鞠春成電力電子技術課程設計論文模板

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學 電力電子技術 課程設計（論文）題目：單相橋式半控晶閘管整流電路設計院（系）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 自動化111班 學 號： 110302011 學生姓名： 鞠春成 指導教師： （簽字）起止時間： 2013.12.30-2014.1.10 課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：自動化 學 號110302011學生姓名鞠春成專業(yè)班級自動化111班課程設計題目單相橋式半控晶閘管整流電路設計課程設計（論文）任務課題完成的功能、設計任務及要求、技術參數(shù)實現(xiàn)功能交流電源通過變壓器隔離變壓之后，經(jīng)過晶閘管整流電路輸出直流電壓，作為負載的供電電源。負載為阻感負

2、載，且R=2，L=40mH。設計任務及要求1、計算變壓器容量，選擇型號；2、計算晶閘管的額定參數(shù)，選擇型號；3、設計主電路；4、選擇晶閘管的觸發(fā)電路和相應的保護電路；5、仿真分析；6、按學校規(guī)定格式，撰寫、打印設計說明書一份；設計說明書應在4000字以上。技術參數(shù)電源電壓100V/50Hz，輸出電壓068V。進度計劃1、布置任務，查閱資料，確定系統(tǒng)的組成（1天）2、計算參數(shù)，選擇器件（2天）3、設計主電路和觸發(fā)電路、保護電路（2天）4、仿真分析（2天）5、撰寫、打印設計說明書（2天）6、答辯（1天）指導教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時

3、20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要單相橋式半控整流電路的工作特點是晶閘管觸發(fā)導通，而整流二極管在陽極電壓高于陰極電壓時自然導通。單相橋式整流電路在感性負載電流連續(xù)時，當相控角<90°時，可實現(xiàn)將交流電功率變?yōu)橹绷麟姽β实南嗫卣?；?gt;90°時，可實現(xiàn)將直流電返送至交流電網(wǎng)的有源逆變。在有源逆變狀態(tài)工作時，相控角不應過大，以確保不發(fā)生換相（換流）失敗事故。單相橋式半控整流電路雖然具有電路簡單、調(diào)整方便、使用元件少等優(yōu)點，而且不會導致失控顯現(xiàn)，續(xù)流期間導電回路中只有一個管壓降，少了一個管壓降，有利于降低損耗單相半控橋式整流電路的設計，我們首先對電

4、路原理進行分析，通過分析，結合具體的性能指標求出相應的參數(shù)，然后在Matlab仿真軟件中建立仿真模型，仿真模型采用交流輸入電源，使用晶閘管和二極管作為整流器件，通過不斷仿真、調(diào)試、不斷修改參數(shù)，知道符合正確的參數(shù)要求。關鍵詞：半控；整流；晶閘管；仿真；感性負載 目 錄第1章 緒論1第2章 單相橋式半控整流電路設計22.1 設計內(nèi)容及要求22.2 電路的設計及工作原理2第3章 元器件的選擇43.1 晶閘管43.2 晶閘管的結構與工作原理43.3 晶閘管的選擇63.4 電力二極管7第4章 觸發(fā)電路84.1 對觸發(fā)電路的要求84.2 單節(jié)晶體管觸發(fā)電路9第5章 MATLAB建模與仿真10第6章 課程

5、設計總結13參考文獻14第1章 緒論電力電子學，又稱功率電子學（Power Electronics）。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。它既是電子學在強電（高電壓、大電流）或電工領域的一個分支又是電工學在弱電（低電壓、小電流）或電子領域的一個分支，或者說是強弱相結合的新科學。電力電子學是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領域的一個新興工程技術學科。隨著科學技術的日益發(fā)展，人們對電路的要求也越來越高，由于在生產(chǎn)實際中需要大小可調(diào)的直流電源，而相控整流電路結構簡單，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

