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文檔簡(jiǎn)介
1、<p><b> 1 緒論</b></p><p> 所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說(shuō)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)中所變換的“電力”和“電力系統(tǒng)”所指的“電力”是有區(qū)別的。兩者都指“電能”,但后者更具體,特指電力網(wǎng)的電力,前者則更一般一些。具體地說(shuō),電力電子技術(shù)就是使用電力電子
2、器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。</p><p> 電力電子器件是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。正是大功率晶閘管的發(fā)明,使得半導(dǎo)體變流技術(shù)從電子學(xué)中分離出來(lái),發(fā)展成為電力電子技術(shù)這一專門的學(xué)科。電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù),但它的的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門,包括鋼鐵、冶金、化工、電力、石油、汽車、運(yùn)輸以及人們的日常生活。功率范圍大到幾千兆瓦的高壓直流輸電,小到一瓦的手機(jī)充電器,電
3、力電子技術(shù)隨處可見(jiàn)。 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用中也有了長(zhǎng)足的發(fā)展,電力電子裝置與傳統(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)操作設(shè)備相比有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,控制方便,靈活的特點(diǎn),能夠顯著地改善電力系統(tǒng)的特性,在提高系統(tǒng)穩(wěn)定、降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約運(yùn)行成本方面有很大潛力。有人預(yù)言,電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制一起,將和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來(lái)科學(xué)技術(shù)的兩大支柱??梢?jiàn),電力電子技術(shù)在21世紀(jì)中將會(huì)起著十分重要的作用,有著十分光明的未來(lái)。</p><p>
4、 隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人們對(duì)電路的要求也越來(lái)越高,由于在生產(chǎn)實(shí)際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應(yīng)用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上,目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電,而在許多場(chǎng)合,例如電解、蓄電池的充電、直流電動(dòng)機(jī)等,需要用直流電。要得到直流電,除了直流發(fā)電機(jī)外,最普遍應(yīng)用的是利用各種半導(dǎo)體元件產(chǎn)生直流電
5、。這個(gè)方法中,整流是最基礎(chǔ)的一步。整流,即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?,把方向和大小交變的電流變換為直流電,整流的基礎(chǔ)是整流電路。</p><p><b> 2 設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p><b> 2.1設(shè)計(jì)目的</b></p><p> 1.加深理解《電力電子技術(shù)》課程的基本理論。</p>&l
6、t;p> 2.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。</p><p> 3.學(xué)習(xí)MATLAB仿真軟件及各模塊參數(shù)的確定。</p><p> 2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求</p><p><b> 設(shè)計(jì)條件:</b></p><p> 1.電源電壓:交流100V/50Hz</p>
7、<p> 2.輸出功率:500W</p><p><b> 3.觸發(fā)角</b></p><p><b> 4.純電阻負(fù)載</b></p><p> 根據(jù)課程設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)條件,說(shuō)明主電路的工作原理、計(jì)算選擇元器件參數(shù)。</p><p><b> 設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:</
8、b></p><p> 1.整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算</p><p> 2.晶閘管電流、電壓額定參數(shù)選擇</p><p><b> 3.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)</b></p><p> 2.3 設(shè)計(jì)工作內(nèi)容及工作量的要求</p><p> 1.根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求的指標(biāo),通過(guò)查閱有關(guān)資料分析
