电力电子优秀课程设计.doc

电力电子技术课程设计说明书 三相半波可控整流电路设计和仿真院 、 部： 电气和信息工程学院 学生姓名： 雍 欣 指导老师： 胡小娣 职称 助教 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本1305 学 号： 完成时间： 6月 湖南工学院电力电子技术课程设计课题任务书学院：电气和信息工程学院 专业：电气工程及其自动化指导老师胡小娣学生姓名 雍 欣课题名称三相半波可控整流电路设计和仿真内容及任务一、 设计任务 三相半波可控整流电路设计和仿真二、设计内容1、主电路设计、原理说明和器件选择2、各参数计算3、保护电路设计4、利用MATLAB软件对自己设计进行仿真三、设计要求1、三相交流输入：50HZ三相交流，相电压有效值为220V2、阻感负载；(R取32，L取32mH) 3、触发电路采取锯齿波同时触发电路4、输出电压平均值范围：0到240V5、仿真出分别为0，30，60，90输出电压波形关键参考资料1 王兆安. 集成化是电力电子技术发展趋势J.变流技术和电力牵引，2 陶彦辉. 基于双空间矢量调制方法分析矩阵变换器J.电子设计工程，3 张家胜，张磊.电力电子技术M.东营：中国石油大学出版社，.64 林忠岳.电力电子技术M.重庆：重庆大学出版社，19975 莫正康.电力电子技术.(第3版)M.北京:机械工业出版社,6 陈坚.电力电子变换和控制技术M.北京：高等教育出版社，教研室意见 教研室主任：年 月 日摘 要 整流电路就是把交流电能转换为直流电能电路。通常由主电路、滤波器和变压器组成。主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路和负载之间，用于滤除脉动直流电压中交流成份。变压器设置是否视具体情况而定。变压器作用是实现交流输入电压和直流输出电压间匹配和交流电网和整流电路之间电隔离。首先分析了三相半波可控整流电路设计要求,确定了以晶闸管、变压器、电阻等部分元器件为主，外加触发电路和保护电路等单元电路设计成三相半波可控整流电路总体方案，对主电路、触发电路、保护电路、等单元电路进行了设计和参数计算。因为整流电路包含到交流信号、直流信号和触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多个元件，采取常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下试验也难顺利进行。Matlab提供可视化仿真工具Simtlink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，而且立即可得到任意仿真结果，直观性强，深入省去了编程步骤。本文利用Simulink对三相半波整流电路进行建模，对不一样控制角进行了仿真分析用以完成整个课程设计。 关键词：整流电路；触发电路；Matlab目 录1 绪论1 1.1 课题背景和意义1 1.2 本设计关键内容12 主电路设计2 2.1 电路原理图及原理分析2 2.2 各参数计算3 2.2.1 输出值计算3 2.2.2 晶闸管参数计算43 辅助电路设计5 3.1 保护电路设计5 3.2 触发电路设计64 建立仿真模型7 4.1 MATLAB软件介绍7 4.2 仿真电路图7 4.3 仿真参数设置及波形7结束语11参考文件12致谢13附录14 附录A MATLAB仿真图141 绪论1.1 背景和意义 整流电路是出现最早电力电子电路，将交流电变为直流电，电路形式多个多样。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采取三相整流电路。其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基础是三相半波可控整流电路，应用最为广泛是三相桥式全控整流电路、和双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波基础上进行分析。 因为直流电动机含有优良起、制动性能，宜和在广泛范围内平滑调速。在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控硅电力拖动领域中得到广泛应用。多年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和在时间上全部比较成熟，而且从反馈闭环控制角度来看，它又是交流拖动系统基础，长久以来，因为直流调速拖动系统性能指标优于交流调速系统。所以，直流调速系统一直在调速系统领域内占关键位置。中国三相半波可控整流电路技术不够熟练，设备不够优异。国外三相半波可控整流电路设备完善技术比较熟练。1.2 本设计关键内容本文关键完成三相半波整流电路设计，经过对晶闸管和变压器额定计算选择适宜元件而且经过使用MATLAB软件SIMULINK模块建模并仿真，进而得到仿真电压电流波形。2 主电路设计2.1 电路原理图及原理分析 三相半波可控整流电路图1所表示。为得到零线，变压器二次侧必需接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。三个晶闸管按共阴极接法连接,这种接法触发电路有公共端，连线方便。假如负载为阻感负载，且L值很大，则整流电路Id波形基础是平直，流过晶闸管电流靠近矩形波。 30时，整流电压波形和电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。30时，比如=60时波形图，当U2过零时，因为电感存在，阻止电流下降，所以VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。这种情况下Ud波形中出现负部分，若增大，Ud波形中负部分将增多，至=90时，Ud平均值为零。可见阻感负载时移相范围为90度。 图1 三相半波可控整流电路原理图 图2 三相半波可控整流电路阻感负载a=60时波形2.2 各参数计算2.2.1 输出值计算因为负载电流连续求得为： （1）/和成余弦关系，图4中曲线2所表示。假如负载中电感量不是很大，则当30后，和电感量足够大情况相比较，ud中负部分可能降低，整流电压平均值ud略为增加，/和关系将介于图4中曲线1和2之间，曲线3给出了这种情况一个例子。变压器二次电流即晶闸管电流有效值为： . （2）由此晶闸管额定电流IVT(AV)为： （3） 晶闸管两端电压波形图3所表示，因为负载电流连续，晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即： （4） 图3 三相半波可控整流电路/和关系id波形有一定脉动，这是电路工作实际情况，因为负载中电感量不可能也无须很大，往往只要能确保负载电流连续即可，这么id是有波动，不是完全平直水平线。