电力电子课程设计.docx

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电力电子课程设计

电力电子技术课程设计说明书

单相桥式整流电路设计

院、部：

电气与信息工程学院

学生姓名：

XXXXXX

指导教师：

XXXXXX

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气本

完成时间：

《电力电子技术》课程设计任务书

1、课程设计的目的

通过课程设计达到以下目的

1、加强和巩固所学的知识，加深对理论知识的理解；

2、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料；

3、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；

4、培养学生综合运用知识的能力和工程设计能力；

5、培养学生运用仿真软件的能力和方法；

6、培养学生科技写作水平。

2、课程设计的主要内容

1、关于本课程学习情况简述

2、主电路的设计、原理分析和器件的选择；

3、控制电路的设计；

4、保护电路的设计；

5、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。

三、课程设计的要求

1、通过查阅资料，确定自己的设计方案；

2、按学号尾数定课题，即课题一的学号尾数为1，以此类推。

自拟参数不能雷同；

3、要求最后图纸是标准的CAD图；

4、课程设计在第18周五前交上来。

4、课题

1、课题一：

单相桥式可控整流电路的设计

已知单相交流输入交流电压220V，负载自拟，要求整流电压在0~100V连续可调，其它性能指标自定。

2、课题二：

三相半波可控整流电路的设计

已知三相交流输入线电压380V，要求整流电压在0~100V连续可调，负载自拟，其它性能指标自定。

3、课题三：

三相桥式可控整流电路的设计

已知三相交流输入线电压380V，要求整流电压在0~100V连续可调，负载自拟，其它性能指标自定。

4、课题四：

直流降压斩波电路的设计

已知直流输入电压200V，负载自拟，要求输出电压在50~100V可调，其它性能指标自定。

5、课题五：

直流升压斩波电路的设计

已知直流输入电压200V，负载自拟，要求输出电压在300~400V可调，其它性能指标自定。

6、课题六：

直流升降压斩波电路的设计

已知直流输入电压200V，负载自拟，要求输出电压在100~300V连续可调，其它性能指标自定。

7、课题七：

单相桥式逆变电路的设计

已知直流输入电压100V，负载自拟，要求交流输出电压频率范围在30~60HZ，电压在30~50V范围可调，其它性能指标自定。

8、课题八：

单相交流调压电路设计

已知单相交流输入交流电压220V，负载自拟，要求输出交流电压在0~220V可调，其它性能指标自定。

9、课题九：

三相交流调压电路的设计

已知三相交流输入交流线电压380V，负载自拟，要求输出交流电压在0~200V可调，其它性能指标自定。

10、课题十：

三相桥式逆变电路的设计

已知直流输入电压100V，负载自拟，要求交流输出电压频率范围在30~60HZ，电压在30~50V范围可调，其它性能指标自定。

注意：

若已经按上课时我讲解的内容和安排的课题进行了设计，则不必再更改。

五、格式要求

1、格式严格按照教务处规定的毕业设计格式；

2、文档内容：

1）绪言：

主要介绍对本课程学习情况；本设计内容的掌握情况；拟出设计任务书。

2）主电路设计：

（1）电路原理图：

用CAD绘制电路；

（2）原理分析：

用自己的语言；

（3）参数计算：

请用公式编辑器；

（4）器件选择

3）控制电路设计：

（1）电路原理框图

（2）电路原理图

（3）原理分析

（4）主要器件介绍

4）保护电路及其它辅助电路的设计

（1）保护电路的作用；

（2）电路原理图；

（3）原理分析

5）仿真分析

（1）仿真模型的建立方法

（2）仿真电路模型；

（3）仿真效果图；

（4）仿真结果分析。

6）设计总结

用自己的语言介绍如何完成本次设计的，通过设计自己有哪些方面提高，对本课程教学有什么建议等。

7）附录：

系统总图

绪言

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。

但是晶闸管相控整流电路中随着触发角α的增大，电流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。

把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就构成了PWM整流电路。

通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为1。

这种整流电路称为高功率因素整流器，它具有广泛的应用前景

由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。

故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好实验和课程设计，因而我们进行了此次课程设计。

又因为整流电路应用非常广泛，而锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路又有利于夯实基础，故我们单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。

