電力電子課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　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，電力電子技術(shù)就是使用電力電子

2、器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。</p><p>　　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，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)深入到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，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

3、力電子技術(shù)隨處可見。 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用中也有了長足的發(fā)展，電力電子裝置與傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(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)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱?？梢?，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。</p><p>　

4、　隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人們對(duì)電路的要求也越來越高,由于在生產(chǎn)實(shí)際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡單、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

5、。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?，把方向和大小交變的電流變換為直流電，整流的基礎(chǔ)是整流電路。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　1．加深理解《電力電子技術(shù)》課程的基本理論。</p>&l

6、t;p>　　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)立設(shè)計(jì)能力。</p><p>　　3．學(xué)習(xí)MATLAB仿真軟件及各模塊參數(shù)的確定。</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求</p><p><b>　　設(shè)計(jì)條件：</b></p><p>　　1．電源電壓：交流100V/50Hz</p>

7、<p>　　2．輸出功率：500W</p><p><b>　　3．觸發(fā)角</b></p><p><b>　　4．純電阻負(fù)載</b></p><p>　　根據(jù)課程設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)條件，說明主電路的工作原理、計(jì)算選擇元器件參數(shù)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：</

8、b></p><p>　　1．整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　2．晶閘管電流、電壓額定參數(shù)選擇</p><p><b>　　3．觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)工作內(nèi)容及工作量的要求</p><p>　　1．根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求的指標(biāo)，通過查閱有關(guān)資料分析

9、其工作原理，確定各器件參數(shù)，設(shè)計(jì)電路原理圖。</p><p>　　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)。</p><p>　　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)載電流和電壓的波形圖。</p><p><b>　　3 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　3

10、.1 設(shè)計(jì)方案的選擇</p><p>　　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。 </p><p>　　單相半控橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡單、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

11、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，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 </p><p>　　單相全控橋式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在相同的負(fù)載下流過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，在中小功率場合采用更多的是單

12、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）。</p><p>　　3.2 整流電路設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3.2單相橋式全控整流電路（純電阻性負(fù)載）</p><p>　　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。</p><p><b>

13、;　　其工作原理如下：</b></p><p>　　1）在u2正半波的（0～α）區(qū)間，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓，但無觸發(fā)脈沖，晶閘管VT2、VT3承受反向電壓。因此在0～α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= Ut2、3=1/2*u2。</p><p>　　2）在u2正半波的（α～π）區(qū)間，在ωｔ＝α?xí)r刻，觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導(dǎo)通

14、。</p><p>　　3）在u2負(fù)半波的（π～π＋α）區(qū)間，在π～π＋α區(qū)間，晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，因無觸發(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。</p><p>　　4）在u2負(fù)半波的（π＋α～２π）區(qū)間，在ωｔ＝π＋α?xí)r刻，觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其元件導(dǎo)通，負(fù)載電流沿b→VT3→R→VT2→α→T的二次繞組→b流通，電源電壓沿正半周期的方向施加

15、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。</p><p>　　3.3 元器件的選擇</p><p>　　3.3.1 晶閘管</p><p>　　晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier--</p><p>　　SCR），開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄

16、新時(shí)代; 20世紀(jì)80年代以來，開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。</p><p><b>　　1）晶閘管的結(jié)構(gòu)</b></p><p>

17、;　　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。引出陽極A、陰極K和門極（或稱柵極）G三個(gè)聯(lián)接端。</p><p>　　2）晶閘管的工作原理圖</p><p>　　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），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

18、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。</p><p>　　圖3.3.1 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路</p><p>　　3）晶閘管的門極觸發(fā)條件</p><p>　?。?）: 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； </p><p>　　（2）：晶

19、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；</p><p>　?。?）：晶閘管一旦導(dǎo)通門極就失去控制作用；</p><p>　?。?）：要使晶閘管關(guān)斷，只能使其電流小到零一下。</p><p>　　晶閘管的驅(qū)動(dòng)過程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流ＩＧ的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于能過門極只能控制其開通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半

20、控型器件。</p><p>　　只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。</p><p>　　3.3.2 晶閘管電流、電壓額定值的選擇</p><p>　　晶閘管所能承受的最大正向電壓和反向電壓分別為。</p><p>　　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)熱問題，為此需要計(jì)算電流有效值。流過晶閘管的電流有效值為<

