单相桥式整流电路纯电阻负载课程设计.pdf

中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 1 页 共 13 页 1引言 电力电子技术又称为功率电子技术，他是用于电能变换和功率控制的电子 技术。电力电子技术是弱电控制强电的方法和手段，是当代高新技术发展的重 要内容，也是支持电力系统技术革命发展的重要基础，并节能降耗、增产节约 提高生产效能的重要技术手段。微电子技术、计算机技术以及大功率电力电子 技术的快速发展，极大地推动了电工技术、电气工程和电力系统的技术发展和 进步。 电力电子器件是电力电子技术发展的基础。正是大功率晶闸管的发明，使 得半导体变流技术从电子学中分离出来，发展成为电力电子技术这一专门的学 科。而二十世纪九十年代各种全控型大功率半导体器件的发明，进一步拓展了 电力电子技术应用和覆盖的领域和范围。电力电子技术的应用领域已经深入到 国民经济的各个部门，包括钢铁、冶金、化工、电力、石油、汽车、运输以及 人们的日常生活。功率范围大到几千兆瓦的高压直流输电，小到一瓦的手机充 电器，电力电子技术随处可见。电力电子技术在电力系统中的应用中也有了长 足的发展，电力电子装置与传统的机械式开关操作设备相比有动态响应快，控 制方便，灵活的特点，能够显著地改善电力系统的特性，在提高系统稳定、降 低运行风险、节约运行成本方面有很大潜力。 随着科学技术的日益发展 , 人们对电路的要求也越来越高, 由于在生产实际 中需要大小可调的直流电源, 而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定, 利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能, 是目前获得直流电能的主 要方法 , 得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力 网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动 机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利 用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即 利用具有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电，整流 的基础是整流电路。 本文以单相桥式全控整流电路电阻性负载为研究对象，介绍了单相桥式全 中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 2 页 共 13 页 控整流电路的工作原理，并对MATLAB SIMULINK模块中电力电子仿真所需要的 电力系统模块做了简要的说明，介绍了单相桥式全控整流电路的主要环节及工 作原理，并且分析了触发角为30°的情况，在此基础上运用MATLAB 软件分别 对电路的仿真进行了设计，实现了对单相桥式全控整流电路的仿真，并对仿真 结果进行分析。 2 单相桥式全控整流电路纯电阻负载 2.1 理论设计 2.1.1 电路分析与工作原理 单相桥式全控整流电路带电阻负载电路如图（1）： u1 T u2 udR id a b VT1 VT3 VT2VT4 i2 图（1） 1）闸管 VT1和 VT4组成一对桥臂， VT2和 VT3组成另一对桥臂。 2）在 U2正半周（即 a 点电位高于 b 点电位） 若 4 个晶闸管均不导通， id=0,ud=0,VT1 、VT4串联承受电压 U2 。 在触发角处给 VT1和 VT4加触发脉冲， VT1和 VT4即导通，电流从电源a 端经 VT1 、R 、VT4流回电源 b 端。 3）当 U2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和 VT4关断。 4）在 U2负半周，仍在触发角处触发 VT2和 VT3 ，VT2和 VT3导通，电流从 电源 b 端流出，经 VT3 、R、VT2流回电源 a 端。 中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 3 页 共 13 页 5）到 U2过零时，电流又降为零， VT2和 VT3关断。 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形如图（2）所示： u (i ) t t t0 0 0 i 2 u d i d b) c) d) dd u VT 1,4 图（2） 2.1.2 参数计算 1）晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为和。 2）整流电压平均值为： =0时，Ud= Ud0=0.9U2 。=180 时，Ud=0 。可见， 角的移相范围为 180 。 3）向负载输出的直流电流平均值为： 4）流过晶闸管的电流平均值： 5）为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热等问题，为此 需计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值： 2 2 2 U 2 2U 2 cos1 9 .0 2 cos122 )(dsin2 1 2 2 2 U U ttUU d 2 cos1 9 .0 2 cos122 22 R U R U R U I d d 2 cos1 45.0 2 1 2 R U II ddT 中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 4 页 共 13 页 2sin 2 1 2 )(d)sin 2 ( 2 1 222 R U tt R U I T 变压器二次电流有效值I2与输出直流电流有效值I 相等，为： 2sin 2 1 )()sin 2 ( 1 222 2 R U tdt R U II 由上两式可见 II T 2 1 不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U 2I2 2.1.3 晶闸管选型 该电路为纯电阻负载。 U2=100V时，不计控制角余量按=30°计算 1）由 Ud=0.84U2 得 Ud=83.97V 2）由 P=500W 得 Id=5.95V 所以 R=14.11 3）U1=220V ，U2=100V 变压器变比 K=2.2 4）晶闸管承受的最大正向电压为=70.7V, 最大反向电压为 =141.4V，考虑安全余量，则晶闸管额定电压UN=（23）=283424V 2 2U ）所选晶闸管电流有效值ITn大于元件在电路中可能流过的最大电流有 效值。 ）选择是考虑（ 1.52）倍的安全余量。即 ITn=1.57IT（AV）=（1.52）ITM IT（AV ）（1.52）ITM1.57 5）当 =30°时晶闸管流过最大电流有效值IVT=4.94A，则晶闸管额定电 流 IT=4.941.57=3.15A，则 ID=（1.52）IT =4.7256.3A。 2sin 2 1 2 )(d)sin 2 ( 2 1 222 R U tt R U I T 2 2 2 U 中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 5 页 共 13 页 6）晶闸管 VT1 和 VT4 触发角 脉冲延迟时间 t=T360°=0.0017s VT2 和 VT3 触发角 脉冲延迟时间 t=（+180°）T360°=0.0117s 7）变压器二次侧电流有效值I2=6.984A ,则 S=U2I2=698.4VA 3 仿真实验 利用 MATLAB 仿真软件对单相桥式全控整流电路和控制电路进行建模并仿真。 