6、電能，是目前獲得直流電能的主要方式，得到了廣泛應用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)共給用戶的是交流電，而許多場合，例如點解，蓄電池的充電，直流電動機等，需要直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機外，最普遍運用的是利用各種半導體元件產(chǎn)生直流電。這種方法中，整流是最基礎的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷逊较蚝痛笮〗蛔兊碾娏髯儞Q為直流電。整流的基礎是整流電路。整流電路的形式是各種各樣的，整流的結構也是比較多的。單相橋式半控整流電路，對每一個導電回路進行控制，相對于全控橋而言少了一個控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗。所以本次課程設計我們將單結晶體管觸發(fā)的單相晶閘管半控

7、整流電路作為設計課題。第2章 單相橋式半控整流電路設計2.1 設計內(nèi)容及要求交流電源通過變壓器隔離變壓之后，經(jīng)過晶閘管整流電路輸出直流電壓，作為負載的供電電源。負載為阻感負載，且R=2，L=40mH。 電源電壓100V/50Hz，輸出電壓068V。設計成功后，用MATLAB對所設計的電路進行建模并仿真，獲得相應的電壓與電流波形，根據(jù)波形分析設計方法的可行性。 2.2 電路的設計及工作原理單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單相橋式相控流電路，它們所連接的負載性質(zhì)不同就會有不同的特點。而負載性質(zhì)又分為帶電阻性負載、電阻-電感性負載和反電動勢負載時的工作情況。單相橋式半控整流電路帶電阻負載的

8、電路圖如圖2-1所示。 圖2-1 單相橋式半控整流電路帶電阻負載在單相橋式半控整流電路中，VT1和VD4組成一對橋臂，VD2和VT3組成另一對橋臂。在u正半周（即a點電位高于b點電位），若4個管子均不導通，負載電流id為零，ud也為零，VT1、VD4串聯(lián)承受電壓u，設VT1和VD4的漏電阻相等，則各承受u的一半。若在觸發(fā)角處給VT1加觸發(fā)脈沖，VT1和VD4即導通，電流從電源a端經(jīng)VT1、R、VD4流回電源b端。當u過零時，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VD4關斷。在u負半周，仍在觸發(fā)延遲角處觸發(fā)VD2和VT3，VD2和VT3導通，電流從電源b端流出，經(jīng)VT3、R、VD2流回電源a端。到u

9、過零時，電流又降為零，VD2和VT3關斷。此后又是VT1和VD4導通，如此循環(huán)地工作下去。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為U和U。由于在交流電源的正負半周都有整流輸出電流流過負載，故該電路為全波整流。在u一個周期內(nèi)，整流電壓波形脈動2次，脈動次數(shù)多于半波整流電路，該電路屬于雙脈波整流電路。整流電壓平均值為=0時，Ud=Ud0=0.9U；=1800時，Ud=0。可見，角的移相范圍為1800。向負載輸出的直流電流平均值為管子VT1、VD4和VD2、VT3輪流導電，流過管子的電流平均值只有輸出直流電流平均值的一半，即流過晶閘管的電流有效值為 第3章 元器件的選擇3.1 晶閘管晶閘管（Thyr

10、istor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流（SCR），開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代。自20世紀80年代以來，晶閘管開始被性能更好的全控型器件取代。晶閘管能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領域，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。3.2 晶閘管的結構與工作原理 1）晶閘管的外形與結構圖3.1所示為晶閘管的外形、結構、電器圖形符號和模塊外形。從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結構，均引出陽極A、陰極K和

11、門極G三個連接端。晶閘管內(nèi)部是PNPN四層半導體結構，分別命名為P1、N1、P2、N2四個區(qū)。P1區(qū)引出陽極A，N2區(qū)引出陰極K，P2區(qū)引出門極G。四個區(qū)形成J1、J2、J3三個PN結。如果正向電壓加到器件上，則J2處于反向偏置狀態(tài)，器件A、K兩端之間處于阻斷狀態(tài)，只能流過很小的漏電流；如果反向電壓加到器件上，則J1和J3反偏，該器件也處于阻斷狀態(tài)，僅有極小的反向漏電流通過。2）晶閘管的工作原理晶閘管導通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋，如圖3.2所示。如在器件上取一傾斜的截面，則晶閘管可以看作由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2組合而成。如果外電路向門極注入電流IG，也就

