單相半波可控整流電路設(shè)計

1、電力電子技術(shù)時間：2021.02.09創(chuàng)作人：歐陽歷課程設(shè)計說明書單相半波可控整流電路設(shè)計學生姓名：學號：學生姓名：學號：學 院：計算機與控制工程學院 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 指導教師：2016年 月中北大學課程設(shè)計任務(wù)書2015/2016學年第一學期學院：計算機與控制工程學院專業(yè)：電氣工程及其自動化學生姓名：學號：學生姓名學號：課程設(shè)計題目:單相半波可控整流電路設(shè)計起迄日期：2015年12月27日 2016年1月8日課程設(shè)計地點：德懷樓八層虛擬仿真實驗室指導教師：學科部副主任：下達任務(wù)書日期：2015年12月26日課程設(shè)計任務(wù)書1. 設(shè)計目的:“亍押蒔駆萬電芋電麗二藏羽離”“真詡麗殛殛開

2、能另2）學習Visio繪圖軟件和Matlab仿真軟件2. 設(shè)計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）： 介莎F斷電蛾彈辭菠礦録甬繭頂箴炯簸籤;2）已知參數(shù)：直流負載電阻R產(chǎn)5C,單相交流電壓t/=100cosl00 （V）,3）繪制電路原理圖。首先，分別分析并計算電阻兩端平均電壓Ul=25V和S.=30H時，功率管相對應(yīng)的觸發(fā)角。其次，按照原理圖，在仿真軟件中建立仿真模 型，驗證計算結(jié)果，結(jié)果應(yīng)包含電阻兩端平均電壓UL = 25V和匕=30/時的電路工作 的波形圖。并對仿真結(jié)果進行必要的文字分析。3. 設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求（包括課程設(shè)計計算說明書（論文）、圖 紙、實物樣品

3、等）:1）根據(jù)設(shè)計題LI要求的指標，通過查閱有關(guān)資料分析其丄作原理，確定器件類型，可 供選擇的變流器件為晶閘管、Mosfet和IGBT,設(shè)汁電路原理圖；2）畫出電路方框圖，完成電路各部分的指標分配，計算各單元電路的參數(shù)和確定各元 件的參數(shù)值，敘述主要元器件的功能及他們之間的控制關(guān)系和數(shù)據(jù)傳輸。3）用Visio繪圖軟件繪制電路原理圖4）利用Matlab仿真軟件對電路圖進行仿真分析。課程設(shè)計任務(wù)書4. 主要參考文獻：一憶“至疽妥麗詩技采機械亍亞茁腦匸26662劉志剛.電力電子學.清華大學出版社.2009石玉.電力電子技術(shù)例題與電路設(shè)計指導.機械工業(yè)出版社.20034張興，張崇巍.PWM整流器及其控

4、制M.北京：機械工業(yè)出版社，20125. 設(shè)計成果形式及要求：2）Matlab仿真電路結(jié)果圖3）課程設(shè)計說明書。6. 工作計劃及進度:2015年12月27日 12月29日 設(shè)計電路2015年12月29 0 01月01日 繪制電路原理圖2016年01月02 001月07日對設(shè)計的電路進行Matlab仿真，撰寫課程設(shè)計說明書2015年01.月08日答辯學科部副主任審查意見：簽字：年 月 日目錄1緒論12. 2.單相半波可控整流電路設(shè)計22. 1課程設(shè)計任務(wù)及要求22.2電路原理圖32. 3單相半波可控整流電路的計算公式42.4帶阻感負載時的工作情況53. MATLAB 仿真53. 1 MATLAB

5、 仿真圖 53. 1. 1主電路仿真圖53. 1. 2觸發(fā)電路仿真圖63.2元器件參數(shù)設(shè)置63. 2. 1 設(shè)置 M0SFET 參數(shù)73.2.2設(shè)置電阻負載參數(shù)73.2.3設(shè)置電源參數(shù)83.2.4設(shè)置脈沖參數(shù)83. 3仿真結(jié)果展示94. 結(jié)論11參考文獻12附錄121 緒論電力電子技術(shù)是建立在電子學、電工原理和自動控制三大學科上的新興學 科。因它本身是大功率的電技術(shù)，乂大多是為應(yīng)用強電的工業(yè)服務(wù)的，故常將 它歸屬于電工類。電力電子技術(shù)的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路 和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導體為基本材料，最常用的材料 為單晶硅;它的理論基礎(chǔ)為半導體物理學；它的工藝技術(shù)

