電力電子課程設計報告

1、<p><b>　　1電路的設計</b></p><p>　　1.1電路總設計框圖</p><p>　　系統原理方框圖如1.1所示：</p><p>　　圖1.1系統原理方框圖

2、 </p><p>　　該電路主要由四部分構成，分別為電源，過電保護電路，整流電路和觸發(fā)電路構成。輸入的信號經變壓器變壓后通過過電保護電路，保證電路出現過載或短路故障時，不至于傷害到晶閘管和負載。在電路中還加了防雷擊的保護電路。然后將經變壓和保護后的信號輸入整流電路中。整流電路中的晶閘管在觸發(fā)信號的作用下動作，以發(fā)揮整流電路的整流作

3、用。 1.2主電路原理及說明 </p&

4、gt;<p>　　當整流電路帶電感性負載時，整流工作的物理過程和電壓、 電流波形都與帶電阻性負載時不同。因為電感對電流的變化有阻礙作用，即電感元件中的電流不能突變，當電流變化時電感要產生感應電動勢而阻礙其變化，所以，電路電流的變化總是滯后于電壓的變化，如圖2.2所示。</p><p>　　假設 ，負載電流連續(xù)，近似為一平直的直線。 </p&

5、gt;<p>　　(1) 輸出電壓平均值和輸出電流平均值</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　（1-2）</b></p><p>　?。?）晶閘管的電流有效值</p><p><b>　?。?-3）</b></p>

6、;<p>　?。?）輸出電流有效值I和變壓器二次電流有效值</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　?。?）晶閘管所承受的最大正向電壓和反向電壓均為</p><p>　　圖 2.2單相全控橋式整流電路電感性負載（a)及其波形(b）</p><p>　　(a)電路； (b) 電源電壓

7、； (c) 觸發(fā)脈沖； (d) 輸出電壓；(e) 輸出電流；</p><p>　　(f) 晶閘管VT-1 , VT-4上的電流； (g) 晶閘管VT-2 , VT-3上的電流；(h) 變壓器副邊電流； (i) 晶閘管VT-1 , VT-4上的電壓</p><p>　　2.3觸發(fā)電路原理及分析</p><p>　　晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調制觸發(fā)等。

8、觸發(fā)電路對其產生的觸發(fā)脈沖要求： </p><p>　?、儆|發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。</p><p>　?、谟|發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。</p><p>　?、塾|發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后,陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。</p><p>　?、苡|發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極

9、電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。</p><p>　　2.3.1單結晶體管觸發(fā)電路</p><p>　　由單結晶體管構成的觸發(fā)電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強、溫度補償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應用。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如圖 1.3所示。</p><p>　　圖1.3單結晶體管觸發(fā)電路圖&l

10、t;/p><p><b>　　其震蕩頻率為： </b></p><p><b>　　(1-5) </b></p><p>　　式中η=0.3～0.9是單結晶體管的分壓比。即調節(jié)Re，可調節(jié)振蕩頻率（其中R=R1=R2=R3=50O歐,Re=0 - 500 歐 ，L=1H,100uF）。</p><p>

11、;<b>　　2.3.2同步電源</b></p><p>　　同步電壓由變壓器TB獲得，而同步變壓器與主電路接至同一電源，故同步電壓于主電壓同相位、同頻率。同步電壓經橋式整流、穩(wěn)壓管DZ削波為梯形波UDZ,而削波后的最大值Uz既是同步信號,又是觸發(fā)電路電源.當UDZ過零時,電容C經e-b1、R1迅速放電到零電壓.這就是說,每半周開始,電容C都從零開始充電,進而保證每周期觸發(fā)電路送出第一個脈沖

12、距離過零的時刻(即控制角α)一致,實現同步.</p><p><b>　　2.3.3移相控制</b></p><p>　　當Re增大時，單結晶體管發(fā)射極充電到峰點電壓Up的時間增大，第一個脈沖出現的時刻推遲，即控制角α增大，實現了移相。</p><p><b>　　2.3.4脈沖輸出</b></p><

13、p>　　觸發(fā)脈沖Ug由R1直接取出，這種方法簡單、經濟，但觸發(fā)電路與主電路有直接的電聯系，不安全。對于晶閘管串聯接法的全控橋電路無法工作。所以一般采用脈沖變壓器輸出。</p><p>　　2.4保護電路原理及分析</p><p>　　在電力電子器件電路中，除了電力電子器件參數要選擇合適，驅動電路設計良好外，保護電路也是必不可少的。</p><p>　　2.4.

