從電源a端經(jīng)、V4流回到電源b端。這期間V2和V3均承受反壓而截止。當(dāng)電源電壓過(guò)零時(shí)，電流也降到零，V1和即關(guān)斷。在電源電壓的負(fù)半周期，仍在控制角為a處觸發(fā)晶閘管和，則和導(dǎo)通。電流從電源b端經(jīng)、流回電源a端。到一周期結(jié)束時(shí)電壓過(guò)零，電流亦降至零，和關(guān)斷。在電源電壓的負(fù)半周期，和均承受反向電壓而截止。很顯然上述兩組觸

12、發(fā)脈沖在相位上相差180。以后又是和導(dǎo)通，如此循環(huán)工作下去。4.2 基本參數(shù)計(jì)算1）變壓器的變比k=U1U2=220v100v=2.22）整流電壓平均值： Ud=0.9U21+cos2=22.5 V3） 輸出電流平均值： Id=PUd=50022.5=22.22A4）負(fù)載電阻：R=UdId=22.522.22=1.10255） 晶閘管的電流平均值：=11.11A6） 流過(guò)晶閘管的電流有效值： =28.36A7） 晶閘管所承受的最大正向電壓=V=70.71V最大反向電壓為=141.42V8） 晶閘管的額定電壓：424.26V9） 晶閘管的額定電流：I=(1.52)Ivt1.57=27.0936.

13、13A4.3建模在MATLAB新建一個(gè)Model，命名為untitled.mdl，同時(shí)模型建立如下圖所示：圖4.3.1 在matlab中建立的單相橋式全控整流電路電阻性負(fù)載電路圖在此電路中，輸入電壓的電壓設(shè)置為141.42V，頻率設(shè)置為50Hz，電阻阻值設(shè)置為1.1025歐姆，脈沖輸入的電壓設(shè)置為1V，周期設(shè)置為0.02（與輸入電壓一致周期），占空比設(shè)置為10%，觸發(fā)角設(shè)置為120,因?yàn)?個(gè)晶閘管在對(duì)應(yīng)時(shí)刻不斷地周期性交替導(dǎo)通，關(guān)斷，所以脈沖出發(fā)周期應(yīng)相差180。a.交流電源參數(shù)圖4.3.1 交流電源Us的參數(shù)設(shè)定hiliub.同步脈沖信號(hào)發(fā)生器參數(shù)圖4.3.2 VT1、VT4觸發(fā)脈沖的設(shè)置圖

14、4.3.3 VT2、VT3觸發(fā)脈沖的設(shè)置見(jiàn)圖4.3.2和圖4.3.3，幅值均為1V，即大于晶閘管的門檻0.8V，周期為0.02s，也就是50Hz，脈寬均為10，延遲時(shí)間分別為0.0067s和0.0167s。按照關(guān)系式t=，控制角=120，周期T=0.02s，則第一個(gè)脈沖在t= 0.0067s時(shí)到來(lái)?；パa(bǔ)的兩套管在一個(gè)周期內(nèi)各導(dǎo)通一次，所以第二個(gè)脈沖在t=0.01+t=0.0167s。c.負(fù)載電阻的參數(shù)圖4.3.4 純電阻性負(fù)載的設(shè)置4.4 仿真結(jié)果圖4.4.1 示波器所示仿真結(jié)果示波器顯示內(nèi)容：第一行U：VT和VT的觸發(fā)脈沖；第二行U：二次側(cè)交流電壓值；第三行i:晶閘管電流；第四行：晶閘管電壓

15、；第五行：流過(guò)負(fù)載的電流；第六行U：負(fù)載兩端的電壓。5 總結(jié)這是我第一次完成整個(gè)課程設(shè)計(jì)，通過(guò)這次的經(jīng)歷我加深了對(duì)電力電子技術(shù)這門課程的基本理論的理解，掌握了電力電子電路的一種設(shè)計(jì)方法， 也學(xué)習(xí)MATLAB仿真軟件及各模塊參數(shù)的確定。由于理論知識(shí)的缺乏，以及對(duì)課程設(shè)計(jì)的不熟悉，課程設(shè)計(jì)還有很多不足之處，在以后的課程設(shè)計(jì)中，希望能有所改善。經(jīng)過(guò)兩個(gè)星期的努力，我們終于完成了單相橋式全控整流電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)?；叵脒@十多天的努力，雖然辛苦，卻有很大的收獲和一種成就感。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我加深了對(duì)單相橋式全控整流電路的理解，所學(xué)的理論知識(shí)很好的運(yùn)用到了實(shí)際工程中。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，涉及了很多知識(shí)，知

16、識(shí)的掌握深度和系統(tǒng)程度都關(guān)系到整個(gè)設(shè)計(jì)的完整性和完善性，因此本次設(shè)計(jì)不但是我對(duì)所學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)化，也鍛煉了我查找資料、分析信息、選擇判斷的能力。在整個(gè)的程設(shè)計(jì)中，把遇到的疑問(wèn)做了筆記，并通過(guò)各種資料去了解相關(guān)的知識(shí)。也希望帶著這些疑問(wèn)在學(xué)習(xí)中與其他同學(xué)討論或請(qǐng)教來(lái)解決。除此之進(jìn)行外通過(guò)邊做邊學(xué)習(xí)及向同學(xué)、老師請(qǐng)教，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)順利完成了任務(wù)范圍內(nèi)的工作。本次課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我們自學(xué)的能力，以及實(shí)踐能力和細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)。此外，還學(xué)會(huì)了如何更好的去陳述自己的觀點(diǎn)，如何說(shuō)服別人認(rèn)同自己的觀點(diǎn)，相信這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)將會(huì)成為我今后成功的基石。課程設(shè)計(jì)是每個(gè)大學(xué)生必須擁有的一段經(jīng)歷，它讓我們學(xué)到了很多在課堂上根本無(wú)法學(xué)到的知識(shí)，也打開(kāi)了我們的視野，增長(zhǎng)了見(jiàn)識(shí)，為我們以后更好的服務(wù)社會(huì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參 考 文 獻(xiàn)1.王兆安.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.20092.李