單相半波可控整流電路設(shè)計(jì)

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)單相半波可控整流電路設(shè)計(jì)學(xué)生：學(xué)號(hào)：學(xué)生：學(xué)號(hào)：學(xué) 院：計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：2016年 月中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)宓書(shū)2015/2016學(xué)年第一學(xué)期學(xué)院：計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)生學(xué)號(hào)：課程設(shè)計(jì)題目：?jiǎn)蜗喟氩煽卣麟娐吩O(shè)計(jì)起迄 日期： 2015年12月27日2016年1月8日課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)：德懷樓八層虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)教師：學(xué)科部副主任：下達(dá)任務(wù)書(shū)日期：2015年12月26 S課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1設(shè)計(jì)目的:1）了解并掌握電力電子電路的一般設(shè)計(jì)方法，具備初步的獨(dú)立設(shè)計(jì)能力2）學(xué)習(xí)Visio繪圖軟件和Matla

2、b仿真軟件2設(shè)計(jì)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：_了“麗融菇*薛両殛頑貳”議另融議2）已知參數(shù)：直流負(fù)載電阻Rl = 50 ,單相交流電壓U = 100cosl00加（V）,3）繪制電路原理圖。首先，分別分析并計(jì)算電阻兩端平均電壓t/丄=251/和（4 = 30V 時(shí)，功率管相對(duì)應(yīng)的觸發(fā)角。其次,按照原理圖，在仿真軟件中建立仿真模型,驗(yàn)證計(jì) 算結(jié)果,結(jié)果應(yīng)包含電阻兩端平均電壓t/上=25V和=30V時(shí)的電路工作的波形圖。并 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行必要的文字分析。3 設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)（論文）、圖紙、 實(shí)物樣品等：1）根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求的指標(biāo),通過(guò)查閱有

3、關(guān)資料分析其工作原理，確定器件類(lèi)型, 可供選擇的變流器件為晶閘管、Mosfet和IGBT ,設(shè)計(jì)電路原理圖；2）畫(huà)出電路方框圖，完成電路各部分的指標(biāo)分配，計(jì)算各單元電路的參數(shù)和確定各 元件的參數(shù)值,敘述主要元器件的功能及他們之間的控制關(guān)系和數(shù)據(jù)傳輸。3）用Visio繪圖軟件繪制電路原理圖4）利用Matlab仿真軟件對(duì)電路圖進(jìn)行仿真分析。課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)4主要參考文獻(xiàn)：1 王兆安電力電子技術(shù)機(jī)械工業(yè).20082 志剛電力電子學(xué)清華大學(xué).20093 石玉電力電子技術(shù)例題與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo).機(jī)械工業(yè).20034 興，崇巍.PWM整流器及其控制M.:機(jī)械工業(yè),20125設(shè)計(jì)成果形式及要求：1）電路原理圖2）

4、Matlab仿真電路結(jié)果圖3）課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。6.工作計(jì)劃及進(jìn)度:2015年12月27日 12月29日設(shè)計(jì)電路2015年12月29日 01月01日繪制電路原理圖2016年01月02日 01月07日對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行Matlab仿真,撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2015年01月08日答辯學(xué)科部副主任審查意見(jiàn)：簽字:年 月曰2目錄L緒論12. 2 .單相半波可控整流電路設(shè)計(jì)22.1課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求22.2電路原理圖32.3單相半波可控整流電路的計(jì)算公式42.4帶阻感負(fù)載時(shí)的工作情況53 . MATLAB 仿真53.1 MATLAB 仿真圖53.1.1主電路仿真圖53.1.2觸發(fā)電路仿真圖63.2元器件參數(shù)設(shè)

5、置63.2.1 設(shè)置 MOSFET 參數(shù)73.2.2設(shè)置電阻負(fù)載參數(shù)73.2.3設(shè)置電源參數(shù)83.2.4設(shè)置脈沖參數(shù)83.3仿真結(jié)果展示94.結(jié)論1 1參考文獻(xiàn)1 2附錄1 緒論電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動(dòng)控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。 因它本身是大功率的電技術(shù),又大多是為應(yīng)用強(qiáng)電的工業(yè)服務(wù)的,故常將它歸屬 于電工類(lèi)。電力電子技術(shù)的容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子 裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導(dǎo)體為基本材料,最常用的材料為單晶硅;它 的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué);它的工藝技術(shù)為半導(dǎo)體器件工藝。近代新型電力電 子器件量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)

6、，根據(jù) 器件的特點(diǎn)和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開(kāi)發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括 各種控制、觸發(fā)、保護(hù)、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利 用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，組成了各種用途的整機(jī)，稱(chēng)為電力電子裝置。 這些裝置常與負(fù)載、配套設(shè)備等組成一個(gè)系統(tǒng)。電子學(xué)、電工學(xué)、自動(dòng)控制、信 號(hào)檢測(cè)處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)量應(yīng)用。本課程體現(xiàn)了弱電對(duì)強(qiáng)電的控制,又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。能夠理論聯(lián)系實(shí)際, 在培養(yǎng)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)、晶閘管 的過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無(wú)源 逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波

