電力電子課程設計

1、1 緒論所謂電力電子技術就是應用于電力領域的電子技術。電子技術包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。通常所說的模擬電子技術和數字電子技術都屬于信息電子技術。電力電子技術中所變換的“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，特指電力網的電力，前者則更一般一些。具體地說，電力電子技術就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。電力電子器件是電力電子技術發(fā)展的基礎。正是大功率晶閘管的發(fā)明，使得半導體變流技術從電子學中分離出來，發(fā)展成為電力電子技術這一專門的學科。電力電子技術是20世紀后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術，但它的的應用領域已經深入到國民經濟的各個部

2、門，包括鋼鐵、冶金、化工、電力、石油、汽車、運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，小到一瓦的手機充電器，電力電子技術隨處可見。 電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用中也有了長足的發(fā)展，電力電子裝置與傳統(tǒng)的機械式開關操作設備相比有動態(tài)響應快，控制方便，靈活的特點，能夠顯著地改善電力系統(tǒng)的特性，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定、降低運行風險、節(jié)約運行成本方面有很大潛力。有人預言，電力電子技術和運動控制一起，將和計算機技術共同成為未來科學技術的兩大支柱?？梢?，電力電子技術在21世紀中將會起著十分重要的作用，有著十分光明的未來。隨著科學技術的日益發(fā)展,人們對電路的要求也越來越高,由于在生產實際中需要大小

3、可調的直流電源,而相控整流電路結構簡單、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,得到了廣泛應用。在電能的生產和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網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、直流電動機等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機外，最普遍應用的是利用各種半導體元件產生直流電。這個方法中，整流是最基礎的一步。整流，即利用具有單向導電特性的器件，把方向和大小交變的電流變換為直流電，整流的基礎是整流電路。2 設計任務2.1設計目的1加深理解電力電子技術課程的基本理論。2掌握電力電子電路的一般設計方法，具備初步的獨

4、立設計能力。3學習MATLAB仿真軟件及各模塊參數的確定。2.2 設計內容和要求設計條件：1電源電壓：交流100V/50Hz 2輸出功率：500W 3觸發(fā)角=120 4純電阻負載根據課程設計題目和設計條件，說明主電路的工作原理、計算選擇元器件參數。設計內容包括：1整流變壓器額定參數的計算 2晶閘管電流、電壓額定參數選擇 3觸發(fā)電路的設計2.3 設計工作內容及工作量的要求1根據設計題目要求的指標，通過查閱有關資料分析其工作原理，確定各器件參數，設計電路原理圖。2利用MATLAB仿真軟件繪制主電路結構模型圖，設置相應的參數。3.仿真用示波器模塊觀察和記錄電源電壓、觸發(fā)信號、晶閘管電流和電壓，負載電

5、流和電壓的波形圖。3 設計內容3.1 設計方案的選擇單相全控橋式純電阻負載整流電路可分為單相橋式帶阻感負載相控整流電路和單相橋式帶阻感負載半控整流電路，它們所連接的負載性質不同就會有不同的特點。下面分析兩種單相橋式整流電路在帶電感性負載的工作情況。 單相半控橋式整流電路的優(yōu)點是：線路簡單、調整方便。弱點是：輸出電壓脈動沖大，負載電流脈沖大（電阻性負載時），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小，功率因數高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點。 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，在相同的負載下流過晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數提高了一半。 單相半波相控整流電路因其性能較差，實際中很少采用，在中小功率場合采用更多的是單相全控橋式整流電路。 根據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（負載為阻感性負載）。3.2 整流電路設計 圖3.2單相橋式全控整流電路（純電阻性負載）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個晶閘管都不導通。假如4個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，在時刻，觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導通。3）在u2負半波的（）區(qū)間，在區(qū)間，晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，因無觸發(fā)脈沖而處于關斷狀態(tài)，晶閘管VT1、VT4承受反向電壓也不導通。4）在u2負半波的（）區(qū)間，在時刻，觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其元件導通，負載電流沿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載電阻上，負載上有輸出電壓（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

8、辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代; 20世紀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，以被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調壓、直流變換等領域，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）晶閘管的結構晶閘管是大功率器件，工作時產生大量的熱，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三個聯(lián)接端。2）晶閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個結J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），

9、并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個電極。由于具有擴散工藝，具有三結四層結構的普通晶閘管可以等效成如圖3.3.1（右）所示的兩個晶閘管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。圖3.3.1 晶閘管的內部結構和等效電路3）晶閘管的門極觸發(fā)條件（1）: 晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通； （2）：晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導通；（3）：晶閘管一旦導通門極就失去控制作用；（4）：要使晶閘管關斷，只能使其電流小到零一下。晶閘管的驅動過程更多的是稱為觸發(fā)，產生注入門極的觸發(fā)電流的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于能過門

