電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書第5頁(yè)共17頁(yè)引言電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個(gè)分支?，F(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。電力電子學(xué)（PowerElectronics）這一名稱是在上世紀(jì)60年代出現(xiàn)的。1974年，美國(guó)的W.Newell用一個(gè)倒三角形（如圖）對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，認(rèn)為它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。這一觀點(diǎn)被全世界普遍接受?！半娏﹄娮訉W(xué)”和“電力電子技術(shù)”是分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)2個(gè)不同的角度來(lái)稱呼的。1.1什么是電力電子技術(shù)一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出的第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的，電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管和晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。此前就已經(jīng)有用于電力變換的電子技術(shù)，所以晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前或黎明時(shí)期。70年代后期以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場(chǎng)效應(yīng)管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件全速發(fā)展（全控型器件的特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)門極既柵極或基極的控制既可以使其開(kāi)通又可以使其關(guān)斷），使電力電子技術(shù)的面貌煥然一新進(jìn)入了新的發(fā)展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT可看作MOSFET和BJT的復(fù)合）為代表的復(fù)合型器件集驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，通態(tài)壓降小，載流能力大于一身，性能優(yōu)越使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，體積減小，常常把若干個(gè)電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，后來(lái)又把驅(qū)動(dòng)，控制，保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC）。目前PIC的功率都還較小但這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。eq\o\ac(○,1)利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模電能變換的技術(shù)，有時(shí)也稱為功率電子技術(shù)。一般情況下，它是將一種形式的工業(yè)電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的工業(yè)電能。例如，將交流電能變換成直流電能或?qū)⒅绷麟娔茏儞Q成交流電能；將工頻電源變換為設(shè)備所需頻率的電源；在正常交流電源中斷時(shí)，用逆變器（見(jiàn)電力變流器）將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應(yīng)用電力電子技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)非電能與電能之間的轉(zhuǎn)換。例如，利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能。與電子技術(shù)不同，電力電子技術(shù)變換的電能是作為能源而不是作為信息傳感的載體。因此人們關(guān)注的是所能轉(zhuǎn)換的電功率。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。電力電子技術(shù)的內(nèi)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中大量應(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)，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)中大量應(yīng)用。整流電路是電力電子中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。大多數(shù)整流電路由變壓器整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)電解電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中交流成分。變壓器設(shè)置與否是具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離?？梢詮母鞣N角度對(duì)整流電路進(jìn)行分類，主要的分類方法有：按組成的期間可分為不可控，半控，全控三種；按電路的結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入詳述分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)的方向是單向還是雙向，又可分為單拍電路和雙拍電路。半波整流電路是一種最簡(jiǎn)單的整流電路。它由電源變壓器B、整流二極管D和負(fù)載電阻Rfz，組成。變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓e2，D再把交流電變換為脈動(dòng)直流電。變壓器砍級(jí)電壓e2，是一個(gè)方向和大小都隨時(shí)間變化的正弦波電壓，它的波形如圖5-2（a）所示。在0～K時(shí)間內(nèi)，e2為正半周即變壓器上端為正下端為負(fù)。此時(shí)二極管承受正向電壓面導(dǎo)通，e2通過(guò)它加在負(fù)載電阻Rfz上，在π～2π時(shí)間內(nèi)，e2為負(fù)半周，變壓器次級(jí)下端為正；上端為負(fù)。這時(shí)D承受反向電壓，不導(dǎo)通，Rfz，上無(wú)電壓。在π～2π時(shí)間內(nèi)，重復(fù)0～π時(shí)間的過(guò)程，而在3π～4π時(shí)間內(nèi)，又重復(fù)π～2π時(shí)間的過(guò)程…這樣反復(fù)下去，交流電的負(fù)半周就被"削"掉了，只有正半周通過(guò)Rfz，在Rfz上獲得了一個(gè)單一右向（上正下負(fù)）的電壓，如圖5-2（b）所示，達(dá)到了整流的目的，但是，負(fù)載電壓Usc。