7、以及變頻電路的工作原理。在電力電子技術(shù)中，可控整流電路是非常重要的容,整流電路是將交流電 變?yōu)橹绷麟姷碾娐罚鋺?yīng)用非常廣泛。工業(yè)量應(yīng)用的各種直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速均采 用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機(jī)車(chē)、磁懸浮列車(chē)等電動(dòng)汽車(chē)、飛機(jī)、 船舶、電梯等交通運(yùn)輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術(shù)；各種電子裝置如通 信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源、微型計(jì)算機(jī)部的電源都可以利用整流電 路構(gòu)成的直流電源供電,可以說(shuō)有電源的地方就有電力電子技術(shù)的設(shè)備。2. 單相半波可控整流電路設(shè)計(jì)單相半波可控電路總體設(shè)計(jì)框圖如圖所示脈沖寬度調(diào)1/圖1電路設(shè)計(jì)流程圖2.1課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1）設(shè)計(jì)的電路為單相半波可控整流電路，負(fù)

8、載為電阻負(fù)載。2）已知參數(shù)：直流負(fù)載電阻R = 5V ,單相交流電壓t/ = 100cosl00（V）o 3）繪制電路原理圖。首先，分別分析并計(jì)算電阻兩端平均電壓UL = 25V和UL = 30V ,功率管相對(duì)應(yīng)的觸發(fā)角。其次,按照原理圖，在仿真軟件中建立仿 真模型,驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果,結(jié)果應(yīng)包含電阻兩端平均電壓UL = 25V和UL = 30V時(shí) 的電路工作的波形圖。并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行必要的文字分析4）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，確定器件 類(lèi)型，可供選擇的變流器件為晶閘管、MOSFET和IGBT ,設(shè)計(jì)電路原理圖；5）畫(huà)出電路方框圖,完成電路各部分的指標(biāo)分配，計(jì)算各單元電

9、路的參數(shù)和 確定各元件的參數(shù)值,敘述主要元器件的功能及他們之間的控制關(guān)系和數(shù)據(jù)傳 輸。6）用Visio繪圖軟件繪制電路原理圖7）利用Matlab仿真軟件對(duì)電路圖進(jìn)行仿真分析圖2.電路原理圖實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。通過(guò)查閱有關(guān)資料分析其工作原理，確定器件變流 器件為Mosfet.主電路原理說(shuō)明：T為變壓器，Uvt是變流器MOSFET兩 端電壓,U2為變壓器副端電壓,R為阻性負(fù)載,Ud為負(fù)載兩段電壓。Id為流 過(guò)負(fù)載的電流,Ug為觸發(fā)電壓。根據(jù)MOSFET導(dǎo)通的兩個(gè)條件（MOSFET的陽(yáng)-陰極之間加正向電壓；門(mén) 極加正向電壓,流入足夠的門(mén)極電流）可以判斷：在電源電壓U2的正半周， U20, MOSFE

10、T承受正向電壓，可以被觸發(fā)導(dǎo)通，但在給MOSFET門(mén)極施 加觸發(fā)信號(hào)之前,MOSFET處于正向阻斷狀態(tài),電流Id二0,輸出電壓Ud二0 ,電源電壓全部加在MOSFET上，即Uvt二U2。設(shè)在wt = a時(shí)刻向MOSFET送出觸發(fā)脈沖,MOSFET被觸發(fā)導(dǎo)通,若忽略MOSFET的導(dǎo)通壓降,則輸出電壓與電源電壓相等,即ud二u2 ,電流Id二ud/Rd。當(dāng)= -時(shí)，電源電2壓u2=0使得流過(guò)MOSFET的電流降到維持電流以下而關(guān)斷 此時(shí)電流Id二0 , ud二0.在電源電壓u2的負(fù)半周,u20 , MOSFET承受反向電壓，處于反向 阻斷狀態(tài),負(fù)載電壓ud二0 ,電源電壓全部加在MOSFET上，U

11、vt二u2。直到 第二個(gè)周期相當(dāng)于ootl時(shí)刻再次施加觸發(fā)脈沖,MOSFET再次被觸發(fā)導(dǎo)通，如 此周而復(fù)始。2.3單相半波可控整流電路的計(jì)算公式:根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知電源電壓為余弦函數(shù),有效值2 =100T = 0.025 ,觸發(fā)角 a 2 2輸出電壓平均值：譬sin(lfg)(2-1)負(fù)載電阻值：R = 5G1. 當(dāng)ud = 25V時(shí),有公式可求出觸發(fā)角a = -34.75 電流平均值ZJ = = 5AR2. 當(dāng)Ud = 30V時(shí)，有公式可求出觸發(fā)角a = -65.25。電流平均值=竽二6AR2.4帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況(1)在電源電壓正半波(區(qū)間)，MOSFET承受正向電壓，脈沖Ug在2 2w

