單相半波可控整流電路設(shè)計(jì)

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書 單相半波可控整流電路設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)號： 學(xué)生姓名：學(xué)號： 學(xué) 院： 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師： 2016年 月 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 2015/2016 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院：計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院專 業(yè)： 電氣工程及其自動化學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號：學(xué)生姓名學(xué)號： 課程設(shè)計(jì)題目：單相半波可控整流電路設(shè)計(jì)  起 迄 日 期:2015年12月27日 2016年1月 8日課程設(shè)計(jì)地點(diǎn):德懷樓八層虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室指 導(dǎo) 教 師:學(xué)科部副主任：  下達(dá)任務(wù)書日期: 2015 年 12月 26日課 程 設(shè) 計(jì)

2、任 務(wù) 書1設(shè)計(jì)目的：1) 了解并掌握電力電子電路的一般設(shè)計(jì)方法，具備初步的獨(dú)立設(shè)計(jì)能力2) 學(xué)習(xí)Visio繪圖軟件和Matlab仿真軟件2設(shè)計(jì)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(jì)要求等）：1) 設(shè)計(jì)的電路為單相半波可控整流電路，負(fù)載為電阻負(fù)載。 2) 已知參數(shù)：直流負(fù)載電阻，單相交流電壓 (V)， 3) 繪制電路原理圖。首先，分別分析并計(jì)算電阻兩端平均電壓和時，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(yàn)證計(jì)算結(jié)果，結(jié)果應(yīng)包含電阻兩端平均電壓和時的電路工作的波形圖。并對仿真結(jié)果進(jìn)行必要的文字分析。3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書(

3、論文)、圖紙、實(shí)物樣品等： 1) 根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求的指標(biāo)，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管、Mosfet和IGBT，設(shè)計(jì)電路原理圖； 2) 畫出電路方框圖，完成電路各部分的指標(biāo)分配，計(jì)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(jìn)行仿真分析。 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書4主要參考文獻(xiàn)： 1 王兆安.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2008 2 劉志剛.電力電子學(xué).清華大學(xué)出版社.2009 3 石 玉.電力電子技術(shù)例題與電路設(shè)計(jì)指

4、導(dǎo).機(jī)械工業(yè)出版社.2003 4 張興，張崇巍.PWM整流器及其控制M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20125設(shè)計(jì)成果形式及要求：1) 電路原理圖2) Matlab仿真電路結(jié)果圖3) 課程設(shè)計(jì)說明書。6工作計(jì)劃及進(jìn)度： 2015年12月27日 12 月29日 設(shè)計(jì)電路 2015年12月29日 01 月 01日 繪制電路原理圖 2016年01月02 日 01 月07 日 對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行Matlab仿真，撰寫課程設(shè)計(jì) 說明書 2015年01 月 08 日 答辯學(xué)科部副主任審查意見：  簽字： 年 月 日2 目錄1. 緒論.12. 2.單相半波可控整流電路設(shè)計(jì).2 2.1課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求.2

5、 2.2 電路原理圖.3 2.3單相半波可控整流電路的計(jì)算公式.4 2.4帶阻感負(fù)載時的工作情況.53. MATLAB仿真.5 3.1 MATLAB仿真圖.5 3.1.1主電路仿真圖.5 3.1.2觸發(fā)電路仿真圖.6 3.2 元器件參數(shù)設(shè)置.6 3.2.1設(shè)置MOSFET參數(shù).7 3.2.2設(shè)置電阻負(fù)載參數(shù).7 3.2.3設(shè)置電源參數(shù).8 3.2.4設(shè)置脈沖參數(shù).8 3.3 仿真結(jié)果展示.94. 結(jié)論.11參考文獻(xiàn).12附錄.12 1.緒論 電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大功率的電技術(shù)，又大多是為應(yīng)用強(qiáng)電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類。電力電

