电力电子课程设计

所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术中所变换的“电力〞和“电力系统〞所指的“电力〞是有区别的。两者都指“电能〞，但后者更详细，特指电力网的电力，前者那么更一般一些。详细地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进展变换和控制的技术。

电力电子器件是电力电子技术开展的根底。正是大功率晶闸管的创造，使得半导体变流技术从电子学中别离出来，开展成为电力电子技术这一专门的学科。电力电子技术是20世纪后半叶诞生和开展的一门崭新的技术，但它的的应用领域已经深化到国民经济的各个部门，包括钢铁、冶金、化工、电力、石油、汽车、运输以及人们的日常生活。功率范围大到几千兆瓦的高压直流输电，小到一瓦的手机充电器，电力电子技术随处可见。 电力电子技术在电力系统中的应用中也有了长足的开展，电力电子装置与传统的机械式开关操作设备相比有动态响应快，控制方便，灵敏的特点，可以显著地改善电力系统的特性，在进步系统稳定、降低运行风险、节约运行本钱方面有很大潜力。有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为将来科学技术的两大支柱。可见，电力电子技术在21世纪中将会起着非常重要的作用，有着非常光明的将来。

随着科学技术的日益开展,人们对电路的要求也越来越高,由于在消费实际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路构造简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛应用。在电能的消费和传输上，目前是以交流电为主。电力网供应用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最根底的一步。整流，即利用具有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电，整流的根底是整流电路。

2 设计任务

1．加深理解?电力电子技术?课程的根本理论。

2．掌握电力电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计才能。 3．学习MATLAB仿真软件及各模块参数确实定。 2.2 设计内容和要求 设计条件：

1．电源电压：交流100V/50Hz 2．输出功率：500W 3．触发角α=120° 4．纯电阻负载

根据课程设计题目和设计条件，说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。 设计内容包括：

1．整流变压器额定参数的计算 2．晶闸管电流、电压额定参数选择 3．触发电路的设计

2.3 设计工作内容及工作量的要求

1．根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定各器件参数，设计电路原理图。

2．利用MATLAB仿真软件绘制主电路构造模型图，设置相应的参数。 3.仿真用示波器模块观察和记录电源电压、触发信号、晶闸管电流和电压，负载电流和电压的波形图。

3 设计内容

3.1 设计方案的选择

单相全控桥式纯电阻负载整流电路可分为单相桥式带阻感负载相控整流电路和单相桥式带阻感负载半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。 单相半控桥式整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大〔电阻性负载时〕，且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。

单相全控桥式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在一样的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数进步了一半。 单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。 根据以上的比拟分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路〔负载为阻感性负载〕。 3.2 整流电路设计

VT3aT VT1i2idu1u2udRbVT2VT4

单相桥式全控整流电路〔纯电阻性负载〕

单相桥式全控整流电路是由交流电源、整流变压器、晶闸管、负载以及触发电路组成。

其工作原理如下：

1〕在u2正半波的〔0～α〕区间，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，但无触发脉冲，晶闸管VT2、VT3承受反向电压。因此在0～α区间，4个晶闸管都不导通。假设4个晶闸管的漏电阻相等，那么Ut1、4= Ut2、3=1/2*u2。

2〕在u2正半波的〔α～π〕区间，在ωｔ＝α时刻，触发晶闸管VT1、VT4使其导通。

3〕在u2负半波的〔π～π＋α〕区间，在π～π＋α区间，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，因无触发脉冲而处于关断状态，晶闸管VT1、VT4承受反向电压也不导通。

4〕在u2负半波的〔π＋α～２π〕区间，在ωｔ＝π＋α时刻，触发晶闸管VT2、VT3使其元件导通，负载电流沿b→VT3→R→VT2→α→T的二次绕组→b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压〔ud=-u2〕和电流，且波形相位一样。 3.3 元器件的选择 晶闸管

晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流〔Silicon Controlled Rectifier-- SCR〕，开拓了电力电子技术迅速开展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开场被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频〔200Hz以下〕装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种根本类型--普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。

1〕晶闸管的构造

晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。引出阳极A、阴极K和门极〔或称栅极〕G三个联接端。

2〕晶闸管的工作原理图

晶闸管由四层半导体〔P1、N1、P2、N2〕组成，形成三个结J1〔P1N1〕、J2

〔N1P2〕、J3〔P2N2〕，并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极。由于具有扩散工艺，具有三结四层构造的普通晶闸管可以等效成如图〔右〕所示的两个晶闸管T1〔P1-N1-P2〕和〔N1-P2-N2〕组成的等效电路。

图 晶闸管的内部构造和等效电路

3〕晶闸管的门极触发条件

〔1〕: 晶闸管承受反向电压时，不管门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；

〔2〕：晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；

〔3〕：晶闸管一旦导通门极就失去控制作用； 〔4〕：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下。

晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流ＩＧ的电路称为门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。

只有门极触发是最准确、迅速而可靠的控制手段。 晶闸管电流、电压额定值的选择

晶闸管所能承受的最大正向电压和反向电压分别为

2U2和2U2。 2为选择晶闸管、变压器容量、导线面积等定额，需要考虑发热问题，为此需要计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为

U212U22（sint）dt2R2R1-sin2 2Ivt变压器二次电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为