3.1 单相桥式全控整流电路带电阻性负载MATLAB 建模 单相桥式全控整流电路电阻性负载仿真电路图如图（3）所示： 图（3） 在此电路中，输入电压的电压设置为100V，频率设置为 50Hz，电阻阻值设 置为 14.11 欧姆, 脉冲输入的电压设置为1V，周期设置为 0.02 （与输入电压一 致周期） ，占空比设置为 10% ，触发角设置为30°因为 4 个晶闸管在对应时刻不 中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 6 页 共 13 页 断地周期性交替导通，关断，所以脉冲出发周期应相差180°。 a. 交流电源参数 图（ 4）交流电源Us的参数设定 b. 同步脉冲信号发生器参数 中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 7 页 共 13 页 图 （5） VT1、 VT4触发脉冲的设置 图（ 6） VT2 、VT3触发脉冲的设置 幅值均为 1V，即大于晶闸管的门槛0.8V，周期为 0.02s ，也就是 50Hz，脉 宽均为 10，延迟时间分别为0.0017s 和 0.0117s 。 中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 8 页 共 13 页 按照关系式 t=，控制角=30 ，周期 T=0.02s，则第一个脉冲在 t o 360 T o 1 = 0.0017s时到来。互补的两套管在一个周期内各导通一次，所以第二个脉冲 在 t=0.01+t=0.0117s。 21 C电阻的参数设置 图（ 7）电阻 R的设置 3.2 仿真与分析 当触发角 =30°时，电源电压、 VT1和 VT4上的脉冲信号、 VT2和 VT3上 的脉冲信号、 VT4两端的电压、 VT4两端的电流、输出的平均电压Ud 、输出电 流 Id 、VT3两端的电压、 VT2两端的电流的波形图分别如图（4）所示： 中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 9 页 共 13 页 图（ 4） 4 触发电路 晶闸管可控整流电路是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲起始相 位来控制输出电压大小的，属于相控电路。为保证相控电路正常工作，很重要 的是应保证按触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发 脉冲。由于相控电路一般都使用晶闸管器件，因此，习惯上也将实现对相控电 路相位控制的电路总称为触发电路。 中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 10 页 共 13 页 触发电路可分为三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲 移相、同步环节。电路输出为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路）。 触发电路对其产生的触发脉冲要求： 1）触发脉冲应有一定的宽度。 当 （ 为停止导电角）触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可 能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当t= 时刻有晶闸管开始承受正向电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角 被推迟为 。 2）在锯齿波同步的触发电路中，触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波 的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。 3）触发电路的定相 向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是 固定不变的，而是会在允许范围内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作 频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管触发脉冲与施加晶 闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，即触发电路的定相。 5结论 这次电力电子技术课程设计，我完成的是单相桥式全控整流电路纯电阻性 负载。通过实际仿真操作，我明白了很多关于电力电子仿真技术方面的知识， 尤其是在课本中没有完全介绍的有关matlab 的软件知识。要完成这次课程设计， 关靠书本知识是远远不够的，所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也 通过网络查到了很多相关的知识，为这次课程设计做了很多帮助。 对于课程设计的内容，首先要做的应是对设计内容的理论理解，在理论充 分理解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。整流电路 中，基本元件的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路 的性能指标影响很大。在这次课程设计过程中，碰到的难题就是对相关参数的 计算，因为在学习中没能很好的系统的总结相关知识。在整个课程设计中贯穿 中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 11 页 共 13 页 的计算过程没能很好的把握。在今后的学习中要认真总结经验，对电力电子课 程进行补充，为以后深入的学习专业知识做铺垫。 通过这次对单相桥式全控整流电路纯电阻负载的设计，使我加深了对整流 电路的理解。在本次课程设计过程中，我遇到最大的问题就是对电路的仿真。 由于之前没有接触过任何有关MATLAB 软件的知识，在具体仿真过程中遇到了不 少问题，但通过阅读相关知识都一一解决了。 整个课程设计过程中，由于对理论知识掌握的不深刻，以及对课程设计的 不熟悉，课程设计中还有许多不足之处，在以后的课程设计中，我会努力完善。 中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 12 页 共 13 页 参考文献 1. 王兆安 . 电力电子技术 . 机械工业出版社 .2009 2. 李传琦 . 电力电子技术计算机仿真实验. 电子工业出版社 .2005 3. 洪乃刚 . 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB 仿真. 机械工业出版社 . 2006 4. 钟炎平 . 电力电子电路设计 . 华中科技大学出版社 .2010 中 北 大 学 电 子 技 术 课 程 设 计 第 13 页 共 13 页 致谢 能够顺利完成这次的课程设计任务，首先要感谢老师在上课时的细致讲解， 尤其在整流电路重点讲得非常认真到位，这对我作设计电路时起了基础性的作 用，也是至关重要的作用。其次要感谢学校提供给我们这次独立完成课程设计 的机会，感谢帮助我们完成课程设计任务的老师，再次感谢在这次课程设计中 所有帮助过我的老师、同学，谢谢你们！