6、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(dǎo)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(dǎo)體物理學(xué);它的工藝技術(shù)為半導(dǎo)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(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點(diǎn)和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(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(hù)、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(jī)，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負(fù)載、配套設(shè)備等組成一個系統(tǒng)。電子學(xué)、電工學(xué)、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。

7、 本課程體現(xiàn)了弱電對強(qiáng)電的控制，又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。能夠理論聯(lián)系實(shí)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、晶閘管的過電壓和過電流保護(hù)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(jī)的調(diào)速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機(jī)車、磁懸浮列車等）、電動汽車、飛機(jī)、船舶、電梯等交通運(yùn)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(jī)所用的直流電源、微型

8、計(jì)算機(jī)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(jì)單相半波可控電路總體設(shè)計(jì)框圖如圖所示100V交流輸入輸出直流電源半波整流電路脈沖寬度調(diào)節(jié)圖1電路設(shè)計(jì)流程圖2.1課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1) 設(shè)計(jì)的電路為單相半波可控整流電路，負(fù)載為電阻負(fù)載。  2) 已知參數(shù)：直流負(fù)載電阻，單相交流電壓。 3) 繪制電路原理圖。首先，分別分析并計(jì)算電阻兩端平均電壓和，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(yàn)證計(jì)算結(jié)果，結(jié)果應(yīng)包含電阻兩端平均電壓和時的電路工作的波形圖。并對仿真結(jié)果進(jìn)行必要的文字分析

9、4) 根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求的指標(biāo)，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管、MOSFET和IGBT，設(shè)計(jì)電路原理圖； 5) 畫出電路方框圖，完成電路各部分的指標(biāo)分配，計(jì)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(jìn)行仿真分析2.2電路原理圖及波形 圖2.電路原理圖 圖3.單向半波可控整流電路電阻負(fù)載波形圖實(shí)驗(yàn)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Mosfet。主電路原理說明： T為變壓器，Uvt是變流器MOSF

10、ET 兩端電壓，U2為變壓器副端電壓，R為阻性負(fù)載，Ud為負(fù)載兩段電壓。Id為流過負(fù)載的電流，Ug為觸發(fā)電壓。根據(jù)MOSFET導(dǎo)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，U2>0，MOSFET承受正向電壓，可以被觸發(fā)導(dǎo)通，但在給MOSFET門極施加觸發(fā)信號之前，MOSFET處于正向阻斷狀態(tài)，電流Id=0,輸出電壓Ud=0，電源電壓全部加在MOSFET上，即Uvt=U2。 設(shè)在時刻向MOSFET送出觸發(fā)脈沖，MOSFET被觸發(fā)導(dǎo)通，若忽略MOSFET的導(dǎo)通壓降，則輸出電壓與電源電壓相等，即ud=u2，電流Id=

11、ud/Rd。 當(dāng)時，電源電壓u2=0，使得流過MOSFET的電流降到維持電流以下而關(guān)斷，此時電流Id=0，ud=0. 在電源電壓u2的負(fù)半周，u2<0，MOSFET承受反向電壓，處于反向阻斷狀態(tài)，負(fù)載電壓ud=0，電源電壓全部加在MOSFET上，Uvt=u2。直到第二個周期相當(dāng)于t1時刻再次施加觸發(fā)脈沖，MOSFET再次被觸發(fā)導(dǎo)通，如此周而復(fù)始。2.3單相半波可控整流電路的計(jì)算公式： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知電源電壓為余弦函數(shù)，有效值，觸發(fā)角 輸出電壓平均值： （21） 負(fù)載電阻值： 1.當(dāng)時，有公式可求出觸發(fā)角 電流平均值=5A 2.當(dāng)時，有公式可求出觸發(fā)角 電流平均值=6A2.4 帶電阻負(fù)載