12、是注入驅(qū)動電流，則IG流入晶體管V2的基極。即產(chǎn)生集電極電流Ic2，它構成晶體管V1的基極電流，放大成集電極電流Ic1，又進一步增大V2的基極電流，如此形成強烈的正反饋，最后V1和V2進入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管導通。此時如果撤掉外電路注入門極的電流IG，晶閘管由于內(nèi)部已形成了強烈的正反饋會仍然維持導通狀態(tài)。而若要使晶閘管關斷，必須去掉陽極所加的正向電壓，或者給陽極施加反壓，或者設法使流過晶閘管的電流降低到接近于零的某一數(shù)值以下，晶閘管才能關斷。所以，對晶閘管的驅(qū)動過程更多的是成為觸發(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。也正是由于通過其門極只能控制其開通，不能控制其關斷，晶閘管才

13、被稱為半控型器件。晶閘管在以下幾種情況下也可能被觸發(fā)導通：陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應；陽極電壓上升率du/dt過高；結溫較高；光直接照射硅片，即光觸發(fā)。這些情況除了由于光觸發(fā)可以保證電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備之外，其他都因不易控制而難以應用于實踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。圖3.1 晶閘管的外形、結構、電氣圖形符號和模塊外形a)晶閘管外形 b)內(nèi)部結構 c)電氣圖形符號 d)模塊外形圖3.2 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 3.3 晶閘管的選擇由于設計要求單相橋式半控整流電路輸出電壓范圍為0180伏連續(xù)可調(diào)，即化簡得取U=200V，則，正好滿

14、足的范圍。即輸出電壓的0180伏對應著角的18000。輸出平均電流的最大值為晶閘管承受的最大反向電壓為流過每個晶閘管的最大電流的有效值為故晶閘管的額定電壓為晶閘管的額定電流為3.4 電力二極管電力二極管（Power Diode）自20世紀50年代初期就獲得應用，雖然是不可控器件，但其原理和結構簡單，工作可靠，所以直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應用于許多電氣設備當中。電力二極管實際上是由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。當PN結外加正向電壓（正向偏置），即外加電壓的正端接P區(qū)、負端接N區(qū)時，外加電場與PN結自建電場方向相反，使得多子的擴散運動大于少子的漂移運動，形成擴散電流，在內(nèi)部造成空

15、間電荷區(qū)變窄，而在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF。當外加電壓升高時，自建電場將進一步被削弱，擴散電流進一步增加。這就是PN結的正向?qū)顟B(tài)。 當PN結外加反向電壓時（反向偏置），外加電場與PN結自建電場方向相同，使得少子的漂移運動大于多子的擴散運動，形成漂移電流，在內(nèi)部造成空間電荷區(qū)變窄，而在外電路上則形成自N區(qū)流入而從P區(qū)流出的電流，稱為反向電流IR。但是少子的濃度很小，在溫度一定時漂移電流的數(shù)值趨于恒定，被稱為反向飽和電流Is，一般僅為微安數(shù)量級，因此反向偏置的PN結表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態(tài)。這就是PN結的單向?qū)щ娦?，二極管的基本原理

16、就在于PN結的單向?qū)щ娦赃@個主要特征。第4章 觸發(fā)電路 4.1 對觸發(fā)電路的要求晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖有如下要求 。第一，觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。第二，觸發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。由晶閘管的門極伏安特性曲線可知，同一型號的晶閘管的門極伏安特性的分散性很大，所以規(guī)定晶閘管元件的門極阻值在某高阻和低阻之間，才可能算是合格的產(chǎn)品。晶閘管器件出廠時，所標注的門極觸發(fā)電流Igt、門極觸發(fā)電壓U是指該型號的所有合格器件都能被觸發(fā)導通的最小門極電流、電壓值，所以在接近坐標原點處以觸發(fā)脈沖應以一定的寬度且脈沖前沿應盡可能陡。

17、由于晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的，也就是晶閘管的導通需要一定的時間。只有當晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時，晶閘管才能導通，所以觸發(fā)信號應有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導通。觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。第三，觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導通后才能撤掉，晶閘管對觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應大于產(chǎn)品提出的數(shù)據(jù)，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發(fā)導通。第四，觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步