2U2U1dt2I=I2sint0RR由上面两式可得出：

IVT12I

21- sin22不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为SU2I2。

4 单相桥式全控整流电路纯电阻性负载电路设计

单相桥式全控整流电路纯电阻性负载工作原理 单相桥式全控整流电路纯电阻性负载工作原理图

VT3aT VT1i2idu1u2udRbVT2VT4 图 单相桥式全控整流电路纯电阻性负载工作原理图

工作原理说明

晶闸管V1和V4组成一对桥臂，V2和V3组成另一对桥臂。当变压器二次电压

U2为正半周时〔a端为正，b端为负〕，相当于控制角a的瞬间给V1和V4以触发脉冲，V1和V4即导通，这时电流从电源a端经V1、R、V4流回到电源b端。这期间V2和V3均承受反压而截止。当电源电压过零时，电流也降到零，V1和V4即关断。

在电源电压的负半周期，仍在控制角为a处触发晶闸管V2和V3，那么V2和

V3导通。电流从电源b端经V3、R、V2流回电源a端。到一周期完毕时电压过零，电流亦降至零，V2和V3关断。在电源电压的负半周期，V1和V4均承受反向

电压而截止。很显然上述两组触发脉冲在相位上相差180°。以后又是V1和V4导通，如此循环工作下去。 根本参数计算

1〕变压器的变比k=U2=100v 2〕整流电压平均值： Ud2

1+cosα

2

U1220v

= V 3〕 输出电流平均值： Id=Ud=22.5 4〕负载电阻： R=Id=22.22

5〕 晶闸管的电流平均值：

Ud22.5P

500

IdVTU1cos1Id0.452=A 2R26〕 流过晶闸管的电流有效值：

IvtU21-sin2=A 22R22U2=100 227〕 晶闸管所承受的最大正向电压

最大反向电压为2U2 8〕 晶闸管的额定电压：

UN(2~3)2U2(2~3)2100V282.84V 9〕 晶闸管的额定电流： IN=～2)1.57～

在MATLAB新建一个Model，命名为，同时模型建立如下列图所示：

Ivt

图 在matlab中建立的单相桥式全控整流电路电阻性负载电路图

在此电路中，输入电压的电压设置为V，频率设置为50Hz，电阻阻值设置为〔与输入电压一致周期〕，占空比设置为10%，触发角设置为120°,因为4个晶闸管在对应时刻不断地周期性交替导通，关断，所以脉冲出发周期应相差180°。 a.交流电源参数

图 交流电源Us的参数设定

图 VT1、VT4触发脉冲的设置

图 VT2、VT3触发脉冲的设置

见图和图4.3.3，幅值均为1V，即大于晶闸管的门槛0.8V，周期为0.02s，也就是50Hz，脉宽均为10，延迟时间分别为s和s。

按照关系式t=

T

360o

，控制角=120o，周期T=0.02s，那么第一个脉冲在

t1s时到来。互补的两套管在一个周期内各导通一次，所以第二个脉冲在t2=0.01+t1s。

图 纯电阻性负载的设置

4.4 仿真结果

图 示波器所示仿真结果

示波器显示内容：第一行U：VT1、4和VT2、3的触发脉冲；第二行U2：二次侧交流电压值；第三行ivt:晶闸管电流；第四行uvt：晶闸管电压；第五行id：流过负载的电流；第六行Ud：负载两端的电压。

5 总结

这是我第一次完成整个课程设计，通过这次的经历我加深了对?电力电子技术?这门课程的根本理论的理解，掌握了电力电子电路的一种设计方法， 也学习MATLAB仿真软件及各模块参数确实定。由于理论知识的缺乏，以及对课程设计的不熟悉，课程设计还有很多缺乏之处，在以后的课程设计中，希望能有所改善。

经过两个星期的努力，我们终于完成了单相桥式全控整流电路设计课程设计。回想这十多天的努力，虽然辛苦，却有很大的收获和一种成就感。

通过本次课程设计，我加深了对单相桥式全控整流电路的理解，所学的理论知识很好的运用到了实际工程中。在详细的设计过程中，涉及了很多知识，知识的掌握深度和系统程度都关系到整个设计的完好性和完善性，因此本次设计不但是我对所学的知识系统化，也锻炼了我查找资料、分析信息、选择判断的才能。

在整个的程设计中，把遇到的疑问做了笔记，并通过各种资料去理解相关的知识。也希望带着这些疑问在学习中与其他同学讨论或请教来解决。除此之进展外通过边做边学习及向同学、教师请教，在规定时间内顺利完成了任务范围内的工作。

本次课程设计培养了我们自学的才能，以及理论才能和细心严谨的作风。此外，还学会了如何更好的去陈述自己的观点，如何说服别人认同自己的观点，相信这些珍贵的经历将会成为我今后成功的基石。课程设计是每个大学生必须拥有的一段经历，它让我们学到了很多在课堂上根本无法学到的知识，也翻开了我们的视野，增长了见识，为我们以后更好的效劳社会打下了坚实的根底。

参 考 文 献

[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2021

[4].钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2021

致 谢

可以顺利完成这次的课程设计任务，首先要感谢石教师在上课时的详细讲解，尤其在第3章的重点讲得非常认真到位，这对我做设计电路时起了根底性的作用，也是至关重要的作用。其次要感谢学校提供应我们这次独立完成课程设计的时机，当然还要感谢帮助我们完成课程设计任务的指导教师以及在这次课程设计中所有帮助过我的同学，谢谢你们！