通常，为简化分析及定量计算，能够将id近似为一条水平线，这和近似对分析和计算正确性并不产生很大影响。三相半波整流电路关键缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，所以其应用较少。2.2.2 晶闸管参数计算整流电压平均值：整流电流平均值：晶闸管电流平均值：晶闸管电流有效值：晶闸管额定电流：3 辅助电路设计3.1 保护电路设计 电力电子电路中保护电路包含过电压保护和过电流保护。 过电压保护通常采取RC过电压抑制电路，RC过电压抑制电路可接于供电变压器两端或电力电子电路直流侧。 过电流保护分为过载和短路两种情况，通常过电流保护方法常采取快速熔断器、直流快速熔断器和电流继电器。在本设计保护电路中对变压器一次侧和二次侧分别加上熔断器对其进行保护，对电机加上一个过载保护熔断器，图4所表示图4 保护电路设计3.2 触发电路设计 图5所表示为触发电路。由三片集成触发电路芯片KJ004和一片集成双脉冲发生器芯片KJ041形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即组成完整。触发电路产生触发信号用接插线和主电路各晶闸管相连接。该电路可分为同时、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大多个步骤。图5 三相半波整流电路触发电路4 建立仿真模型4.1 MATLAB软件介绍 MATLAB是美国MathWorks企业出品商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析和数值计算高级技术计算语言和交互式环境，关键包含MATLAB和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化和非线性动态系统建模和仿真等很多强大功效集成在一个易于使用视窗环境中，代表了当今国际科学计算软件优异水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB能够进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 MATLAB开发工作界面接其它编程语言程序等，关键应用于工程计算、控制设计、信号处理和通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计和分析等领域。MATLAB软件操作起来简单，而且易学。很适合初学者和做部分比较复杂仿真图来说，MATLAB软件满足了这些要求。4.2 仿真电路图依据原理图用MATLAB软件画出正确仿真电路图，整体模型见附录A。4.3 仿真参数设置及波形图6 三相电压波形图图7 负载电压波形形图图8 晶闸管电压波形图图9 晶闸管电流波形图图10 三相电压波形图11 负载电压波形图12 晶闸管电压波形图13 晶闸管电流波形图14 三相电压波形图15 负载电压波形图16 晶闸管电压波形图17 晶闸管电流波形图18 三相电压波形图19 负载电压波形图20 晶闸管电压波形图21 晶闸管电流波形 由波形图能够看出输出电压在不一样触发角下波形不一样，而且能够从图中得到输出电压一直要求之间发生改变，所以能够知道三相半波可控整流电路设计基础符合要求。不过因为外界原因影响，所得结果有一点偏差。结束语这次课程设计让我明白了很多相关电力电子技术方面知识，尤其是在书本中没有完全介绍。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够，所以我查阅了很多相关电力电子书籍，而且也经过网络查到了很多相关知识，为这次课程设计做了很多帮助。 对于课程设计内容，首先要做应是对设计内容理论了解，在理论充足了解基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好电路。整流电路中，基础元件选择是最关键，开关器件和触发电路选择好，对整流电路性能指标影响很大。设计过程中，我明白了整流电路关键性和整流电路设计方法多样性。这次课程设计是我设计时间最长一次，也是收获最大一次。即使设计过程中碰到很多问题，尤其是保护电路设计，因为课上没有讲到保护电路内容，保护电路了解不够全方面，设计时候是一头雾水，但还是在老师帮助下，我一一处理了。另外经过这次课程设计，我对文档编排也有了一定掌握，这对于以后毕业设计及工作需要全部有很大帮助，在完成课程设计同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把以前部分没弄懂问题这次弄明白了一部分，当然没有全部。整个课程设计过程中，因为理论知识缺乏，和对课程设计不熟悉，课程设计还有很多不足之处，在以后课程设计中，期望能有所改善。 参考文件1 王湘中，喻寿益.高维优化问题改善进化策略J.控制理论和应用,2 徐以荣，冷增祥著.电力电子技术基础M. 东南大学出版社,1999 3 黄俊，王兆安编.电力电子变流技术M. 机械工业出版社, 1994 4 钟炎平.电力电子电路设计M.华中科技大学出版社，5 王维平.现代电力电子技术及应用M.南京：东南大学出版社，19996 张建华.三相半波可控整流电路仿真J. 电力自动化设备，(02) 7 王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，8 叶斌.电力电子应用技术及装置M.北京：铁道出版社，19999 李传琦主编.电力电子技术计算机仿真试验M. 电子工业出版社, 10 邓娜,曹红英.MATLAB仿真技术在电力电子技术教学中应用J.装备制造技术,(01) 11 臧小惠.基于Simulink三相桥式全控整流电路建模和仿真J.内江科技，(02) 12 刘海昌,张晓杰.MATLAB在电力电子教学中应用J.华北科技学院学报, (02) 13 谢华博,张俊民.基于Matlab/Simulink电力变换电路仿真J.电气电子教学学报,(04) 14 李鹏,皮薇薇.Matlab/Simulink在电力电子技术教学中应用J.电脑知识和技术(学术交流),(18) 15 张建华,杨鹏.三相半波可控整流电路计算机仿真J.电力自动化设备, (02)致 谢在这次课程设计撰写过程中，我得到了很多人帮助。首先我要感谢胡老师在课程设计上给我指导，这是我能顺利完成这次课程设计关键原因，更关键是老师帮我处理了很多技术上难题，让我能把系统做得愈加完善。在此期间，我不仅学到了很多新知识，而且也开阔了视野提升了自己设计能力。其次，我要感谢帮助过我同学，她们也为我处理了不少我不太明白设计上难题。同时也感谢学院为我提供良好做课题设计环境。最终再一次感谢全部在设计中曾经帮助过我良师益友和同学！附 录附录A MATLAB仿真图