目录

1设计任务说明…………………………………………………………………1

1.1设计任务和要求………………………………………………………1

1.2方案的选择……………………………………………………………1

2主体电路的设计………………………………………………………………2

2.1主电路的设计…………………………………………………………2

2.2主要电路原理及说明…………………………………………………2

2.3参数计算………………………………………………………………3

2.4元器件的选择…………………………………………………………3

3驱动电路的设计………………………………………………………………5

3.1驱动电路的设计………………………………………………………5

3.2工作原理………………………………………………………………5

3.3主要器件介绍…………………………………………………………6

4保护电路的设计……………………………………………………………7

4.1过流、过压保护………………………………………………………7

4.2电流上升率、电压上升率的抑制保护………………………………9

5系统仿真及结论………………………………………………………………10

5.1仿真电路………………………………………………………………10

5.2仿真结果………………………………………………………………10

5.3仿真结果分析…………………………………………………………13

6设计总结………………………………………………………………………14

7参考文献………………………………………………………………………15

8附录………………………………………………………………………16

1设计任务说明

1.1设计任务和要求

1.1.1设计任务

（1）进行设计方案的比较，并选定设计方案；

（2）完成单元电路的设计和主要元器件说明；

（3）完成主电路的原理分析,各主要元器件的选择；

（4）驱动电路的设计,保护电路的设计；

1.1.2设计要求

（1）单相桥式相控整流的设计要求为：

负载为阻感性负载,L值极大,R=500欧姆,。

1.1.3技术要求

（1）电网供电电压为单相220V；

（2）电网电压波动为+5%－-10%；

（3）输出电压为0～100V。

1.2方案选择

单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，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）。

2主体电路的设计

2.1主电路的设计

主电路图如图1：

图1主电路图

2.2主要电路原理及说明

在单相桥式全控整流电路中,晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂,VT2和VT3组成一对桥臂。

在U2的正半周期，触发角α处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。

负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用。

u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。

至ωt=π+α时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。

VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3施加反向电压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速的转移到VT2和VT3上，此过程称为换向，亦成为换流。

单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管承受的最大反向电压√2u2.

2.3参数计算

负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算：

输出电流波形因电感很大，平波效果很好而呈一条水平线。

两组晶闸管轮流，一个周期中各导电180°，且与α无关，变压器二次绕组中电流i2的波形是对称的正、负方波。

负载电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为1。

在这种情况下：

当α=0°时，Ud0=0.9U2；

当α=90°时，Ud0=0，其移相范围为0~90°。

晶闸管承受的最大正、反向电压都是√2U2。

流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为:

2.4元器件的选择

单相桥式全控主电路中最重要的元器件是晶闸管，晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（SiliconControlledRectifier--SCR），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。

其外型有螺栓型和平板型两种封装，引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。

选择时主要考虑其参数和选取原则：

1）.1晶闸管的主要参数如下：

①额定电压UTn

通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。

在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压

UTn≥（2～3）UTM（4.4.1）

UTM：

工作电路中加在管子上的最大瞬时电压

②额定电流IT（AV）

IT（AV）又称为额定通态平均电流。

其定义是在室温40°和规定的冷却条件下元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。

将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。

在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值ITM≤ITn,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。

ITn：

额定电流有效值，根据管子的IT（AV）换算出，

IT（AV）、ITMITn三者之间的关系：

（4.4.2）

（4.4.3

波形系数：

有直流分量的电流波形，其有效值

与平均值

之比称为该波的波形系数，用Kf表示:

（4.4.2）

额定状态下，晶闸管的电流波形系数:

（4.4.6）

晶闸管承受最大电压为

考虑到2倍裕量，取400V.

晶闸管的选择原则：

Ⅰ、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。

Ⅱ、选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。

即ITn＝1.57IT（AV）＝（1.5～2）ITM

（4.4.7）

因为,则晶闸管的额定电流为

=10A（输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小值）考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至少应大于20A.

在本次设计中我选用4个KP20-4的晶闸管.

