电力电子技术课程设计

电子技术课程设计说明书第5页共17页引言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，斩波，变频，变相等）两个分支。现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。电力电子学（PowerElectronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。1.1什么是电力电子技术一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，载流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。eq\o\ac(○,1)利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功率。电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。整流电路是电力电子中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。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。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交流成分。变压器设置与否是具体情况而定。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；按交流输入详述分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧的方向是单向还是双向，又可分为单拍电路和双拍电路。半波整流电路是一种最简单的整流电路。它由电源变压器B、整流二极管D和负载电阻Rfz，组成。变压器把市电电压（多为220伏）变换为所需要的交变电压e2，D再把交流电变换为脉动直流电。变压器砍级电压e2，是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压，它的波形如图5-2（a）所示。在0～K时间内，e2为正半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压面导通，e2通过它加在负载电阻Rfz上，在π～2π时间内，e2为负半周，变压器次级下端为正；上端为负。这时D承受反向电压，不导通，Rfz，上无电压。在π～2π时间内，重复0～π时间的过程，而在3π～4π时间内，又重复π～2π时间的过程…这样反复下去，交流电的负半周就被"削"掉了，只有正半周通过Rfz，在Rfz上获得了一个单一右向（上正下负）的电压，如图5-2（b）所示，达到了整流的目的，但是，负载电压Usc。以及负载电流的大小还随时间而变化，因此，通常称它为脉动直流。这种除去半周、图下半周的整流方法，叫半波整流。不难看出，半波整说是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低（计算表明，整流得出的半波电压在整个周期内的平均值，即负载上的直流电压Usc=0.45e2，此处注意e2是变压器二次端口的有效值，而不是最大值。如变压器得到e2=,e2取值为20）因此常用在高电压、小电流的场合，而在一般无线电装置中很少采用整流电路。eq\o\ac(○,2)整流电路的分类可从各中角度对整流电路进行分析，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半孔、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数可分为单相电路和多项电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双相，有分为单拍电路和双拍电路。1.2．2什么是晶闸管可控硅（又名晶闸管）不同于整流二极管，可控硅的导通是可控的。可控整流电路的作用是把交流电变换为电压值可以调节的直流电。图1-1所示为单相半波可控整流实验电路。可控硅的特点是以弱控强，它只需功率很小的信号（几十到几百mA的电流，2~3V的电压）就可控制大电流、大电压的通断。因而它是一个电力半导体器件，被应用于强电系统。1.2带续流二极管的单相半波可控整流电路，电阻负载。对这个课程设计的研究，可以加深我对电力电子技术的理解，学习MATLAB仿真软件及各模块参数的确定，深刻理解整流电路的各项参数工作原理，是十分有意义的。单相半波可控整流电路设计2．1设计任务及要求（1）单相半波可控整流电路，电阻负载（2）电源电压：由变压器降到U2=60V，50Hz，最大Id=30A（3）要求输出电压平均值在0~20V连续可调2.2设计方案单相半波可控整流电路电路图图2-1单相半波可控整流电路（电阻性负载）电路原理图2.2.1工作原理单相半波可控整流电流（电阻性负载）原理图，变压器t器变换电压和隔离的作用，晶闸管作为开关元件，用u1和u2分别表示一次和二次电压瞬时值，有效值分别用U1，U2表示。二次电压u2为50hz正弦波波形如图所示，其有效值为u2，如图2-1。当晶闸管VT处于断态的时候，电路中没有电流，在负载电阻两端可测得电压为零，u2全部施加于VT两端。当VT承受正向阳极电压时，给VT门极加触发脉冲，那么VT就被开通了。当忽略晶闸管的通态压降时，则直流输出电压瞬时值ud与u2相等。至wt=π时u2降为0，电路中的电流也变为0，VT关断，ud，id均为0。改变晶闸管的触发时刻，ud和id的波形也会随之改变，u2的波形只在正半周内出现，为“半波可控整流电路”。eq\o\ac(○,3)2.2.2输出的各个值1.直流输出电压平均值因为U2=60V,Ud在0-20V时连续可调，所以可以算出α的范围为61.22°-180°，晶闸管的导通角为π-α，即0—118.78°。又因为最大Id=30A，所以可以算出电阻R=Ud/Id=20/30=0.667欧。晶闸管的选择：晶闸管承受的最大反向电压：Um=U2=84.8V，Id已经为有效值不用再除以。额定电压：（2-3）*U2=169.7-254.5V额定电流：（1.5-2）*Id/1.57=28.7-38.2A变压器二次侧的的功率因素：因为Ud，Id成正比，两者波形相同，夹角为0度，所以功率因素为1.所以可以把仿真电路的参数设置出来。3.建立仿真模型1.根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图eq\o\ac(○,4)，如图3-1。图3-12.仿真参数，相对误差（relativetolerance）1e-3，开始时间0结束时间10s，如图3-2。图3-23.脉冲参数，振幅3V，周期0.02，占空比10%，时相延迟（1/50）x（n/360）s，如图3-3图3-34.电源参数，频率50hz，电压220v，如图3-4。可调为60V,如图3-5图3-4图3-55.晶闸管各项参数，如图3-66．电阻的参数设置7.仿真参数设置设置触发脉冲α分别为70°、80°、90°、120°、150°、180°。在波形图中第一列波为脉冲波形，第二列波为晶闸管电压波形，第三列波为负载电压波形，第四列波为电源波形,第五列为负载电流波形，第六列为晶闸管的电流波形。（1）70°时的波形（2）80°时的波形（3）90°时的波形（4）120°时的波形（6）150°时的波形（7）180°时的波形4总结由上述设计可知，VT的移相范围为61.22°--180°。在电源电压正半波（0~π区间），晶闸管承受正向电压，在ωt=α处触发晶闸管，晶闸管开始导通，形成负载电流Id，负载上有输出电压和电流。在ωt=π时刻，U2=0，电源电压自然过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为0。在电源电压负半波（π~2π区间），晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载上没有输出电压，负载电流为0。直到电压电源U2的下个周期的正半波，脉冲在ωt=2π+α处又触发晶闸管，晶闸管再次被触发导通，输出电压和电流有加在负载上，如此不断反复。4.1心得体会本次课程设计中，经过亲自的动手仿真电路，并自己对波形图进行观察，对单相半波整流电路的概念又有了新的理解。本来只是在书本上看到了理想的波形，但是在实验中，基本轮廓不变，但真正的波形还是和理想波形有很大的差别的。因此，这次实验还是让我觉得受益匪浅，对单项半波可控整流电路（电阻负载）亦有了新的认识。

参考文献[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009[2].张润和.电力电子技术及应用.北京大学出版社.2008.8[3].曲学基，曲敬铠，于明杨等.电力电子整流技术及应用.电子工业出版社.2008.4[4].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.2006致谢本文是在高丽珍、张晓明老师精心指导和大力支持下完成的。高丽珍、张晓明老师在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。老师以其严谨求实的治学态度、高度