6、為半導體器件工藝。近 代新型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子 學的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點和電能轉(zhuǎn)換的要求，乂開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電 路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等 二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對象的不同，組成了各種用途 的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設(shè)備等組成一個系統(tǒng)。 電子學、電工學、自動控制、信號檢測處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大 量應(yīng)用。本課程體現(xiàn)了弱電對強電的控制，乂具有很強的實踐性。能夠理論聯(lián)系實 際，在培養(yǎng)自動化專業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結(jié)構(gòu)和分類、 晶閘管的過電壓

7、和過電流保護方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶 閘管無源逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波以及變頻電路的工作 原理。在電力電子技術(shù)中，可控整流電路是非常重要的內(nèi)容，整流電路是將交流 電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?，其?yīng)用非常廣泛。工業(yè)中大量應(yīng)用的各種直流電動機的 調(diào)速均釆用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機車、磁懸浮列車等）、電動汽 車、飛機、船舶、電梯等交通運輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術(shù)；各種 電子裝置如通信設(shè)備中的程控交換機所用的直流電源、微型計算機內(nèi)部的電源 都可以利用整流電路構(gòu)成的直流電源供電，可以說有電源的地方就有電力電子 技術(shù)的設(shè)備。2.單相半波可控整流電路設(shè)計單相半波可

8、控電路總體設(shè)計框圖如圖所示圖1電路設(shè)計流程圖2.1課程設(shè)計任務(wù)及要求1）設(shè)計的電路為單相半波可控整流電路，負載為電阻負載。2）已知參數(shù)：直流負載電阻R = 5V ,單相交流電壓i/=100cosl00（V）o3）繪制電路原理圖。首先，分別分析并訃算電阻兩端平均電壓UL = 25V和 t/L = 30V,功率管相對應(yīng)的觸發(fā)角。其次，按照原理圖，在仿真軟件中建立仿 真模型，驗證計算結(jié)果，結(jié)果應(yīng)包含電阻兩端平均電壓UL = 25V和U厶= 30U 時的電路工作的波形圖。并對仿真結(jié)果進行必要的文字分析4）根據(jù)設(shè)計題LI要求的指標，通過查閱有關(guān)資料分析其工作原理，確定器件 類型，可供選擇的變流器件為晶閘

9、管、MOSFET和IGBT,設(shè)計電路原理圖；5）畫出電路方框圖，完成電路各部分的指標分配，計算各單元電路的參數(shù)和 確定各元件的參數(shù)值，敘述主要元器件的功能及他們之間的控制關(guān)系和數(shù)據(jù)傳 輸。6）用Visio繪圖軟件繪制電路原理圖7）利用Matlab仿真軟件對電路圖進行仿真分析0圖3.單向半波可控整流電路電阻負載波形圖輸出電壓平均值：Ud= sin(l-sina)(21)實驗電路如圖2所示。通過查閱有關(guān)資料分析其工作原理，確定器件變 流器件為Mosfeto主電路原理說明：T為變壓器，Uvt是變流器MOSFET兩 端電壓，U2為變壓器副端電壓，R為阻性負載，Ud為負載兩段電壓。Id為流 過負載的電流

10、，Ug為觸發(fā)電壓。根據(jù)MOSFET導通的兩個條件(MOSFET的陽-陰極之間加正向電壓；門 極加正向電壓，流入足夠的門極電流)可以判斷：在電源電壓U2的正半周， U20, MOSFET承受正向電壓，可以被觸發(fā)導通，但在給MOSFET (1極施加 觸發(fā)信號之前，MOSFET處于正向阻斷狀態(tài)，電流Id二0,輸出電壓Ud二0,電 源電壓全部加在MOSFET上，即Uvt二U2。設(shè)在wt = a時刻向MOSFET送出觸發(fā) 脈沖，MOSFET被觸發(fā)導通，若忽略MOSFET的導通丿玉降，則輸出電壓與電源電 壓相等，即ud二u2,電流Id二ud/Rd。當wt =-時，電源電壓u2=0,使得流MOSFET的電流

11、降到維持電流以下而關(guān)斷，此時電流Id二0, ud二0.在電源電 壓u2的負半周，u20, MOSFET承受反向電壓，處于反向阻斷狀態(tài)，負載電 壓ud二0,電源電壓全部加在MOSFET上，Uvt二u2。直到第二個周期相當于3 tl時刻再次施加觸發(fā)脈沖，MOSFET再次被觸發(fā)導通，如此周而復始。2. 3單相半波可控整流電路的計算公式：根據(jù)設(shè)計要求可知電源電壓為余弦函數(shù)，有效值U2 = r T = 0.025,觸發(fā)負載電阻值：R = 5O1.當Ud = 25V時，有公式可求出觸發(fā)角 = -34.75電流平均值A(chǔ)/= =5A2當Ud = 30V時，有公式可求出觸發(fā)角 = -65.25電流平均值A(chǔ)/=-