9、其工作原理,確定各器件參數(shù),設(shè)計(jì)電路原理圖。</p><p> 2.利用MATLAB仿真軟件繪制主電路結(jié)構(gòu)模型圖,設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。</p><p> 3.仿真用示波器模塊觀察和記錄電源電壓、觸發(fā)信號(hào)、晶閘管電流和電壓,負(fù)載電流和電壓的波形圖。</p><p><b> 3 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p> 3
10、.1 設(shè)計(jì)方案的選擇</p><p> 單相全控橋式純電阻負(fù)載整流電路可分為單相橋式帶阻感負(fù)載相控整流電路和單相橋式帶阻感負(fù)載半控整流電路,它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn)。下面分析兩種單相橋式整流電路在帶電感性負(fù)載的工作情況。 </p><p> 單相半控橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是:線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)是:輸出電壓脈動(dòng)沖大,負(fù)載電流脈沖大(電阻性負(fù)載時(shí)),且整流變壓器二
11、次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化,變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小,功率因數(shù)高,變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波,沒(méi)有直流磁化問(wèn)題,變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 </p><p> 單相全控橋式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍,在相同的負(fù)載下流過(guò)晶閘管的平均電流減小一半;且功率因數(shù)提高了一半。 單相半波相控整流電路因其性能較差,實(shí)際中很少采用,在中小功率場(chǎng)合采用更多的是單
12、相全控橋式整流電路。 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路(負(fù)載為阻感性負(fù)載)。</p><p> 3.2 整流電路設(shè)計(jì)</p><p> 圖3.2單相橋式全控整流電路(純電阻性負(fù)載)</p><p> 單相橋式全控整流電路是由交流電源、整流變壓器、晶閘管、負(fù)載以及觸發(fā)電路組成。</p><p><b>
13、; 其工作原理如下:</b></p><p> 1)在u2正半波的(0~α)區(qū)間,晶閘管VT1、VT4承受正向電壓,但無(wú)觸發(fā)脈沖,晶閘管VT2、VT3承受反向電壓。因此在0~α區(qū)間,4個(gè)晶閘管都不導(dǎo)通。假如4個(gè)晶閘管的漏電阻相等,則Ut1、4= Ut2、3=1/2*u2。</p><p> 2)在u2正半波的(α~π)區(qū)間,在ωt=α?xí)r刻,觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導(dǎo)通
14、。</p><p> 3)在u2負(fù)半波的(π~π+α)區(qū)間,在π~π+α區(qū)間,晶閘管VT2、VT3承受正向電壓,因無(wú)觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài),晶閘管VT1、VT4承受反向電壓也不導(dǎo)通。</p><p> 4)在u2負(fù)半波的(π+α~2π)區(qū)間,在ωt=π+α?xí)r刻,觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其元件導(dǎo)通,負(fù)載電流沿b→VT3→R→VT2→α→T的二次繞組→b流通,電源電壓沿正半周期的方向施加
15、到負(fù)載電阻上,負(fù)載上有輸出電壓(ud=-u2)和電流,且波形相位相同。</p><p> 3.3 元器件的選擇</p><p> 3.3.1 晶閘管</p><p> 晶管又稱為晶體閘流管,可控硅整流(Silicon Controlled Rectifier--</p><p> SCR),開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄
16、新時(shí)代; 20世紀(jì)80年代以來(lái),開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高,工作可靠,以被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域,成為功率低頻(200Hz以下)裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型--普通晶閘管。廣義上講,晶閘管還包括其許多類型的派生器件。</p><p><b> 1)晶閘管的結(jié)構(gòu)</b></p><p>
