电力电子设计报告

1、选题背景...............................................................................21.1课程设计的性质和目的..............................................22、设计理念...............................................................................32.1、设计目的和内容........................................................32.1.1、设计要求：............................................................32.2整流电路.......................................................................43、设计过程...............................................................................53.1对MATLAB的学习.....................................................53.2元件查找.......................................................................63.3线路连接.......................................................................73.4元件参数计算...............................................................73.5仿真...............................................................................83.6晶闸管的选择.............................................................114、结果分析.............................................................................125、课程设计总结.....................................................................12参考文献....................................................................................13附录............................................................................................14课题名称单相全控桥式晶闸管整流电路（纯电阻负载）1、选题背景整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给用电设备。整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀、店接电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。1.1课程设计的性质和目的性质：电气工程及其自动化专业的必修实践性环节。目的：1、对MATLAB软件初步认识，学习simulink的使用方法。2、培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力。3、加深理解《电力电子技术》课程的基本理论。4、初步掌握电力电子电路的设计方法。5、培养独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；6、培养分析、总结及撰写技术报告的能力。2、设计理念2.1、设计目的和内容2.1.1、设计要求：单相全控桥式晶闸管整流电路设计（纯电阻负载）：1.电源电压：交流1000V/50Hz；2.输出功率：500KW；3.移相范围：0°-180°。2.1.2、要求完成的主要任务：（1）熟悉设计任务书，分析设计要求，借阅参考资料；（2）掌握MATLAB的基本操作和用法；（2）在simulink仿真中上设计硬件原理图；（3）修改原理图；（4）计算元件参数；（5）调试和仿真；（6）依元件参数选取厂家元件；（7）撰写设计报告，绘图等。本次设计中要明确整流中半波可控与全波可控区别，明确整流电路工作原理，定性分析电路工作情况。之后是实际上对单相全控桥式整流晶闸管电路的研究和设计,其中包括主电路和触发电路；随后仿照参考电路进行Matlab仿真，选取合适的仿真元件，进行初步仿真，并对仿真结果进行分析与总结；理解电路定量分析计算的方法，并计算出主电路的各部件的参数，然后依照参数在各厂家的产品中选出合适的工作器件。2.2整流电路整流电路可从各种角度进行分类，主要的分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相和多相电路；按变压器二次电流的方向是单相还是双向，又分为单拍电路和双拍电路。单相桥式全控整流电路根据所连接的负载性质不同就会有不同的特点，负载分为电阻性负载、电阻-电感性负载和反电动势负载时的工作情况。本次只考虑纯电阻负载情况。(图如下)图1单相桥式全控整流电路（纯电阻负载）单相桥式全控整流电路，由4个可控硅组成桥式整流，能控制交流输入和直流输出。其中两只晶闸管接成共阴极，两只晶闸管接成共阳极，每一只晶闸管都是一个桥臂。前方的变压器主要是磁隔离的作用。而单相桥式全控整流电路与单相半波整流相比，波的利用率更好，实现了全波的利用，并且利用晶闸管可以有效的控制整流后电流大小。