單相橋式整流電路純電阻負(fù)載課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　電力電子技術(shù)又稱為功率電子技術(shù)，他是用于電能變換和功率控制的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的方法和手段，是當(dāng)代高新技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容，也是支持電力系統(tǒng)技術(shù)革命發(fā)展的重要基礎(chǔ)，并節(jié)能降耗、增產(chǎn)節(jié)約提高生產(chǎn)效能的重要技術(shù)手段。微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及大功率電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，極大地推動(dòng)了電工技術(shù)、電氣工程和電力系

2、統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步。 </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(lái)，發(fā)展成為電力電子技術(shù)這一專門的學(xué)科。而二十世紀(jì)九十年代各種全控型大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)明，進(jìn)一步拓展了電力電子技術(shù)應(yīng)用和覆蓋的領(lǐng)域和范圍。電力電子技術(shù)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

3、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。</p><p>　　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)際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

4、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?，把方向和大小交變的電流變換為直流電，整流的基

5、礎(chǔ)是整流電路。 </p><p>　　本文以單相橋式全控整流電路電阻性負(fù)載為研究對(duì)象，介紹了單相橋式全控整流電路的工作原理，并對(duì)MATLAB／SIMULINK模塊中電力電子仿真所需要的電力系統(tǒng)模塊做了簡(jiǎn)要的說(shuō)明，介紹了單相橋式全控整流電路的主要環(huán)節(jié)及工作原理，并且分析了觸發(fā)角為30°的情況，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用MATLAB軟件分別對(duì)電路的仿真進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單相橋式全控整流電路的仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析

6、。</p><p>　　2 單相橋式全控整流電路純電阻負(fù)載</p><p><b>　　2.1 理論設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1.1 電路分析與工作原理</p><p>　　單相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載電路如圖（1）： </p><p><b>　　圖（1） </

7、b></p><p>　　1）閘管VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂。</p><p>　　2）在U2正半周（即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位） </p><p>　　若4個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，id=0,ud=0,VT1、VT4串聯(lián)承受電壓U2。</p><p>　　在觸發(fā)角處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1和VT4即導(dǎo)通，電

8、流從電源a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端。 </p><p>　　3）當(dāng)U2過(guò)零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關(guān)斷。 </p><p>　　4）在U2負(fù)半周，仍在觸發(fā)角處觸發(fā)VT2和VT3，VT2和VT3導(dǎo)通，電流從電源b端流出，經(jīng)VT3、R、VT2流回電源a端。 </p><p>　　5）到U2過(guò)零時(shí)，電流又降為零，VT2和VT3關(guān)斷。 <

9、/p><p>　　單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形如圖（2）所示：</p><p><b>　　圖（2）</b></p><p>　　2.1.2 參數(shù)計(jì)算</p><p>　　1）晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為 和 。</p><p>　　2）整流電壓平均值為：&l

10、t;/p><p>　　α=0時(shí)，Ud= Ud0=0.9U2。α=180時(shí)，Ud=0?？梢?jiàn)，α角的移相范圍為180。</p><p>　　3）向負(fù)載輸出的直流電流平均值為：</p><p>　　4）流過(guò)晶閘管的電流平均值 ：</p><p>　　5）為選擇晶閘管、變壓器容量、導(dǎo)線截面積等定額，需考慮發(fā)熱等問(wèn)題，為此需計(jì)算電流有效值。流過(guò)晶閘管的電流

11、有效值：</p><p>　　變壓器二次電流有效值I2與輸出直流電流有效值I相等，為：</p><p><b>　　由上兩式可見(jiàn)</b></p><p>　　不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量為S=U2I2</p><p>　　2.1.3 晶閘管選型</p><p>　　該電路為純電阻負(fù)載。&

12、lt;/p><p>　　U2=100V時(shí)，不計(jì)控制角余量按α=30°計(jì)算</p><p>　　1）由 Ud=0.84U2 得 Ud=83.97V</p><p>　　2）由 P=500W 得 Id=5.95V</p><p>　　所以R=14.11Ω</p><p>　　3）U1=220V，U2=100V

13、</p><p>　　變壓器變比K=2.2</p><p>　　4）晶閘管承受的最大正向電壓為 =70.7V,最大反向電壓為=141.4V，考慮安全余量，則晶閘管額定電壓UN=（2~3）=283~424V</p><p>　?、。┧x晶閘管電流有效值ITn大于元件在電路中可能流過(guò)的最大電流有效值。</p><p>　?、ⅲ┻x擇是考慮

14、（1.5~2）倍的安全余量。即</p><p>　　ITn=1.57IT（AV）=（1.5~2）ITM</p><p>　　IT（AV）≥（1.5~2）ITM／1.57</p><p>　　5）當(dāng)α=30°時(shí)晶閘管流過(guò)最大電流有效值IVT=4.94A，則晶閘管額定電流</p><p>　　IT=4.94／1.57=3.15A，則ID

15、=（1.5~2）IT =4.725~6.3A。</p><p>　　6）晶閘管VT1和VT4觸發(fā)角α脈沖延遲時(shí)間t=αT／360°=0.0017s</p><p>　　VT2和VT3觸發(fā)角α脈沖延遲時(shí)間t=（α+180°）T／360°=0.0117s</p><p>　　7）變壓器二次側(cè)電流有效值I2=6.984A ,則S=U2I2=6

16、98.4VA</p><p><b>　　3 仿真實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　利用MATLAB仿真軟件對(duì)單相橋式全控整流電路和控制電路進(jìn)行建模并仿真。</p><p>　　3.1 單相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載MATLAB建模</p><p>　　單相橋式全控整流電路電阻性負(fù)載仿真電路圖如圖（3）所示：<