14、1主電路的過電流保護電路設計</p><p>　　電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流現象。過電流分載和短路兩種情況。一般電力電子均同時采用幾種過電壓保護措施，怪提高保護的可靠性和合理性。在選擇各種保護措施時應注意相互協調。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器只作為短路時的部分區(qū)斷的保護，直流快速斷路器在電子電力動作之后實現保護，過電流繼電器在過載時動作。</p><p

15、>　　在選擇快熔時應考慮：</p><p>　　1、電壓等級應根據快熔熔斷后實際承受的電壓來確定。</p><p>　　2、電流容量應按照其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定?？烊垡话闩c電力半導體體器件串聯連接，在小容量裝置中也可串接于閥側交流母線或直流母線中。</p><p>　　3、快熔的值應小于被保護器件的允許值。</p><p

16、>　　4、為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性。</p><p>　　快熔對器件的保護方式分為全保護和短保護兩種。全保護是指無論過載還是短路均由快熔進行保護，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕量較大的場合。短路保護方式是指快熔只要短路電流較大的區(qū)域內起保護作用，此方式需與其他過電流保護措施相配合。</p><p>　　熔斷器是最簡單的過電流保護元件，但最普通的熔斷

17、器由于熔斷特性不合適，很可能在晶閘管燒壞后熔斷器還沒有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過電流可及時熔斷起到保護作用。最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過快熔電流和晶閘管的電流相同，所以對元件的保護作用最好。</p><p>　　2.4.2電流上升率、電壓上升率的抑制保護</p><p>　　1.電流上升率di/dt的抑制</p><p>　　晶閘

18、管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以0.1mm/μs的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，若晶閘管開通時電流上升率di/dt過大，會導致PN結擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯入電感。如下圖1.4所示:</p><p>　　圖1.4串聯電感抑制回路</p><p>　　2.電壓上升率dv/dt的抑制<

19、;/p><p>　　加在晶閘管上的正向電壓上升率dv/dt也應有所限制,如果dv/dt過大，由于晶閘管結電容的存在而產生較大的位移電流，該電流可以實際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴重時引起晶閘管誤導通。為抑制dv/dt的作用，可以在晶閘管兩端并聯R-C阻容吸收回路。如圖1.5所示：</p><p>　　圖1.5并聯R-C阻容吸收回路</p><p>

20、　　2電路參數計算及器件的選取</p><p>　　2.1晶閘管的主要參數說明：</p><p><b>　　1、額定電壓</b></p><p>　　通常取和中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓應為正常工作峰值電壓的2～3倍，以保證電路的工作安全。</p><p>　　晶閘管的

21、額定電壓 :</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　?。汗ぷ麟娐分屑釉诠茏由系淖畲笏矔r電壓 </p><p>　　整流輸出電壓平均值：</p><p><b>　　(2-3)</b&

22、gt;</p><p><b>　　2、額定電流 </b></p><p>　　又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40°和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170°的電路中，結溫不超過額定結溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。</p><p

23、>　　：額定電流有效值，根據管子的換算出</p><p>　　、與 三者之間的關系：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p><b>　　(2-5)</b></p><p><b>　　3、 維持電流 </b></p><p&

24、gt;　　維持電流是指晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。維持電流與結溫有關，結溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關斷。</p><p><b>　　4、掣住電流 </b></p><p>　　晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉變?yōu)閷顟B(tài)并撤除門極觸發(fā)信號，此時要維持元件</p><p>　　導通所需的最小陽極電流稱為掣住電流。一般掣住電流

25、比維持電流大（2～4）倍。</p><p>　　5、通態(tài)平均管壓降 </p><p>　　指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導通的正弦波半個周期內陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.4～1.2V。 </p><p>　　6、斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt</p><p>　　在額定結溫和門極開路的情況下，不會導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的最大正

26、向電壓上升率，一般為每微秒幾十伏。</p><p>　　7、通態(tài)電流臨界上升率di/dt</p><p>　　在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。若晶閘管導通時電流上升太快，則會在晶閘管剛開通時，有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。</p><p><b>　　8、波形系數</b></p>