以及負(fù)載電流的大小還隨時(shí)間而變化，因此，通常稱它為脈動(dòng)直流。這種除去半周、圖下半周的整流方法，叫半波整流。不難看出，半波整說(shuō)是以"犧牲"一半交流為代價(jià)而換取整流效果的，電流利用率很低（計(jì)算表明，整流得出的半波電壓在整個(gè)周期內(nèi)的平均值，即負(fù)載上的直流電壓Usc=0.45e2，此處注意e2是變壓器二次端口的有效值，而不是最大值。如變壓器得到e2=,e2取值為20）因此常用在高電壓、小電流的場(chǎng)合，而在一般無(wú)線電裝置中很少采用整流電路。eq\o\ac(○,2)整流電路的分類可從各中角度對(duì)整流電路進(jìn)行分析，主要分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半孔、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)可分為單相電路和多項(xiàng)電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙相，有分為單拍電路和雙拍電路。1.2．2什么是晶閘管可控硅（又名晶閘管）不同于整流二極管，可控硅的導(dǎo)通是可控的?？煽卣麟娐返淖饔檬前呀涣麟娮儞Q為電壓值可以調(diào)節(jié)的直流電。圖1-1所示為單相半波可控整流實(shí)驗(yàn)電路?？煽毓璧奶攸c(diǎn)是以弱控強(qiáng)，它只需功率很小的信號(hào)（幾十到幾百mA的電流，2~3V的電壓）就可控制大電流、大電壓的通斷。因而它是一個(gè)電力半導(dǎo)體器件，被應(yīng)用于強(qiáng)電系統(tǒng)。1.2帶續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路，電阻負(fù)載。對(duì)這個(gè)課程設(shè)計(jì)的研究，可以加深我對(duì)電力電子技術(shù)的理解，學(xué)習(xí)MATLAB仿真軟件及各模塊參數(shù)的確定，深刻理解整流電路的各項(xiàng)參數(shù)工作原理，是十分有意義的。單相半波可控整流電路設(shè)計(jì)2．1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求（1）單相半波可控整流電路，電阻負(fù)載（2）電源電壓：由變壓器降到U2=60V，50Hz，最大Id=30A（3）要求輸出電壓平均值在0~20V連續(xù)可調(diào)2.2設(shè)計(jì)方案單相半波可控整流電路電路圖圖2-1單相半波可控整流電路（電阻性負(fù)載）電路原理圖2.2.1工作原理單相半波可控整流電流（電阻性負(fù)載）原理圖，變壓器t器變換電壓和隔離的作用，晶閘管作為開(kāi)關(guān)元件，用u1和u2分別表示一次和二次電壓瞬時(shí)值，有效值分別用U1，U2表示。二次電壓u2為50hz正弦波波形如圖所示，其有效值為u2，如圖2-1。當(dāng)晶閘管VT處于斷態(tài)的時(shí)候，電路中沒(méi)有電流，在負(fù)載電阻兩端可測(cè)得電壓為零，u2全部施加于VT兩端。當(dāng)VT承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，給VT門極加觸發(fā)脈沖，那么VT就被開(kāi)通了。當(dāng)忽略晶閘管的通態(tài)壓降時(shí)，則直流輸出電壓瞬時(shí)值ud與u2相等。至wt=π時(shí)u2降為0，電路中的電流也變?yōu)?，VT關(guān)斷，ud，id均為0。改變晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻，ud和id的波形也會(huì)隨之改變，u2的波形只在正半周內(nèi)出現(xiàn)，為“半波可控整流電路”。eq\o\ac(○,3)2.2.2輸出的各個(gè)值1.直流輸出電壓平均值因?yàn)閁2=60V,Ud在0-20V時(shí)連續(xù)可調(diào)，所以可以算出α的范圍為61.22°-180°，晶閘管的導(dǎo)通角為π-α，即0—118.78°。又因?yàn)樽畲驣d=30A，所以可以算出電阻R=Ud/Id=20/30=0.667歐。晶閘管的選擇：晶閘管承受的最大反向電壓：Um=U2=84.8V，Id已經(jīng)為有效值不用再除以。額定電壓：（2-3）*U2=169.7-254.5V額定電流：（1.5-2）*Id/1.57=28.7-38.2A變壓器二次側(cè)的的功率因素：因?yàn)閁d，Id成正比，兩者波形相同，夾角為0度，所以功率因素為1.所以可以把仿真電路的參數(shù)設(shè)置出來(lái)。3.建立仿真模型1.根據(jù)原理圖用matalb軟件畫出正確的仿真電路圖eq\o\ac(○,4)，如圖3-1。圖3-12.仿真參數(shù)，相對(duì)誤差（relativetolerance）1e-3，開(kāi)始時(shí)間0結(jié)束時(shí)間10s，如圖3-2。圖3-23.脈沖參數(shù)，振幅3V，周期0.02，占空比10%，時(shí)相延遲（1/50）x（n/360）s，如圖3-3圖3-34.電源參數(shù)，頻率50hz，電壓220v，如圖3-4?？烧{(diào)為60V,如圖3-5圖3-4圖3-55.晶閘管各項(xiàng)參數(shù)，如圖3-66．電阻的參數(shù)設(shè)置7.仿真參數(shù)設(shè)置設(shè)置觸發(fā)脈沖α分別為70°、80°、90°、120°、150°、180°。在波形圖中第一列波為脈沖波形，第二列波為晶閘管電壓波形，第三列波為負(fù)載電壓波形，第四列波為電源波形,第五列為負(fù)載電流波形，第六列為晶閘管的電流波形。（1）70°時(shí)的波形（2）80°時(shí)的波形（3）90°時(shí)的波形（4）120°時(shí)的波形（6）150°時(shí)的波形（7）180°時(shí)的波形4總結(jié)由上述設(shè)計(jì)可知，VT的移相范圍為61.22°--180°。在電源電壓正半波（0~π區(qū)間），晶閘管承受正向電壓，在ωt=α處觸發(fā)晶閘管，晶閘管開(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。在ωt=π時(shí)刻，U2=0，電源電壓自然過(guò)零，晶閘管電流小于維持電流而關(guān)斷，負(fù)載電流為0。在電源電壓負(fù)半波（π~2π區(qū)間），晶閘管承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載上沒(méi)有輸出電壓，負(fù)載電流為0。直到電壓電源U2的下個(gè)周期的正半波，脈沖在ωt=2π+α處又觸發(fā)晶閘管，晶閘管再次被觸發(fā)導(dǎo)通，輸出電壓和電流有加在負(fù)載上，如此不斷反復(fù)。4.1心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)親自的動(dòng)手仿真電路，并自己對(duì)波形圖進(jìn)行觀察，對(duì)單相半波整流電路的概念又有了新的理解。本來(lái)只是在書本上看到了理想的波形，但是在實(shí)驗(yàn)中，基本輪廓不變，但真正的波形還是和理想波形有很大的差別的。因此，這次實(shí)驗(yàn)還是讓我覺(jué)得受益匪淺，對(duì)單項(xiàng)半波可控整流電路（電阻負(fù)載）亦有了新的認(rèn)識(shí)。

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