10、極只能控制其開通，不能控制其關斷，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通之后， ud=u2， ， 直至|u2|=E，id即降至0使得 晶閘管關斷，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、導線面積等定額，需要考慮發(fā)熱問題，為此需要計算電流有效值。流過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，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載電路設計4.1 單相橋式全控整流電路純電阻性負載工作原理

11、4.1.1 單相橋式全控整流電路純電阻性負載工作原理圖 圖4.1.1 單相橋式全控整流電路純電阻性負載工作原理圖4.1.2 工作原理說明晶閘管和組成一對橋臂，和組成另一對橋臂。當變壓器二次電壓U2為正半周時（a端為正，b端為負），相當于控制角a的瞬間給和以觸發(fā)脈沖，和即導通，這時電流從電源a端經、V4流回到電源b端。這期間V2和V3均承受反壓而截止。當電源電壓過零時，電流也降到零，V1和即關斷。在電源電壓的負半周期，仍在控制角為a處觸發(fā)晶閘管和，則和導通。電流從電源b端經、流回電源a端。到一周期結束時電壓過零，電流亦降至零，和關斷。在電源電壓的負半周期，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。以后又是和導通，如此循環(huán)工作下去。4.2 基本參數計算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）負載電阻：R=UdId=22.522.22=1.10255） 晶閘管的電流平均值：=11.11A6） 流過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Model，命名為untitled.mdl，同時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載電路圖在此電路中，輸入電壓的電壓設置為141.42V，頻率設置為50Hz，電阻阻值設置為1.1025歐姆，脈沖輸入的電壓設置為1V，周期設置為0.02（與輸入電壓一致周期），占空比設置為10%，觸發(fā)角設置為120,因為4個晶閘管在對應時刻不斷地周期性交替導通，關斷，所以脈沖出發(fā)周期應相差180。a.交流電源參數圖4.3.1 交流電源Us的參數設定hiliub.同步脈沖信號發(fā)生器參數圖4.3.2 VT1、VT4觸發(fā)脈沖的設置圖

14、4.3.3 VT2、VT3觸發(fā)脈沖的設置見圖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，延遲時間分別為0.0067s和0.0167s。按照關系式t=，控制角=120，周期T=0.02s，則第一個脈沖在t= 0.0067s時到來?；パa的兩套管在一個周期內各導通一次，所以第二個脈沖在t=0.01+t=0.0167s。c.負載電阻的參數圖4.3.4 純電阻性負載的設置4.4 仿真結果圖4.4.1 示波器所示仿真結果示波器顯示內容：第一行U：VT和VT的觸發(fā)脈沖；第二行U：二次側交流電壓值；第三行i:晶閘管電流；第四行：晶閘管電壓

15、；第五行：流過負載的電流；第六行U：負載兩端的電壓。5 總結這是我第一次完成整個課程設計，通過這次的經歷我加深了對電力電子技術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計方法， 也學習MATLAB仿真軟件及各模塊參數的確定。由于理論知識的缺乏，以及對課程設計的不熟悉，課程設計還有很多不足之處，在以后的課程設計中，希望能有所改善。經過兩個星期的努力，我們終于完成了單相橋式全控整流電路設計課程設計?；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。通過本次課程設計，我加深了對單相橋式全控整流電路的理解，所學的理論知識很好的運用到了實際工程中。在具體的設計過程中，涉及了很多知識，知

16、識的掌握深度和系統(tǒng)程度都關系到整個設計的完整性和完善性，因此本次設計不但是我對所學的知識系統(tǒng)化，也鍛煉了我查找資料、分析信息、選擇判斷的能力。在整個的程設計中，把遇到的疑問做了筆記，并通過各種資料去了解相關的知識。也希望帶著這些疑問在學習中與其他同學討論或請教來解決。除此之進行外通過邊做邊學習及向同學、老師請教，在規(guī)定時間內順利完成了任務范圍內的工作。本次課程設計培養(yǎng)了我們自學的能力，以及實踐能力和細心嚴謹的作風。此外，還學會了如何更好的去陳述自己的觀點，如何說服別人認同自己的觀點，相信這些寶貴的經驗將會成為我今后成功的基石。課程設計是每個大學生必須擁有的一段經歷，它讓我們學到了很多在課堂上根本無法學到的知識，也打開了我們的視野，增長了見識，為我們以后更好的服務社會打下了堅實的基礎。參 考 文 獻1.王兆安.電力電子技術.機械工業(yè)出版社.20092.李