12、t = a處觸發(fā)MOSFET , MOSFET開(kāi)始導(dǎo)通，形成負(fù)載電流id,負(fù)載上有輸出 電壓和電流。(2 )在wt =冬時(shí)刻2二0 ,電源電壓自然過(guò)零，MOSFET電流小于維捋電2流而關(guān)斷，負(fù)載電流為零。(3 )在電源電壓負(fù)半波(-邁區(qū)間)，MOSFET承受反向電壓而處于關(guān)斷狀2 2態(tài),負(fù)載上沒(méi)有輸出電壓，負(fù)載電流為零。直到電源電壓u2的下一周期的正半波,脈沖Ug在訶= 2/r+a處又觸發(fā)MOSFET , MOSFET再次被觸發(fā)導(dǎo)通,輸出電壓和電流又加在負(fù)載上,如此不 斷重復(fù)。3. MATLAB 仿真3.1 MATLAB仿真圖3.1.1主電路仿真圖Enxwv-S dA?畫(huà)*迄密ffl1州.寸回

13、sstfMiis共蠱徑擢 3圖5觸發(fā)電路仿真圖3.2元器件參數(shù)設(shè)置321設(shè)置MOSFET參數(shù)I S3 |陽(yáng) Block Parameters: Thyristorresistance (Ron and inductance (Lon)For most applications the internal inductance should be set to zeroIn off-state the Thyristor as an infinite impedanceParametersResistance Ron (Ohms):0. 001Inductance Lon (H): oForwar

14、d voltage Vf (V):0. $Initial current Ic (A):|oSnubber resistance Rs (Ohms):10Snubber capacitancc Cs (F) :L 7e-6CancelApplyJ Shew measurement portOK圖6.MOSFET參數(shù)設(shè)置圖3.2.2設(shè)置電阻負(fù)載參數(shù)S315 Block Parameters: Series RLC BranchSeries RLC Branch (ntask) (link)ImDlenents a series branch of RLC elementsUse the 5 Br

15、anch type paraKieter to add or reiriove elements from the branchParaLnetersBranch type: (RResistance (Ohms):5Measurements iBranch voltage:OKCanoe 1He IpApply圖7電阻負(fù)載參數(shù)設(shè)置圖3.2.3設(shè)置電源參數(shù)51 Block Parameters: AC Voltage Source召AC Voltage Sourcc (iriask) (link)Ideal sinusoidal AC Voltage sourceParameiersPeak

16、amplitude (V):ICOPhase (deg):-90Frequency (Hz):50Sample time：0Measurements NoneOKCancc 1HelpApply圖8電源參數(shù)設(shè)置圖3.2.4設(shè)置時(shí)的脈沖參數(shù)當(dāng)Ud=25V時(shí)，觸發(fā)參數(shù)如圖甌 Source Block Parameters: Constant| 88ConstantOutput the constant specified by the Constant value* parametgi*. IfConstant value5 is a 7ecter and IntEFDTet vector par

17、ameters as 1D is on, treat the constnnt value as a 1D array OtheTwise, output a matrix with the same dimensions as the constant valueMain Signal AttributesConstMt value：infOKCancelHelpApply圖9 觸發(fā)脈沖參數(shù)設(shè)置圖當(dāng)Ud=30V時(shí)，觸發(fā)參數(shù)如圖15 Source Block Parameters: Constant| S3ConstantOutput the constant spec ified by th

18、e * Constant value5 paraneter. IfJ Constant value is a vector and Interpret vector paranieters as 1-D is on, treat the coiistant value as a 1D array Othcrwisc, output a matr iz with the same diiriensions as the cons tan t value Main Signal AttributesConstont value:0. 502Z Inierpret vector parameterg

19、 as 1一DOKCancelHe lpApply圖10 觸發(fā)脈;中參數(shù)設(shè)置圖33仿真結(jié)果展示當(dāng)Ud二25V時(shí)O咋圖11 仿真結(jié)果圖當(dāng)Ud=30V時(shí)圖12仿真結(jié)果圖仿真結(jié)果分析示波器第一個(gè)波形是電源電壓,第二個(gè)波形是脈沖波形,第三個(gè)波形是負(fù)載 兩端電壓，第四個(gè)波形是電流波形,第五個(gè)是MOSFET兩端電壓。當(dāng)電源電壓 U2 0, MOSFET不導(dǎo)通,MOSFET兩端受電源電壓；當(dāng)電源電壓U20且沒(méi) 有觸發(fā)電流時(shí)，MOSFET同樣不導(dǎo)通承受電源電壓;當(dāng)電源電壓U2) 0而且有 觸發(fā)電流 時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，電阻負(fù)載承受電源電壓，每個(gè)周期重復(fù)上述情況。4. 結(jié)論及體會(huì)結(jié)合以上波形圖，我們可以分析出單相半波可控整流電路具有以