12、時的工作情況 (1)在電源電壓正半波（區(qū)間），MOSFET承受正向電壓，脈沖Ug在 處觸發(fā)MOSFET，MOSFET開始導(dǎo)通，形成負(fù)載電流id,負(fù)載上有輸出電壓和電流。 （2）在時刻，2=0，電源電壓自然過零，MOSFET電流小于維持電流而關(guān)斷，負(fù)載電流為零。 （3） 在電源電壓負(fù)半波（區(qū)間），MOSFET承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載上沒有輸出電壓，負(fù)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在處又觸發(fā)MOSFET，MOSFET再次被觸發(fā)導(dǎo)通，輸出電壓和電流又加在負(fù)載上，如此不斷重復(fù)。 3. MATLAB仿真3.1 MATLAB仿真圖 3.1.1主電路仿真圖 圖4.主

13、電路仿真圖 3.1.2觸發(fā)脈沖仿真電路圖5觸發(fā)電路仿真圖3.2 元器件參數(shù)設(shè)置 3.2.1設(shè)置MOSFET參數(shù) 圖6.MOSFET參數(shù)設(shè)置圖 3.2.2設(shè)置電阻負(fù)載參數(shù)圖7.電阻負(fù)載參數(shù)設(shè)置圖3.2.3設(shè)置電源參數(shù) 圖8.電源參數(shù)設(shè)置圖3.2.4 設(shè)置時的脈沖參數(shù) 當(dāng)Ud=25V時，觸發(fā)參數(shù)如圖圖9.觸發(fā)脈沖參數(shù)設(shè)置圖當(dāng)Ud=30V時，觸發(fā)參數(shù)如圖圖10.觸發(fā)脈沖參數(shù)設(shè)置圖3.3仿真結(jié)果展示 當(dāng)Ud=25V時圖11.仿真結(jié)果圖 當(dāng)Ud=30V時圖12.仿真結(jié)果圖仿真結(jié)果分析 示波器第一個波形是電源電壓，第二個波形是脈沖波形，第三個波形是負(fù)載兩端電壓，第四個波形是電流波形，第五個是MOSFET兩

14、端電壓。當(dāng)電源電壓U20，MOSFET不導(dǎo)通，MOSFET兩端受電源電壓；當(dāng)電源電壓U20且沒有觸發(fā)電流時，MOSFET同樣不導(dǎo)通承受電源電壓；當(dāng)電源電壓U20而且有觸發(fā)電流 時，MOSFET導(dǎo)通，電阻負(fù)載承受電源電壓，每個周期內(nèi)重復(fù)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(diǎn)： 1、阻性負(fù)載時Ud和Id波形相同；2、MOSFET在觸發(fā)時換流；3、在一個周期內(nèi)，Ud只有一個波形；這次課程設(shè)計(jì)讓我明白了很多關(guān)于電力電子技術(shù)方面的知識，尤其是在課本中沒有完全介紹的。要完成這次課程設(shè)計(jì)，關(guān)靠書本知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以我查閱了很多關(guān)于電力電子的書籍，并且也通過網(wǎng)絡(luò)查到了很多相關(guān)的知識，為這次課程設(shè)計(jì)做了很多幫助。對于課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，首先要做的應(yīng)是對設(shè)計(jì)內(nèi)容的理論理解，在理論充分理解的基礎(chǔ)上，才能做好課程設(shè)計(jì)，才能設(shè)計(jì)出性能良好的電路。整流電路中，基本元件的選擇是最關(guān)鍵的，開關(guān)器件和觸發(fā)電路選擇的好，對整流電路的性能指標(biāo)影響很大。設(shè)計(jì)過程中，我明白了整流電路，尤其是單相半波可控整流電路的重要性以及整流電路設(shè)計(jì)方法的多樣性。通過這次課程設(shè)計(jì)，我對文檔的編排也有了一定的掌握，這對于以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)及工作需要都有很大的幫助，在完成課程設(shè)計(jì)的同時我也在復(fù)習(xí)一遍電力電子這門課程，把以前一些沒弄懂的問題這次弄明白了一部分，當(dāng)然沒有全部