电力电子课程设计

1 绪论所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。

电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。

通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。

电力电子技术中所变换的“电力”和“电力系统”所指的“电力”是有区别的。

两者都指“电能”，但后者更具体，特指电力网的电力，前者则更一般一些。

具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

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。

电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，但它的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。

有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。

可见，电力电子技术在21世纪中将会起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。

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1 / 15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。

2 设计任务2.1设计目的1．加深理解《电力电子技术》课程的基本理论。

2．掌握电力电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力。

3．学习MATLAB仿真软件及各模块参数的确定。

2.2 设计内容和要求设计条件：1．电源电压：交流100V/50Hz2．输出功率：500W3．触发角α=120°4．纯电阻负载根据课程设计题目和设计条件，说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。

设计内容包括：1．整流变压器额定参数的计算2．晶闸管电流、电压额定参数选择3．触发电路的设计2.3 设计工作内容及工作量的要求1．根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定各器件参数，设计电路原理图。

2．利用MATLAB仿真软件绘制主电路结构模型图，设置相应的参数。

2 / 153.仿真用示波器模块观察和记录电源电压、触发信号、晶闸管电流和电压，负载电流和电压的波形图。

3设计内容3.1 设计方案的选择单相全控桥式纯电阻负载整流电路可分为单相桥式带阻感负载相控整流电路和单相桥式带阻感负载半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。

下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。

单相半控桥式整流电路的优点是：线路简单、调整方便。

弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。

而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。

单相全控桥式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。

单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。

根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。

3.2 整流电路设计idR图3.2单相桥式全控整流电路（纯电阻性负载）3 / 15单相桥式全控整流电路是由交流电源、整流变压器、晶闸管、负载以及触发电路组成。

其工作原理如下：1）在u2正半波的（0～α）区间，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，但无触发脉冲，晶闸管VT2、VT3承受反向电压。

因此在0～α区间，4个晶闸管都不导通。

假如4个晶闸管的漏电阻相等，则Ut1、4= Ut2、3=1/2*u2。

2）在u2正半波的（α～π）区间，在ωｔ＝α时刻，触发晶闸管VT1、VT4使其导通。

3）在u2负半波的（π～π＋α）区间，在π～π＋α区间，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，因无触发脉冲而处于关断状态，晶闸管VT1、VT4承受反向电压也不导通。

4）在u2负半波的（π＋α～２π）区间，在ωｔ＝π＋α时刻，触发晶闸管VT2、VT3使其元件导通，负载电流沿b→VT3→R→VT2→α→T的二次绕组→b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压（ud=-u2）和电流，且波形相位相同。

3.3 元器件的选择3.3.1 晶闸管晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-- SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。

能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。

晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管。

广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。

1）晶闸管的结构4 / 15晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。

引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。

2）晶闸管的工作原理图晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极。

由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图3.3.1（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。

图3.3.1 晶闸管的内部结构和等效电路3）晶闸管的门极触发条件（1）: 晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；（2）：晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；（3）：晶闸管一旦导通门极就失去控制作用；（4）：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下。

晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流ＩＧ的电路称为门极触发电路。

也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

5 / 156 / 153.3.2 晶闸管电流、电压额定值的选择晶闸管所能承受的最大正向电压和反向电压分别为22222U U 和。

为选择晶闸管、变压器容量、导线面积等定额，需要考虑发热问题，为此需要计算电流有效值。

流过晶闸管的电流有效值为()παπαπωωπβα-sin2212t d t sin R 221vt 222+==⎰R U U I ）（ 变压器二次电流有效值2I 与输出直流电流有效值I 相等，为I=()παπαπωωππ-sin221t d t sin 2120222+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎰R UR U I 由上面两式可得出：I I VT 21=不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为22I U S =。

4 单相桥式全控整流电路纯电阻性负载电路设计4.1 单相桥式全控整流电路纯电阻性负载工作原理 4.1.1 单相桥式全控整流电路纯电阻性负载工作原理图Rid图4.1.1 单相桥式全控整流电路纯电阻性负载工作原理图7 / 154.1.2 工作原理说明晶闸管1V 和4V 组成一对桥臂，2V 和3V 组成另一对桥臂。

当变压器二次电压U 2为正半周时（a 端为正，b 端为负），相当于控制角a 的瞬间给1V 和4V 以触发脉冲，1V 和4V 即导通，这时电流从电源a 端经1V 、R 、V 4流回到电源b 端。

这期间V 2和V 3均承受反压而截止。

当电源电压过零时，电流也降到零，V 1和4V 即关断。

在电源电压的负半周期，仍在控制角为a 处触发晶闸管2V 和3V ，则2V 和3V 导通。

电流从电源b 端经3V 、R 、2V 流回电源a 端。

到一周期结束时电压过零，电流亦降至零，2V 和3V 关断。

在电源电压的负半周期，1V 和4V 均承受反向电压而截止。

很显然上述两组触发脉冲在相位上相差180°。

以后又是1V 和4V 导通，如此循环工作下去。

4.2 基本参数计算1）变压器的变比k=U1U2=220v100v =2.2 2）整流电压平均值： U d =0.9U 21+cos α2=22.5 V3） 输出电流平均值： I d =PUd =50022.5=22.22A 4）负载电阻： R=Ud Id =22.522.22=1.1025Ω 5） 晶闸管的电流平均值：2cos 145.0212d α+==R U I I d VT =11.11A 6） 流过晶闸管的电流有效值：8 / 15παπαπ-sin2212vt 2+=RU I =28.36A 7） 晶闸管所承受的最大正向电压222U =10022⨯V=70.71V 最大反向电压为22U =141.42V 8） 晶闸管的额定电压：V V U U N 84.2820012)3~2(2)3~2(2=⨯⨯==～424.26V 9） 晶闸管的额定电流： I N =(1.5～2)Ivt1.57=27.09～36.13A 4.3建模在MATLAB 新建一个Model ，命名为untitled.mdl ，同时模型建立如下图所示：图4.3.1 在matlab 中建立的单相桥式全控整流电路电阻性负载电路图在此电路中，输入电压的电压设置为141.42V ，频率设置为50Hz ，电阻阻值设置为1.1025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120°,因为4个晶闸管在对应时刻不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4.3.1 交流电源Us的参数设定b.同步脉冲信号发生器参数图4.3.2 VT1、VT4触发脉冲的设置9 / 1510 / 15图4.3.3 VT2、VT3触发脉冲的设置见图4.3.2和图4.3.3，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0.0067s 和0.0167s 。