17、; 晶閘管是大功率器件,工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱,因此必須安裝散熱器。引出陽(yáng)極A、陰極K和門極(或稱柵極)G三個(gè)聯(lián)接端。</p><p> 2)晶閘管的工作原理圖</p><p> 晶閘管由四層半導(dǎo)體(P1、N1、P2、N2)組成,形成三個(gè)結(jié)J1(P1N1)、J2(N1P2)、J3(P2N2),并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個(gè)電極。由于具有擴(kuò)散工藝,具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可
18、以等效成如圖3.3.1(右)所示的兩個(gè)晶閘管T1(P1-N1-P2)和(N1-P2-N2)組成的等效電路。</p><p> 圖3.3.1 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路</p><p> 3)晶閘管的門極觸發(fā)條件</p><p> ?。?): 晶閘管承受反向電壓時(shí),不論門極是否有觸發(fā)電流,晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通; </p><p> (2):晶
19、閘管承受正向電壓時(shí),僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通;</p><p> ?。?):晶閘管一旦導(dǎo)通門極就失去控制作用;</p><p> (4):要使晶閘管關(guān)斷,只能使其電流小到零一下。</p><p> 晶閘管的驅(qū)動(dòng)過(guò)程更多的是稱為觸發(fā),產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流IG的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于能過(guò)門極只能控制其開(kāi)通,不能控制其關(guān)斷,晶閘管才被稱為半
20、控型器件。</p><p> 只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。</p><p> 3.3.2 晶閘管電流、電壓額定值的選擇</p><p> 晶閘管所能承受的最大正向電壓和反向電壓分別為。</p><p> 為選擇晶閘管、變壓器容量、導(dǎo)線面積等定額,需要考慮發(fā)熱問(wèn)題,為此需要計(jì)算電流有效值。流過(guò)晶閘管的電流有效值為<
21、/p><p> 變壓器二次電流有效值與輸出直流電流有效值I相等,為</p><p><b> I=</b></p><p><b> 由上面兩式可得出:</b></p><p> 不考慮變壓器的損耗時(shí),要求變壓器的容量為。</p><p> 4 單相橋式全控整流電路純
22、電阻性負(fù)載電路設(shè)計(jì)</p><p> 4.1 單相橋式全控整流電路純電阻性負(fù)載工作原理</p><p> 4.1.1 單相橋式全控整流電路純電阻性負(fù)載工作原理圖</p><p> 圖4.1.1 單相橋式全控整流電路純電阻性負(fù)載工作原理圖</p><p> 4.1.2 工作原理說(shuō)明</p><p> 晶閘管和組
23、成一對(duì)橋臂,和組成另一對(duì)橋臂。當(dāng)變壓器二次電壓U2為正半周時(shí)(a端為正,b端為負(fù)),相當(dāng)于控制角a的瞬間給和以觸發(fā)脈沖,和即導(dǎo)通,這時(shí)電流從電源a端經(jīng)、、V4流回到電源b端。這期間V2和V3均承受反壓而截止。當(dāng)電源電壓過(guò)零時(shí),電流也降到零,V1和即關(guān)斷。</p><p> 在電源電壓的負(fù)半周期,仍在控制角為a處觸發(fā)晶閘管和,則和導(dǎo)通。電流從電源b端經(jīng)、、流回電源a端。到一周期結(jié)束時(shí)電壓過(guò)零,電流亦降至零,和關(guān)斷
24、。在電源電壓的負(fù)半周期,和均承受反向電壓而截止。很顯然上述兩組觸發(fā)脈沖在相位上相差180°。以后又是和導(dǎo)通,如此循環(huán)工作下去。</p><p> 4.2 基本參數(shù)計(jì)算</p><p> 1)變壓器的變比k===2.2</p><p> 2)整流電壓平均值: </p><p> Ud=0.9U2=22.5 V</p
25、><p> 3) 輸出電流平均值: </p><p> Id===22.22A</p><p><b> 4)負(fù)載電阻:</b></p><p> R===1.1025Ω</p><p>
26、; 5) 晶閘管的電流平均值:</p><p><b> =11.11A</b></p><p> 6) 流過(guò)晶閘管的電流有效值: </p><p><b> =28.36A</b></p><p> 7) 晶閘管所承受的最大正向電壓=V=70.71V</p><p&g
27、t; 最大反向電壓為=141.42V</p><p> 8) 晶閘管的額定電壓:</p><p><b> ~424.26V</b></p><p> 9) 晶閘管的額定電流:</p><p> I=(1.5~2)=27.09~36.13A</p><p><b> 4.3
28、建模</b></p><p> 在MATLAB新建一個(gè)Model,命名為untitled.mdl,同時(shí)模型建立如下圖所示:</p><p> 圖4.3.1 在matlab中建立的單相橋式全控整流電路電阻性負(fù)載電路圖</p><p> 在此電路中,輸入電壓的電壓設(shè)置為141.42V,頻率設(shè)置為50Hz,電阻阻值設(shè)置為1.1025歐姆,脈沖輸入的電壓設(shè)
29、置為1V,周期設(shè)置為0.02(與輸入電壓一致周期),占空比設(shè)置為10%,觸發(fā)角設(shè)置為因?yàn)?個(gè)晶閘管在對(duì)應(yīng)時(shí)刻不斷地周期性交替導(dǎo)通,關(guān)斷,所以脈沖出發(fā)周期應(yīng)相差180°。</p><p><b> a.交流電源參數(shù)</b></p><p> 圖4.3.1 交流電源Us的參數(shù)設(shè)定</p><p> hiliub.同步脈沖信號(hào)發(fā)生器
