电力电子技术课程设计说明书--

1、 中北大学电力电子技术课程设计任务书  2015/2016 学年第 一 学期  学 院：中北大学信息商务学院专 业： 电气工程及其自动化学 生 姓 名：学 号：课程设计题目：单相桥式全控整流电路设计 纯电阻负载 起 迄 日 期: 2015年12月28日 1月08日课程设计地点:中北大学信息商务学院指 导 教 师:系主任：   下达任务书日期: 2015 年 12月 27日课 程 设 计 任 务 书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

2、.学习MATLAB仿真软件及各模块参数的确定2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：  设计条件：1.电源电压：交流100V/50Hz 2.输出功率：500W 3.触发角 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3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：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或proteus仿真软件绘

3、制主电路结构模型图，设置相应的参数。3.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。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1.王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.20092.李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.20053.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.20064.钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.20105设计成果形式及要求：1.电路原理图及各器件参数计算2. MATLAB或proteus仿真3.编写课程设计报告。6工作计划及进度：2015年12月28日 12月31日 设计电路，计

4、算参数2016年1月01日 1月05日 对设计的电路进行MATLAB仿真2016年1月06日 1月08日 编写课程设计说明书，答辩或成绩考核系主任审查意见：  签字： 年 月 日1 引言电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现电能使用最佳化。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩

5、波，变频，变相等）两个分支。变流技术也称为电力电子技术的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。变流技术是电力电子技术的核心，变流技术的理论基础是电路理论。整流电路是电力电子电路的一种，将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样。按组成器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路。这次课程设计我们设计的是单相桥式全控整流电路，与单相半波可控整流电路相比，桥式全控的电源利用率高一些，应用范围更广。2 课程设计目的与要求2.1 课程设计的目的1

6、.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 课程设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）1.设计条件： a电源电压：交流100V/50Hz b.输出功率：500W c.触发角=30º d.纯电阻负载2.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： a.整流变压器额定参数的计算；b.晶闸管电流、电压额定参数选择；c.触发电路的设计。2.3 设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等1.根据设计题

7、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或proteus仿真软件绘制主电路结构模型图，设置相应的参数。3.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。2.4 课程设计的预备知识熟悉电力电子技术课程、MATLAB仿真等课程的相关知识。3 课程设计的系统方案及其流程框图3.1 认识整流电路整流电路是出现最早的电力电子电路，把交流电能转换为直流电能的电路。3.1.1 什么是整流电路 大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整

8、流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。可以从各种角度对整流电路进行分类，主要的分类方法有：按组成的期间可分为不可控，半控，全控三种；按电路的结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向还是双向，又可分为单拍电路和双拍电路.3.1.2 整流电路的发展与应用 电力电子器件的发展对电力电子的发展起着决定性的作用

9、，因此不管是整流器还是电力电子技术的发展都是以电力电子器件的发展为纲的，1947年美国贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一次革命；1957年美国通用公司研制了第一个晶闸管，标志着电力电子技术的诞生；70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展，把电力电子技术推上一个全新的阶段；80年代后期，以绝缘极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起，成为了现代电力电子技术的主导器件。另外，采用全控型器件的电路的主要控制方式为PWM脉宽调制式，后来，又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起

10、，构成功率集成电路（PIC）,随着全控型电力电子器件的发展，电力电电路的工作频率也不断提高。同时。电力电子器件的开关损耗也随之增大，为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）把电力电子技术和整流电路的发展推向了新的高潮。3.1.3 典型的整流电路其中对于单相整流电路形式是各种各样的，可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路。因此在做设计之前我们有必要认识以下几种典型的整流电路：认识一：单相桥式半控整流电路电路简图如图： 对于每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当突然增大至180

11、°或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使Ud成为正弦半波，即半周期Ud为正弦，另外半周期为Ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。认识二：单相桥式全控整流电路电路简图如图： 此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。 认识三：单

12、相半波可控整流电路：电路简图如图：此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a 移相范围为180°。但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。实际上很少应用此种电路。 认识四：单相全波可控整流电路：电路简图如图：此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，相应地，门极驱动电路也少2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。不存在直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕

13、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。相同的负载下流过晶闸管的平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，在均电流减小一半；且功率因数提高了一半。 本次课程设计，我们只要研究的是单相桥式全控整流电路。由于连接的负载性质不同就会有不同的特点。而负载性质又分为带电阻性负载、电阻-电感性负载和反电动势负载时的工作情况，而此次研究的负载性质是纯电阻负载。3.2 元器件的选择3.2.1 晶闸管 晶闸管又称为晶体闸流管，可控硅整流，开辟了电力电子技术迅速发展

14、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。内部结构: 四层三个结。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），

15、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两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。 晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形a)晶闸管外形 b)内部结构 c)电气图形符号 d)模块外形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

16、触发，产生注入门极的触发电流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。3.2.2 可关断晶闸管可关断晶闸管（简称GTO）的工作原理GTO的结构、等效电路和图形符号GTO的导通机理与SCR是完全一样的。 GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。 GTO在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件

17、退出饱和而关断。3.3 系统流程框图 根据方案选择与设计任务要求，画出系统电路的流程框图，如图所示。整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路纯电阻负载。输入过电流保护整流主电路过电压保护驱动触发电路输出4 辅助电路的设计4.1 驱动电路的设计对于使用晶闸管的电路，在晶闸管阳极加正向电压后，还必须在门极与阴极之间加触发电压，使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。驱动电路亦称触发电路。根据控制要求决定晶闸管的导通时刻，对变流装置的输出功率进行控制。触发电路是变流装置中的一个重要组成部分，变流装置是否能正常工作，与触发电路有直接关系，因此，正确合

18、理地选择设计触发电路及其各项技术指标是保证晶闸管变流装置安全，可靠，经济运行的前提。4.1.1 触发电路要求 第一，触发电路应有足够功率；第二，触发脉冲宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉；第三，触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足要求。4.1.2 触发电路图4.1.3 工作原理经D1D4整流后的直流电源WU，一路经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、通过单结晶体管放电。控制BT的导通、截止；在电容上形成锯齿波振荡电压，在R上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲gu；如图所示，其振荡频率为：上式中=0.30.9是单结晶体管的分压比，即调节Re

19、，可调节振荡频率。4.2保护电路的设计在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。4.2.1 主电路的过电压保护电路设计所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍单相桥式全控整

20、流主电路的电压保护方法。1.交流侧过电压保护过电压产生过程：电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁芯中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时电压。保护方法：阻容保护2.直流侧过电压保护过电压产生过程：当某一桥臂的晶闸管在导通状态突然因果载使快速熔断器熔断时，由于直流住电路电感中储存能量的释放，会在电路的输出端产生过电压。保护方法：阻容保护 主电路的过电压保护4.2.2 主电路的过电流保护电路设计电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。在选择

21、各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。在选择快熔时应考虑：1、电压等级应根据快熔熔断后实际承受的电压来确定。2、电流容量应按照其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。3、快熔的It值应小于被保护器件的允许It值。4、为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。快熔对器件的保护方式分为全保护和短保护两种。全保护是指无论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功

22、率装置或器件使用裕量较大的场合。短路保护方式是指快熔只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。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。4.2.3 电流上升率、电压上升率的抑制保护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/s的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若

23、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2.8所示:串联电感抑制回路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。如图所示：并联R-C阻容吸收回5 课程设计电路的分析及其参数的计算5.1 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

24、路如下图： 在单项桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3 组成另一对桥臂。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，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1、VT4即导通，电流从a端经VT1、R、VT4流回电源b端。当u2为零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。在u2负半周，仍在触发延迟角处触发VT2和VT3（VT2和VT3的=0处为t=），VT2和VT3导通，电流从电源的b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端

25、。到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此循环的工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、VT4两端的电压波形如下图所示。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为U2和U2。u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4在电源电压正半波，在wt时，晶闸管VT1，VT4承受正向电压，晶闸管VT2，VT3承受反向电压，此时4个晶闸管都不导通，且假设4个晶闸管的漏电阻相等，则ut1(4)=ut2(3)=1/2U2；在wt=时，晶闸管VT1，VT4满足晶闸管导通的两条件，晶闸管VT1，VT4导通，负载上的电压等于变压器两端的电压U2；在wt