3、设计过程3.1对MATLAB的学习MATLAB是Mathworks公司开发的一种数学类科技应用软件，经过二十多年的不断完善和发展，MATLAB成为由基本语言、工作环境、图形处理系统、数学函数库以及应用程序接口等五大部分组成的优秀工程计算应用软件。MATLAB特别适用于研究、解决工程和数学问题，从而促进了自动控制理论等学科的发展。本次实验主要为利用simulink中的块原件来构建电力电子中的一种基本整流电路——单相桥式全控整流电路，整流电路是出现最早的电力电子电路，电路的功能是将交流电变为直流电在整流电路的设计过程中，需要对设计电路及有关参数选择是否合理、效果好坏进行验证。如果通过实验来验证，需要经过反复多次的元件安装、调试、重新设计等步骤，这样使得设计耗资大，效率低，周期长。现代计算机仿真技术为电力电子电路的设计和分析提供了崭新的方法，可以使复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变得更加容易和有效。Matlab是一种计算机仿真软件，它是以矩阵为基础的交互式程序计算语言。Simulink是基于框图的仿真平台，它挂接在Matlab环境上，以Matlab的强大计算功能为基础，用直观的模块框图进行仿真和计算。其中的电力系统（PowerSystem）工具箱是专用于RLC电路、电力电子电路、电机传动控制系统和电力系统仿真用的模型库。以Matlab为设计平台，利用Simulink中的PowerSystem工具箱来搭建整流电路仿真模型，设置参数进行仿真。3.2元件查找在工具箱中找出本次要使用到的仿真模型，图如下：图2、仿真元件图示从左到右，从上到下依次是：1、电压测量；2、电流测量；3、晶闸管；4、交流电压源；5、脉冲发生器；6、示波器；7、电阻；8、变压器；3.3线路连接依照图1将元件连接起来，图如下：图3、连接图3.4元件参数计算输出电压平均值）（π）π2/cos2/1*U29.0ttdU2sin2*/1(Ud当α=0°时：Ud=900VP=500kwId=Ud/R=556A流过晶闸管电流平均值Idvt=（1/2）Id=278A流过晶闸管电流有效值Ivt=436.5A晶闸管承受最大正向反压晶闸管承受最大反向电压3.5仿真把数据写入到图3所示系统中，得到结果；波形图：线路图：图4Ω62.1/2PUdRVU7072/22VU141422在电源电压u2正半周（即a点点位高于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的漏电阻相同，则各承受u2的一半。若在触发角α处给VT1和VT2加触发脉冲，VT1和VT4导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。在电源电压u2负半周，仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3（VT2和VT3的α=0处为ωt=π），VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。到u2过零是，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1则VT4导通，如此循环工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、VT4两端电压波形如上图。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为√2/2U2和√2U2。由MATLAB仿真截得线路情况如图5、6、7：图5、电阻电压图图6、电流图图7、晶闸管承受的电压波形：3.6晶闸管的选择(1)选择晶闸管的类型：晶闸管有多种类型，应根据应用电路的具体要求合理选用。若用于交直流电压控制、可控整流、交流调压、逆变电源、开关电源保护电路等，可选用普通单向晶闸管。若用于交流开关、交流调压、交流电动机线性调速、灯具线性调光及固态继电器、固态接触器等电路中，应选用双向晶闸管。若用于交流电动机变频调速、斩波器、逆变电源及各种电子开关电路等，可选用门极关断晶闸管。若用于锯齿波发生器、长时间延时器、过电压保护器及大功率晶体管触发电路等，可选用BTG晶闸管。若用于电磁灶、电子镇流器、超声波电路、超导磁能储存系统及开关电源等电路，可选用逆导晶闸管。若用于光电耦合器、光探测器、光报警器、光计数器、光电逻辑电路及自动生产线的运行监控电路，可选用光控晶闸管。2．选择晶闸管的主要参数：晶闸管的主要参数应根据应用电路的具体要求而定。所选晶闸管应留有一定的功率裕量，其额定峰值电压和额定电流(通态平均电流)均应高于受控电路的最大工作电压和最大工作电流1．5～2倍。晶闸管的正向压降、门极触发电流及触发电压等参数应符合应用电路(指门极的控制电路)的各项要求，不能偏高或偏低，否则会影响晶闸管的正常工作。晶闸管选用st/意法公司下的BTW67（50A标准晶闸管整流器）部分参数如下：PackageRD_91RMSon-statecurrent(A)max50Repetitivepeakoff-statevoltage(V)max1000Nonrepetitivesurgepeakon-statecurrent(A)max580JunctionTemperature(oc)max125Triggeringgatecurrent(mA)max80Risingratioofoffvoltage(V/μs)min1000数据手册见附录4、结果分析通过Matlab的仿真，输出的波形与理论波形一致，误差较小，输出的数据与理论数据误差极小。说明仿真的整流电路能将交流变为直流。5、课程设计总结在本次电力电子课程设计过程中，我学到了许多东西，但同时也遇到了很多问题。首先，我们把平时在课堂上学到的电力电子理论知识同本次单相全控整流电路的设计联系起来，深刻理解了桥式整流可控与不可控的区别。在选择器件时也懂得了各个器件选择的原则及其工作原理，这对我们再以后的学习工作是很有帮助的。其次，我们用MATLAB软件绘制出了原理图，并进行了仿真，达到了预期设计目标，加深了对系统仿真部分的理解。但在另一方面也遇到了很多问题。对我们来说理论是简单的，电路却麻烦很多，也容易出现很多问题。在使用MATLAB设计原理图时，我们经过了很长时间的练习和熟悉，才能从元件库里选出合理元件，按照原理图连好线