18、，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。第五，觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個周期都以相同的控制角被觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應該相同，而且要有固定的相位關系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。 4.2 單節(jié)晶體管觸發(fā)電路 圖4.1單節(jié)晶體管觸發(fā)電路從圖4.1可以看出，兩基極b1與b2之間的電阻稱為基極電阻：rbb=rb1+rb2式中：rb1-第一基極與發(fā)射結之間的電阻，其數(shù)值隨發(fā)射極電流ie而變化，rb2為第二基極與發(fā)射結之間的電阻，其數(shù)值與ie無關；發(fā)射結是PN結，與二極管等效。若在兩面三刀基極b2、b1間加上正電壓Vbb，則A點電壓為： VA=rb1/(rb

19、1+rb2)vbb=(rb1/rbb)vbb=Vbb式中：-稱為分壓比，其值一般在0.3-0.85之間，如果發(fā)射極電壓VE由零逐漸增加，就可測得單結晶體管的伏安特性，見圖4.2圖4.2 單節(jié)晶體管伏安特性（1）當Ve Vbb時，發(fā)射結處于反向偏置，管子截止，發(fā)射極只有很小的漏電流Ice（2）當VeVbb+VD時，VD為二極管正向壓降（約為0.7伏），PN結正向?qū)?，Ie顯著增加，rb1阻值迅速減小，Ve相應下降，這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負阻特性。管子由截止區(qū)進入負阻區(qū)的臨界P稱為峰點，與其對就的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點電壓Vp和峰點電流Ip和峰點電流Ip。Ip是正向漏電流，

20、它是使單結晶體管導通所需的最小電流，顯然Vp=Vbb。（3）隨著發(fā)射極電流ie不斷上升，Ve不斷下降，降到V點后，Ve不在降了，這點V稱為谷點，與其對應的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點電壓，Vv和谷點電流Iv。 （4）過了V點后，發(fā)射極與第一基極間半導體內(nèi)的載流子達到了飽和狀態(tài)，所以uc繼續(xù)增加時，ie便緩慢地上升，顯然Vv是維持單結晶體管導通的最小發(fā)射極電壓，如果VeVv，管子重新截止。4.3 觸發(fā)電路圖圖4.3單結晶體管構成的晶閘管觸發(fā)電路第5章 MATLAB建模與仿真啟動MATLAB，打開Simulink，新建文件，根據(jù)單相橋式半控整流電路所需的元器件添加相應的控件并連線，完成仿真圖的繪制。

21、繪制完成后的仿真圖如圖5-1所示 圖5-1 單相橋式半控整流電路的MATLAB仿真圖 由前面的計算我們已經(jīng)知道，當控制角從0連續(xù)變化到1800時，對應的直流輸出電壓從180V連續(xù)變化到0。圖5-2、5-3、5-4、5-5分別給出了控制角 為0、450、900、1800時的仿真波形圖。從上到下的分別是電源電壓U、晶閘管VT1的觸發(fā)脈沖P1、晶閘管VT3的觸發(fā)脈沖P2、流經(jīng)晶閘管VT1的電流Id1、流經(jīng)晶閘管VT3的電流Id2、輸出電壓Ud的波形。 圖5.1 SG3525的引腳 圖5-2 控制角=0時的仿真波形 圖5-3 控制角=450時的仿真波形 圖5-4 控制角=900時的仿真波形第6章 課程

22、設計總結這次課程設計讓我明白了很多關于電力電子技術方面的知識，尤其是在書本中介紹不完全的。要完成這次課程設計，僅僅靠書本知識是遠遠不夠的，所以我查閱了很多關于電力電子的書籍，并且也通過網(wǎng)絡查到了很多有關電力電子的知識。對于課程設計的內(nèi)容，首先要做的應是對設計內(nèi)容的理論理解，在理論充分理解的基礎上，才能做好課程設計，才能設計出性能良好的電路。設計過程中，我明白了整流電路，尤其是單相橋式半控整流電路的重要性以及整流電路設計方法的多樣性。這次的課程設計是我設計時間最長的一次，也是收獲最大的一次。剛拿到題目時感覺很簡單，但做的過程中困難重重，如仿真時晶閘管、觸發(fā)脈沖和示波器的參數(shù)設置，這次課程設計使我明白