26、=时，因电源电压过零，通过晶闸管VT1，VT4的阳极电流小于维持晶闸管导通的条件下降为零，晶闸管关断。在电源负半波，在wt+时，触发晶闸管VT2，VT3使其元件导通，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。此时电源电压反向施加到晶闸管VT1，VT4，使其承受反向电压而处于关断状态；在wt=2时，因电源电压过零，通过晶闸管VT2，VT3的阳极电流小于维持晶闸管导通的条件下降为零，晶闸管关断。 具体而言：第1阶段（0t1）：这阶段u2在正半周期，a点电位高于b点电位晶闸管VT1和VT2方向串联后于u2连接，VT1承受正向电压为u2/2，VT

27、2承受u2/2的反向电压；同样VT3和VT4反向串联后与u2连接，VT3承受u2/2的正向电压，VT4承受u2/2的反向电压。虽然VT1和VT3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以Ud=0，id=0。 第2阶段（t1 ）：在t1 时同时触发VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向电压而导通，有电流经a点VT1RVT3变压器b点形成回路。在这段区间里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。由于VT1和VT3导通，忽略管压降，uVT1=uVT2=0，而承受的电压为uVT2=uVT4=u2。 第3阶段（t2 ）：从t=开始u2进入了负半周期，b点电位高于a点电位，VT1和V

28、T3由于受反向电压而关断，这时VT1VT4都不导通，各晶闸管承受u2/2的电压，但VT1和VT3承受的事反向电压，VT2和VT4承受的是正向电压，负载没有电流通过，ud=0，id=i2=0。 第4阶段（t2 ）：在t2 时，u2电压为负，VT2和VT4受正向电压，触发VT2和VT4导通，有电流经过b点VT2RVT4a点，在这段区间里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。由于VT2和VT4导通，VT2和VT4承受u2的负半周期电压，至此一个周期工作完毕，下一个周期，重复上述过程，单项桥式整流电路两次脉冲间隔为180°。由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，

29、故该电路称为全波整流。在u2的一个周期内，整流电压波形脉动2次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉搏整流电路。变压器二次测绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，所以变压器不存在直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。5.2 基本数量关系直流整流电流输出电压平均值为：a=0时，.，。可见a的移相角为0180.向负载输出电流平均值：流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半（因为一个周期内每个晶闸管只有半个周期导通），即：为选择晶闸管，变压器容量，导体横截面积等定额，需考虑发热问题，为此计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为： 负载电压有效值：变压器二次

30、侧电流有效值I2与负载电流有效值相同，都为：由上可知： 不考虑变压器损耗时，要求变压器的容量为 5.3 电路原件参数的计算与选择该电路为纯电阻负载。U2=100V时，不计控制角裕量按=30°计算1）由 Ud=0.84U2 得 Ud=83.97V2）由 P=500W 得 Id=5.95V所以R=14.113）U1=220V，U2=100V变压器变比K=2.24）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）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

31、的安全裕量。即ITn=1.57IT（AV）=（1.52）ITMIT（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。6）晶闸管VT1和VT4触发角脉冲延迟时间t=T360°=0.0017sVT2和VT3触发角脉冲延迟时间t=（+180°）T360°=0.0117s7）变压器二次侧电流有效值I2=6.984A ,则S=U2I2=698.4VA6 Matlab软件仿真分析 本次课程设计采用Matlab自带的动态仿真

32、集成环境Simulink进行仿真。Simulink是一个用来对动态系统进行仿真和分析的软件库。它支持连续、离散、及两者混合的线性和非线性系统。它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真相比具有更直观、更方便、更灵活的优点。6.1 仿真模型*.mdl文件是Simulink仿真工具箱仿真所设计的文件。它具有功能强大，而且包含了常用的大部分元器件仿真数学模型，形象易懂，便于设计。3单相桥式全控整流电路的Matlab仿真电路图如图所示：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断地周期性交替导通，关断，所以脉冲出发周期应相差180°。6.2 原件参数a.交流电源参数交流电源Us的参数设定hiliub.同步脉冲信号发生器参数VT1、VT4触发脉冲的设置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0.0