17、/p><p><b>　　圖（3）</b></p><p>　　在此電路中，輸入電壓的電壓設(shè)置為100V，頻率設(shè)置為50Hz，電阻阻值設(shè)置為14.11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30°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°。<

18、/p><p><b>　　a.交流電源參數(shù)</b></p><p>　　圖（4）交流電源Us的參數(shù)設(shè)定</p><p>　　hiliub.同步脈沖信號(hào)發(fā)生器參數(shù)</p><p>　　圖 （5） VT1、VT4觸發(fā)脈沖的設(shè)置</p><p>　　圖（6）VT2、VT3觸發(fā)脈沖的設(shè)置</p>

19、<p>　　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0.0017s和0.0117s。</p><p>　　按照關(guān)系式t=，控制角=30，周期T=0.02s，則第一個(gè)脈沖在t= 0.0017s時(shí)到來(lái)。互補(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=0.0117s。</p><p><b&g

20、t;　　C電阻的參數(shù)設(shè)置</b></p><p>　　圖（7）電阻R的設(shè)置</p><p><b>　　3.2 仿真與分析</b></p><p>　　當(dāng)觸發(fā)角α=30°時(shí)，電源電壓、VT1和VT4上的脈沖信號(hào)、VT2和VT3上的脈沖信號(hào)、VT4兩端的電壓、VT4兩端的電流、輸出的平均電壓Ud、輸出電流Id、VT3兩端的電

21、壓、VT2兩端的電流的波形圖分別如圖（4）所示：</p><p><b>　　圖（4）</b></p><p><b>　　4 觸發(fā)電路</b></p><p>　　晶閘管可控整流電路是通過(guò)控制觸發(fā)角的大小，即控制觸發(fā)脈沖起始相位來(lái)控制輸出電壓大小的，屬于相控電路。為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角的大小在

22、正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。由于相控電路一般都使用晶閘管器件，因此，習(xí)慣上也將實(shí)現(xiàn)對(duì)相控電路相位控制的電路總稱為觸發(fā)電路。</p><p>　　觸發(fā)電路可分為三個(gè)基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。電路輸出為雙窄脈沖（適用于有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的電路）。</p><p>　　觸發(fā)電路對(duì)其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求：</p><p>

23、;　　1）觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度。</p><p>　　當(dāng)α＜δ（δ為停止導(dǎo)電角）觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。為了使晶閘管可靠導(dǎo)通，要求觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)ωt=δ時(shí)刻有晶閘管開(kāi)始承受正向電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為δ。</p><p>　　2）在鋸齒波同步的觸發(fā)電路中，觸發(fā)電路與主電路的同步是指要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位

24、關(guān)系確定。</p><p><b>　　3）觸發(fā)電路的定相</b></p><p>　　向晶閘管整流電路供電的交流側(cè)電源通常來(lái)自電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓的頻率不是固定不變的，而是會(huì)在允許范圍內(nèi)有一定的波動(dòng)。觸發(fā)電路除了應(yīng)當(dāng)保證工作頻率與主電路交流電源的頻率一致外，還應(yīng)保證每個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖與施加晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關(guān)系，即觸發(fā)電路的定相。</p>

25、<p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　這次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我完成的是單相橋式全控整流電路純電阻性負(fù)載。通過(guò)實(shí)際仿真操作，我明白了很多關(guān)于電力電子仿真技術(shù)方面的知識(shí)，尤其是在課本中沒(méi)有完全介紹的有關(guān)matlab的軟件知識(shí)。要完成這次課程設(shè)計(jì)，關(guān)靠書(shū)本知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以我查閱了很多關(guān)于電力電子的書(shū)籍，并且也通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查到了很多相關(guān)的知識(shí)，為這次課程設(shè)計(jì)做了很多幫

26、助。</p><p>　　對(duì)于課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，首先要做的應(yīng)是對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容的理論理解，在理論充分理解的基礎(chǔ)上，才能做好課程設(shè)計(jì)，才能設(shè)計(jì)出性能良好的電路。整流電路中，基本元件的選擇是最關(guān)鍵的，開(kāi)關(guān)器件和觸發(fā)電路選擇的好，對(duì)整流電路的性能指標(biāo)影響很大。在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，碰到的難題就是對(duì)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)中沒(méi)能很好的系統(tǒng)的總結(jié)相關(guān)知識(shí)。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中貫穿的計(jì)算過(guò)程沒(méi)能很好的把握。在今后的學(xué)習(xí)中要認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)

27、，對(duì)電力電子課程進(jìn)行補(bǔ)充，為以后深入的學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)做鋪墊。</p><p>　　通過(guò)這次對(duì)單相橋式全控整流電路純電阻負(fù)載的設(shè)計(jì)，使我加深了對(duì)整流電路的理解。在本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我遇到最大的問(wèn)題就是對(duì)電路的仿真。由于之前沒(méi)有接觸過(guò)任何有關(guān)MATLAB軟件的知識(shí)，在具體仿真過(guò)程中遇到了不少問(wèn)題，但通過(guò)閱讀相關(guān)知識(shí)都一一解決了。</p><p>　　整個(gè)課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于對(duì)理論知識(shí)掌握的不深

28、刻，以及對(duì)課程設(shè)計(jì)的不熟悉，課程設(shè)計(jì)中還有許多不足之處，在以后的課程設(shè)計(jì)中，我會(huì)努力完善。</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><p>　

29、　[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)的細(xì)致講解，尤其在整流電路重點(diǎn)講得非常認(rèn)真到位，這對(duì)