21、/p><p>　　變壓器二次電流有效值與輸出直流電流有效值I相等，為</p><p><b>　　I=</b></p><p><b>　　由上面兩式可得出：</b></p><p>　　不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量為。</p><p>　　4 單相橋式全控整流電路純

22、電阻性負(fù)載電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 單相橋式全控整流電路純電阻性負(fù)載工作原理</p><p>　　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</p><p>　　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</p><p>　　4.1.2 工作原理說明</p><p>　　晶閘管和組

23、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)電源電壓過零時(shí)，電流也降到零，V1和即關(guān)斷。</p><p>　　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)電壓過零，電流亦降至零，和關(guān)斷

24、。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。</p><p>　　4.2 基本參數(shù)計(jì)算</p><p>　　1）變壓器的變比k===2.2</p><p>　　2）整流電壓平均值： </p><p>　　Ud=0.9U2=22.5 V</p

25、><p>　　3） 輸出電流平均值： </p><p>　　Id===22.22A</p><p><b>　　4）負(fù)載電阻：</b></p><p>　　R===1.1025Ω</p><p>

26、;　　5） 晶閘管的電流平均值：</p><p><b>　　=11.11A</b></p><p>　　6） 流過晶閘管的電流有效值： </p><p><b>　　=28.36A</b></p><p>　　7） 晶閘管所承受的最大正向電壓=V=70.71V</p><p&g

27、t;　　最大反向電壓為=141.42V</p><p>　　8） 晶閘管的額定電壓：</p><p><b>　　～424.26V</b></p><p>　　9） 晶閘管的額定電流：</p><p>　　I=(1.5～2)=27.09～36.13A</p><p><b>　　4.3

28、建模</b></p><p>　　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：</p><p>　　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</p><p>　　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)

29、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°。</p><p><b>　　a.交流電源參數(shù)</b></p><p>　　圖4.3.1 交流電源Us的參數(shù)設(shè)定</p><p>　　hiliub.同步脈沖信號(hào)發(fā)生器

30、參數(shù)</p><p>　　圖4.3.2 VT1、VT4觸發(fā)脈沖的設(shè)置</p><p>　　圖4.3.3 VT2、VT3觸發(fā)脈沖的設(shè)置</p><p>　　見圖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。</p><p>　　

31、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?；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。</p><p><b>　　c.負(fù)載電阻的參數(shù)</b></p><p>　　圖4.3.4 純電阻性負(fù)載的設(shè)置</p><p><b>　　4.4 仿真結(jié)

32、果</b></p><p>　　圖4.4.1 示波器所示仿真結(jié)果</p><p>　　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；第五行：流過負(fù)載的電流；第六行U：負(fù)載兩端的電壓。</p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><

33、p>　　這是我第一次完成整個(gè)課程設(shè)計(jì)，通過這次的經(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。</p><p>　　經(jīng)過兩個(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

34、，卻有很大的收獲和一種成就感。</p><p>　　通過本次課程設(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)過程中，涉及了很多知識(shí)，知識(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。</p><p>　　在整個(gè)的程設(shè)計(jì)中，把遇到的疑問做了筆記，并

35、通過各種資料去了解相關(guān)的知識(shí)。也希望帶著這些疑問在學(xué)習(xí)中與其他同學(xué)討論或請教來解決。除此之進(jìn)行外通過邊做邊學(xué)習(xí)及向同學(xué)、老師請教，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)順利完成了任務(wù)范圍內(nèi)的工作。</p><p>　　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

36、們學(xué)到了很多在課堂上根本無法學(xué)到的知識(shí)，也打開了我們的視野，增長了見識(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)。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1].王兆安.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2009</p><p>　　[2].李傳琦.電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn).電子工業(yè)出版社.2005</p&

37、gt;<p>　　[3].洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.機(jī)械工業(yè)出版社.2006</p><p>　　[4].鐘炎平.電力電子電路設(shè)計(jì).華中科技大學(xué)出版社.2010</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　能夠順利完成這次的課程設(shè)計(jì)任務(wù)，首先要感謝*老師在上課時(shí)的詳細(xì)講解，尤其在第