12、=6AR2.4帶電阻負載時的工作情況(1) 在電源電壓正半波(-蘭蘭區(qū)間)，M0SFET承受正向電壓，脈沖Ug在2 2wt = a處觸發(fā)MOSFET, M0SFET開始導通，形成負載電流id,負載上有輸出電 壓和電流。(2) 在wt = -時刻，U2二0,電源電壓自然過零，M0SFET電流小于維持電流2而關(guān)斷，負載電流為零。(3) 在電源電壓負半波(冬竺區(qū)間)，M0SFET承受反向電壓而處于關(guān)斷狀2 2態(tài)，負載上沒有輸岀電壓，負載電流為零。(4) 直到電源電壓u2的下一周期的正半波，脈沖Ug在切=2兀+ &處乂觸發(fā)MOSFET, M0SFET再次被觸發(fā)導通，輸出電圧和電流乂加在負載上，如此不斷

13、重 復。3. MATLAB 仿真3.1 MATLAB仿真圖3. 1. 1主電路仿真圖圖4主電路仿貞圖3.1.2觸發(fā)脈沖仿真電路Fyp GPHxyUem圖5觸發(fā)電路仿貞圖3.2元器件參數(shù)設(shè)置3. 2. 1設(shè)置M0SFET參數(shù)囤 Block Parameters: Thyristorresistance (Ron) and inductance (Lon)For most applications the internal inductance should be set to zeroIn off-statc the Thyristor as an inf initc impedancePara

14、metersRes is temcc Ron fCluns) :0. 001IndueLon CH):0Forward voltage Vf (V):0.8Initial current Io (A):|oSnubber resistance Rs (Ohins):10Snubber capacitance Cs (F):4. 7c-6J Show measurement port OK | Cancel | Help | Apply圖6. MOSFET參數(shù)設(shè)置圖甌 Block Parameters: Series RLC Branch| 23Series RLC Branch (mask)

15、(link)ImpleiLents a series branch of RLC elementsUse the 5 Branch typeJ parairieter to add or remove clcncn ts fr oui the br an ch ParametersBranch type:Resistance (Ohms):5Measurements Branch voltageOKCanoe 1He lpApply圖7.電阻負載參數(shù)設(shè)置圖3. 2. 3設(shè)置電源參數(shù)5 Block Parameters: AC Voltage Source召AC Voltage Source (

16、mask) (link)Ideal sinusoidal AC Voltage sctirceParametersPeak amplitude (V):ICOPhase (deg):-90Frequency (Hz):50Sample time：0Measurenients NoneApply圖8.電源參數(shù)設(shè)宜圖當Ud二25V時，觸發(fā)參數(shù)如圖歐陽歷創(chuàng)編匣 Source Block Parameters: ConstantConstantOutput the cons tont specified by the * Cons trrt value* par ante t&r. IfConstan

17、t value5 is a 7ector and Interpret vector parameters as 1D5 is on, treat the constnnt value as a 1D array Otherwise, output a matrix with the same diincnslons as the constant valueMain Signal AttributesConsvalue：infCancelHelpApply圖9觸發(fā)脈沖參數(shù)設(shè)置圖當Ud二30V時,觸發(fā)參數(shù)如圖15 Source Block Parameters: Constant| 33Cons

18、tantOutput thg constarrt specified by the Constant value* paranetgr. I于Constant value5 is a 7ector and 5 InterDTt vector parameters as 1D is on, treat the constout value as a 1D array OthTwise, output a matrix with the s-amc dimensions as the constant valueMain Signal AttributesConsvalue：infOKCancel

19、HelpApply圖10.觸發(fā)脈沖參數(shù)設(shè)置圖當Ud二25V時圖11 仿貞結(jié)果圖當Ud=30V時圖12 仿貞結(jié)果圖仿真結(jié)果分析示波器第一個波形是電源電壓，笫二個波形是脈沖波形，第三個波形是負 載兩端電壓，第四個波形是電流波形，第五個是M0SFET兩端電壓。當電源電壓 U2 0, M0SFET不導通，M0SFET兩端受電源電壓；當電源電壓U2) 0且沒有觸 發(fā)電流時，M0SFET同樣不導通承受電源電壓；當電源電壓U20而且有觸發(fā)電 流時，M0SFET導通，電阻負載承受電源電壓，每個周期內(nèi)重復上述情況。4.結(jié)論及體會結(jié)合以上波形圖，我們可以分析出單相半波可控整流電路具有以下的特點：1、阻性負載時ud和id波形相同；