30、參數(shù)</p><p> 圖4.3.2 VT1、VT4觸發(fā)脈沖的設(shè)置</p><p> 圖4.3.3 VT2、VT3觸發(fā)脈沖的設(shè)置</p><p> 見(jiàn)圖4.3.2和圖4.3.3,幅值均為1V,即大于晶閘管的門檻0.8V,周期為0.02s,也就是50Hz,脈寬均為10,延遲時(shí)間分別為0.0067s和0.0167s。</p><p>
31、按照關(guān)系式t=,控制角=120,周期T=0.02s,則第一個(gè)脈沖在t= 0.0067s時(shí)到來(lái)?;パa(bǔ)的兩套管在一個(gè)周期內(nèi)各導(dǎo)通一次,所以第二個(gè)脈沖在t=0.01+t=0.0167s。</p><p><b> c.負(fù)載電阻的參數(shù)</b></p><p> 圖4.3.4 純電阻性負(fù)載的設(shè)置</p><p><b> 4.4 仿真結(jié)
32、果</b></p><p> 圖4.4.1 示波器所示仿真結(jié)果</p><p> 示波器顯示內(nèi)容:第一行U:VT和VT的觸發(fā)脈沖;第二行U:二次側(cè)交流電壓值;第三行i:晶閘管電流;第四行:晶閘管電壓;第五行:流過(guò)負(fù)載的電流;第六行U:負(fù)載兩端的電壓。</p><p><b> 5 總結(jié)</b></p><
33、p> 這是我第一次完成整個(gè)課程設(shè)計(jì),通過(guò)這次的經(jīng)歷我加深了對(duì)《電力電子技術(shù)》這門課程的基本理論的理解,掌握了電力電子電路的一種設(shè)計(jì)方法, 也學(xué)習(xí)MATLAB仿真軟件及各模塊參數(shù)的確定。由于理論知識(shí)的缺乏,以及對(duì)課程設(shè)計(jì)的不熟悉,課程設(shè)計(jì)還有很多不足之處,在以后的課程設(shè)計(jì)中,希望能有所改善。</p><p> 經(jīng)過(guò)兩個(gè)星期的努力,我們終于完成了單相橋式全控整流電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)?;叵脒@十多天的努力,雖然辛苦
34、,卻有很大的收獲和一種成就感。</p><p> 通過(guò)本次課程設(shè)計(jì),我加深了對(duì)單相橋式全控整流電路的理解,所學(xué)的理論知識(shí)很好的運(yùn)用到了實(shí)際工程中。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中,涉及了很多知識(shí),知識(shí)的掌握深度和系統(tǒng)程度都關(guān)系到整個(gè)設(shè)計(jì)的完整性和完善性,因此本次設(shè)計(jì)不但是我對(duì)所學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)化,也鍛煉了我查找資料、分析信息、選擇判斷的能力。</p><p> 在整個(gè)的程設(shè)計(jì)中,把遇到的疑問(wèn)做了筆記,并
35、通過(guò)各種資料去了解相關(guān)的知識(shí)。也希望帶著這些疑問(wèn)在學(xué)習(xí)中與其他同學(xué)討論或請(qǐng)教來(lái)解決。除此之進(jìn)行外通過(guò)邊做邊學(xué)習(xí)及向同學(xué)、老師請(qǐng)教,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)順利完成了任務(wù)范圍內(nèi)的工作。</p><p> 本次課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我們自學(xué)的能力,以及實(shí)踐能力和細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)。此外,還學(xué)會(huì)了如何更好的去陳述自己的觀點(diǎn),如何說(shuō)服別人認(rèn)同自己的觀點(diǎn),相信這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)將會(huì)成為我今后成功的基石。課程設(shè)計(jì)是每個(gè)大學(xué)生必須擁有的一段經(jīng)歷,它讓我
36、們學(xué)到了很多在課堂上根本無(wú)法學(xué)到的知識(shí),也打開(kāi)了我們的視野,增長(zhǎng)了見(jiàn)識(shí),為我們以后更好的服務(wù)社會(huì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p><b> 參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p> [1].王兆安.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2009</p><p> [2].李傳琦.電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn).電子工業(yè)出版社.2005</p&
37、gt;<p> [3].洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.機(jī)械工業(yè)出版社.2006</p><p> [4].鐘炎平.電力電子電路設(shè)計(jì).華中科技大學(xué)出版社.2010</p><p><b> 致 謝</b></p><p> 能夠順利完成這次的課程設(shè)計(jì)任務(wù),首先要感謝*老師在上課時(shí)的詳細(xì)講解,尤其在第
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