27、<p>　　有直流分量的電流波形，其有效值與平均值之比稱為該波形的波形系數，用表示：</p><p><b>　　(2-6) </b></p><p>　　額定狀態(tài)下， 晶閘管的電流波形系數</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p><b>　　2.2晶

28、閘管的選型</b></p><p>　　該電路負載若為，電流波形可看作連續(xù)且平直的。</p><p>　　時，不計控制角余量按計算；</p><p><b>　　由 得：</b></p><p>　　晶閘管承受的最大反向電壓為 ： </p><p><b>　　考慮2-3倍

29、裕量：</b></p><p>　　故晶閘管的額定電壓取400V。</p><p><b>　　晶閘管的選擇原則：</b></p><p>　　Ⅰ、所選晶閘管電流有效值大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。</p><p>　?、?、 選擇時考慮（1.5～2）倍的安全余量。即</p><

30、p>　　整流輸出平均電流為：</p><p>　　變壓器二次側電流有效值：</p><p>　　每個晶閘管的電流有效值為：</p><p><b>　　晶閘管額定電流：</b></p><p>　　考慮2倍裕量：取5A</p><p>　　而國產晶閘管的型號命名主要由四部分組成，各部分的含義

31、如表2-1 所示。</p><p>　　表2-1國產晶閘管型號命名組成表</p><p>　　第一部分用字母“K”表示主稱為晶閘管。   第二部分用字母表示晶閘管的類別。   第三部分用數字表示晶閘管的額定通態(tài)電流值。   第四部分用數字表示重復峰值電壓級數。</p><p&

32、gt;　　所以在本次設計中我選用4個KP5-4的晶閘管。</p><p><b>　　輸出功率</b></p><p><b>　　2.3變壓器的選取</b></p><p>　　根據參數計算可知:變壓器應選變比為，</p><p>　　不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量為</p>

33、<p><b>　　所以容量至少為。</b></p><p><b>　　3系統仿真</b></p><p>　　3.1 SIMULINK仿真工具簡介</p><p>　　SIMULINK是Mathworks公司開發(fā)的MATLAB仿真工具之一,其主要功能是實現動態(tài)系統建模﹑仿真與分析. SIMULINK支持線性

34、系統仿真和非線性系統仿真;可以進行連續(xù)系統仿真,也可以進行離散系統仿真,或者兩者混合的系統仿真;同時也支持具有多種采樣速率的采樣系統仿真.利用SIMULINK對系統進行仿真與分析,可以對系統進行適當的實時修正或者按照仿真的最佳效果來調試及確定控制系統的參數,以提高系統的性能,減少設計系統過程中反復修改時間,從而實現高效率地開發(fā)實際系統的目標.</p><p>　　SIMULINK最早出現在MATLAB4.0版的核

35、心執(zhí)行文件中.在MATLAB4.2版以后, SIMULINK則以MATLAB的工具包形式出現,需要單獨安裝.在MATLAB5.0版中, SIMULINK為2.0版,在MATLAB5.3版中, SIMULINK升級為3.0版,而在MATLAB6.1版中, SIMULINK則升級為4.1版.本書只對SIMULINK4.1版進行介紹.</p><p>　　SIMULINK4.1版是用來建模﹑分析和仿真各種動態(tài)系統的交互

36、環(huán)境,包括連續(xù)系統﹑離散系統和混雜系統. SIMULINK提供了采用鼠標拖動的方法建立系統框圖模型的圖形交互界面.</p><p>　　SIMULINK提供了大量的功能模塊以方便擁護快速地建立系統模型. 建模時只需要使用鼠標拖動庫中的功能模塊并將它們連接起來.使用者可以通過將模塊組成字子系統來建立多級模型. SIMULINK對模塊和連接的數目沒有限制. SIMULINK還支持Stateflow,用來仿真事件驅動過

37、程.</p><p>　　SIMULINK框圖提供了交互性很強的非線性仿真環(huán)境,可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真,或使用命令進行批處理.仿真結果可以在運行的同時通過示波器或圖形窗口顯示.</p><p>　　SIMULINK的開放式結構允許用戶擴展仿真環(huán)境的功能.如用MATLAB﹑FORTRAN和C代碼生成自定義塊庫,并擁有自己的圖標和界面,或者將用戶原來由FORTRAN或C語言編寫的代碼連接起來