2）变压器的选取

根据参数计算可知:

变压器应选变比为2,容量至少为24.2V·A

3驱动电路的设计

3.1驱动电路的设计

其驱动电路如图（a）所示：

3.2工作原理

利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。

从图（a）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路径R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压ue=uc按指数规律上升。

Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。

电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。

随着电容C放电，电压Ue小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。

在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us，如图（b）所示，其震荡频率为

f=1/T=1/ReCLn（1/1-η）

式中η=0.3～0.9是单结晶体管的分压比。

即调节Re，可调节振荡频率

3.3主要器件介绍

3.3.1单结晶体管

单结晶体管原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。

在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。

3.3.2同步电源

步电压又变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。

同步电压经桥式整流、稳压管DZ削波为梯形波uDZ,而削波后的最大值UZ既是同步信号,又是触发电路电源.当UDZ过零时,电容C经e-b1、R1迅速放电到零电压.这就是说,每半周开始,电容C都从零开始充电,进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻（即控制角α）一致,实现同步.

3.3.3移相控制Re

当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角α增大，实现了移相。

3.3.4脉冲输出R1

触发脉冲ug由Ｒ1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。

对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。

所以一般采用脉冲变压器输出。

4保护电路的设计

4.1过电流、过压保护

4.1.1过电流保护

当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。

因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。

采用快速熔断器作过电流保护，熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。

最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如图4所示：

图4快速熔短器的接入方法

A型熔断器的特点：

是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。

B型熔断器的特点：

能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低。

C型熔断器的特点：

直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用

对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。

常见的电子保护原理图如5所示

图5过流保护原理图

4.1.2过压保护

设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。

同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。

过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。

如图6和图7所示：

图6阻容三角抑制过电压图7压敏电阻过压

过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。

常见的电子保护原理图如图8所示：

图8过电压保护电路

4.2电流上升率、电压上升率的抑制保护

4.2.1电流上升率di/dt的抑制

晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/μs的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。

其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。

如下图9所示:

图9串联电感抑制回路

4.2.2电压上升率dv/dt的抑制

加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。

为抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。

如图10所示：

图10并联R-C阻容吸收回

5系统仿真及结论

5.1仿真电路

利用MATLAB软件中的Simulink仿真环境下画出系统的结构图，然后依据结构图进行系统仿真。

其结构图中所需的模块可在Simulink模块库中找到。

其仿真电路图如图11所示：

图11仿真图

5.2仿真结果

五个信号依次为：

晶闸管电流IvT、晶闸管电压UVT、电源电流i2、负载电流Id、负载电压Ud。

阻感香性负载仿真图如图A所示。

图A

阻感性负载仿真图如图B所示:

图B

阻感性负载仿真图如图C所示:

图C

阻感性负载仿真图如图D所示:

图D

5.3仿真结果分析

由上面的仿真结果可以看出：

由于电感的作用，输出电压出现负波形。

当电感无限大时，控制角α在0~90之间变化时，晶闸管导通角θ=π，导通角θ与控制角α无关。

输出电流近似平直，流过晶闸管和变压器的电流为矩形波。

6设计总结

通过单相全控桥式整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。

整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又可以设计出很多不同的电路。

其中单相全控桥式整流电路其负载我们用的多的主要是电阻型、带大电感型，接反电动势型。

它们各自有自己的优点。

对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。

整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，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，碰到的难题就是保护电路的设计。

因为保护电路的种类较多，因此要选择一个适合本课题的保护电路就比较难。

后来经老师，还有同学的帮助，选择了一个较好的保护电路。

7参考文献

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京:

机械工业出版社,2009.5

[2]吴晓燕.MATLAB在自动控制中的应用[M].西安:

西安电子科技大学出版社,2006.9

[3]林渭勋.现代电力电子技术[M].北京:

机械工业出版社,2006

[4]赵良炳.现代电力电子技术基础[M].北京:

清华大学出版社,1995

[5]陈治明.电力电子器件基础[M].北京:

机械工业出版社,1992

[6]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:

机械工业出版社,2006

附录

系统原理图