38、.</p><p>　　由于SIMULINK可以直接利用MATLAB的數學﹑圖形和編程功能,用戶可以直接在SIMULINK下完成數據分析﹑優(yōu)化參數等工作.工具箱提供的高級的設計和分析能力可以通過SIMULINK的屏蔽手段在仿真過程中執(zhí)行. SIMULINK的模型庫可以通過專用元件集進一步擴展。</p><p>　　3.2仿真模型的建立與參數的設定</p><p>　

39、　3.2.1仿真模型的建立</p><p>　?。?）啟動MATLAB，進入SIMULINK后，點擊File/New/Model新建一個仿真平臺。這時我們可以在上一步Simulink環(huán)境中拉我們所需的元件到Model平臺中，具體做法是點擊左邊的器件分類，這里我們一般只用到Simulink跟SimPowerSystems兩個，分別在他們的下拉選項中找到我們所需的器件，用鼠標左鍵點擊所需的元件不放，然后直接拉到Mod

40、el平臺中。然后根據原理圖繪制單相橋式全控整流電路模型，如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 仿真模型圖</p><p>　　3.2.2設置各模塊參數</p><p>　　雙擊各模塊，在出現的對話框內設置模塊參數。</p><p><b>　?。?）電源參數設置</b></p><p>

41、;　　交流電源參數設置：電壓設置為，頻率設為50Hz，其它默認。如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 電源參數圖 </p><p><b>　　（2）示波器的設置</b></p><p>　　雙擊示波器，彈出示波器面板，在第一排控件欄中單擊第二個控件，彈出參數設置窗口，如圖3.4所示。</p><p>　　圖

42、3.4示波器的參數圖</p><p>　　只要在Number of axes 項中把1改成所需要增加的端子數字就可以，這里我們用到七個端子，我們把它改成7就可以了。在Time range中設置一個數值，也即顯示時間，所設置的時橫坐標，就是我們的的仿真時間。</p><p><b>　　（3）脈沖參數設置</b></p><p>　　圖3.3 第

43、一脈沖信號源參數圖</p><p>　　圖3.4第二脈沖信號源參數圖</p><p>　　如圖3.3所示，將振幅（amplitude）設為5。周期（Period）設為0.02秒。脈沖寬度（pulse width）設為2。相位延遲角（phase delay），即觸發(fā)角。它的設置在調試時需要修改，以實現在不同角度觸發(fā)時，觀測電路各變量的波形的變化。因為它是以秒為單位，故需把角度換算成秒。其計算

44、可按以下公式：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　例如觸發(fā)角α＝30度，周期T＝0.02，則t=0.0017，則此空中應填入0.0017。</p><p>　　第二個觸發(fā)器的設置只需觸發(fā)角比第一個大180度，即加上0.01，其它不變，如圖</p><p><b>　　3.4所示

45、。</b></p><p>　　(4)阻感負載參數設置</p><p>　　圖3.5 阻感負載參數圖</p><p>　　如圖3.5所示，設置電阻為，電感為，電容為。</p><p>　　（5）時間與算法參數設置</p><p>　　圖3.6 時間與算法參數圖</p><p>　　如

46、圖3.6所示，設置仿真的終止時間為0.1S，算法ode23tb，其它值默認。</p><p>　　3.3仿真波形與分析</p><p>　　3.3.1觀察仿真波形</p><p>　　在參數設置完畢后既可以開始仿真。點擊運行按鈕“”開始仿真。在屏幕下方的狀態(tài)欄上可以看到仿真的進程。若要中途停止仿真可以點擊“■”按鈕。在仿真完畢之后既可以通過雙擊示波器來觀察仿真的結果

47、。本例中我們設置仿真的終止時間為0.1S，算法ode23tb.通過仿真，我們給出幾個特殊角度的波形圖。</p><p>　　1.觸發(fā)角α=30度</p><p>　　觸發(fā)角α＝30度，周期T＝0.02，則t=0.0017，則在相位延遲角（phase delay）中應填入0.0017。第二個觸發(fā)器的設置只需觸發(fā)角比第一個大180度，即加上0.01，其它不變。波形如圖3.7所示。</p&

48、gt;<p>　　圖3.7觸發(fā)角α=30度的仿真波形圖</p><p>　　2.觸發(fā)角α=45度</p><p>　　觸發(fā)角α＝45度，周期T＝0.02，則t=0.0025，則在相位延遲角（phase delay）中應填入0.0025。第二個觸發(fā)器的設置只需觸發(fā)角比第一個大180度，即加上0.01，其它不變。波形如圖3.8所示。</p><p>　　圖

49、3.8觸發(fā)角α=45度的仿真波形圖</p><p>　　3.觸發(fā)角α=60度：</p><p>　　觸發(fā)角α＝60度，周期T＝0.02，則t=0.0034，則在相位延遲角中應填入0.0034。第二個觸發(fā)器的設置只需觸發(fā)角比第一個大180度，即加上0.01，其它不變。</p><p>　　圖3.9 觸發(fā)角α=60度的仿真波形圖</p><p>

50、　　3.3.2仿真結果分析</p><p><b>　　設計總結</b></p><p>　　通過單相全控橋式整流電路的設計，使我加深了對整流電路的理解，讓我對電力電子該課程產生了濃烈的興趣。</p><p>　　整流電路的設計方法多種多樣，且根據負載的不同，又可以設計出很多不同的電路。其中單相全控橋式整流電路其負載我們用的多的主要是電阻型、帶

51、大電感型，接反電動勢型。它們各自有自己的優(yōu)點。</p><p>　　對于一個電路的設計，首先應該對它的理論知識很了解，這樣才能設計出性能好的電路。整流電路中，開關器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關鍵的，開關器件和觸發(fā)電路選擇的好，對整流電路的性能指標影響很大。</p><p>　　在這次課程設計過程中，碰到的難題就是觸發(fā)電路的設計。因為觸發(fā)電路比較復雜，因此要選擇一個適合本課題的觸發(fā)電路就比

52、較難。后來經老師，還有同學的幫助，選擇了一個較好的觸發(fā)電路。</p><p>　　這次的課程設計是我收獲最大的一次，雖然中途遇到了不少困難，但還是被我逐步解決了。每次做課程設計我都感覺比較棘手，因為它不單是要求你單純地完成一個題目，而是要求你對所學的知識都要弄懂，并且能將其貫穿起來，是綜合性比較強的，盡管如此，我還是迎難而上了，首先把設計任務搞清，不能盲目地去做，你連任務都不清楚從何做起呢，接下來就是找相關資料，

53、我每天除了上圖書館就是在網上找資料，然后對資料進行整理，找資料說起來好像很簡單，但真正做起來是需要耐心的，不是你所找的就一定是有用的，所以這個過程中要花費一些時間做看似無用功的事，其實不盡然，這其中也拓展了你的知識面。</p><p>　　通過這次課程設計我對于文檔的編排格式有了一定的掌握，這對于以后的畢業(yè)設計及工作需要都有很大的幫助，在完成課程設計的同時我也在復習一遍電力電子這門課程，把以前一些沒弄懂的問題這次

54、弄明白了一部分，當然沒有全部。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在這次課程設計中，我們要感謝xx老師。xx老師親自為我們改進的觸發(fā)電路，給了我們很大幫助。我們如果沒有xx老師的指導，我們是不可能完成這個總圖的設計的。在仿真階段也遇到了不少問題，xx老師都細心的幫我們分析，找到問題的關鍵。除此之外，這次課程設計中，明顯感覺自己對一些基

55、礎知識也掌握得不牢固，以后要多向xx老師學習，善于思考問題。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　浣喜明、姚為正.電力電子技術. 北京：高等教育出版社，2004</p><p>　　黃俊.半導體變流技術.第二版.北京：機械工業(yè)出版社，1980</p><p>　　莫正康.半導體變流技術.

56、北京：機械工業(yè)出版社，1999</p><p>　　葉斌.電力電子應用技術及裝置.北京：中國鐵道出版社，1999</p><p>　　王維平.現代電力電子技術及其應用.南京.：東南大學出版社，2000</p><p>　　王兆安，黃俊.電力電子技術.第四版.北京：機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　附錄一 元器件清單</p&