单相半波可控整流电路设计.doc

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1、电力电子技术课程设计说明书 单相半波可控整流电路设计学生姓名：学号： 学生姓名：学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2016年 月 中北大学课程设计任务书 2015/2016 学年第 一 学期学 院：计算机与控制工程学院专 业： 电气工程及其自动化学 生 姓 名：学 号：学生姓名学号： 课程设计题目：单相半波可控整流电路设计起 迄 日 期:2015年12月27日 2016年1月 8日课程设计地点:德怀楼八层虚拟仿真实验室指 导 教 师:学科部副主任： 下达任务书日期: 2015 年 12月 26日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1) 了解并掌

2、握电力电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力2) 学习Visio绘图软件和Matlab仿真软件2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1) 设计的电路为单相半波可控整流电路，负载为电阻负载。2) 已知参数：直流负载电阻，单相交流电压 (V)， 3) 绘制电路原理图。首先，分别分析并计算电阻两端平均电压和时，功率管相对应的触发角。其次，按照原理图，在仿真软件中建立仿真模型，验证计算结果，结果应包含电阻两端平均电压和时的电路工作的波形图。并对仿真结果进行必要的文字分析。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等： 1) 根据设计题目要

3、求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定器件类型，可供选择的变流器件为晶闸管、Mosfet和IGBT，设计电路原理图； 2) 画出电路方框图，完成电路各部分的指标分配，计算各单元电路的参数和确定各元件的参数值，叙述主要元器件的功能及他们之间的控制关系和数据传输。 3) 用Visio绘图软件绘制电路原理图 4) 利用Matlab仿真软件对电路图进行仿真分析。 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献： 1 王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2008 2 刘志刚.电力电子学.清华大学出版社.2009 3 石 玉.电力电子技术例题与电路设计指导.机械工业出版社.2003 4 张兴，张崇巍.

4、PWM整流器及其控制M.北京：机械工业出版社，20125设计成果形式及要求：1) 电路原理图2) Matlab仿真电路结果图3) 课程设计说明书。6工作计划及进度： 2015年12月27日 12 月29日 设计电路 2015年12月29日 01 月 01日 绘制电路原理图 2016年01月02 日 01 月07 日 对设计的电路进行Matlab仿真，撰写课程设计 说明书 2015年01 月 08 日 答辩学科部副主任审查意见： 签字： 年 月 日2 目录1. 绪论.12. 2.单相半波可控整流电路设计.2 2.1课程设计任务及要求.2 2.2 电路原理图.3 2.3单相半波可控整流电路的计算公

5、式.4 2.4带阻感负载时的工作情况.53. MATLAB仿真.5 3.1 MATLAB仿真图.5 3.1.1主电路仿真图.5 3.1.2触发电路仿真图.6 3.2 元器件参数设置.6 3.2.1设置MOSFET参数.7 3.2.2设置电阻负载参数.7 3.2.3设置电源参数.8 3.2.4设置脉冲参数.8 3.3 仿真结果展示.94. 结论.11参考文献.12附录.12 1.绪论 电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置

6、及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅;它的理论基础为半导体物理学;它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。 本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。能够理论

7、联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。 在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说

8、有电源的地方就有电力电子技术的设备。2. 单相半波可控整流电路设计单相半波可控电路总体设计框图如图所示100V交流输入输出直流电源半波整流电路脉冲宽度调节图1电路设计流程图2.1课程设计任务及要求 1) 设计的电路为单相半波可控整流电路，负载为电阻负载。 2) 已知参数：直流负载电阻，单相交流电压。 3) 绘制电路原理图。首先，分别分析并计算电阻两端平均电压和，功率管相对应的触发角。其次，按照原理图，在仿真软件中建立仿真模型， 验证计算结果，结果应包含电阻两端平均电压和时的电路工作的波形图。并对仿真结果进行必要的文字分析 4) 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，确定器件类

9、型，可供选择的变流器件为晶闸管、MOSFET和IGBT，设计电路原理图； 5) 画出电路方框图，完成电路各部分的指标分配，计算各单元电路的参数和确定各元件的参数值，叙述主要元器件的功能及他们之间的控制关系和数据传输。 6) 用Visio绘图软件绘制电路原理图 7) 利用Matlab仿真软件对电路图进行仿真分析2.2电路原理图及波形 图2.电路原理图 图3.单向半波可控整流电路电阻负载波形图实验电路如图2所示。通过查阅有关资料分析其工作原理，确定器件变流器件为Mosfet。主电路原理说明： T为变压器，Uvt是变流器MOSFET 两端电压，U2为变压器副端电压，R为阻性负载，Ud为负载两段电压。

10、Id为流过负载的电流，Ug为触发电压。根据MOSFET导通的两个条件（MOSFET的阳-阴极之间加正向电压；门极加正向电压，流入足够的门极电流）可以判断：在电源电压U2的正半周，U20，MOSFET承受正向电压，可以被触发导通，但在给MOSFET门极施加触发信号之前，MOSFET处于正向阻断状态，电流Id=0,输出电压Ud=0，电源电压全部加在MOSFET上，即Uvt=U2。 设在时刻向MOSFET送出触发脉冲，MOSFET被触发导通，若忽略MOSFET的导通压降，则输出电压与电源电压相等，即ud=u2，电流Id=ud/Rd。 当时，电源电压u2=0，使得流过MOSFET的电流降到维持电流以下

11、而关断，此时电流Id=0，ud=0. 在电源电压u2的负半周，u20，MOSFET承受反向电压，处于反向阻断状态，负载电压ud=0，电源电压全部加在MOSFET上，Uvt=u2。直到第二个周期相当于t1时刻再次施加触发脉冲，MOSFET再次被触发导通，如此周而复始。2.3单相半波可控整流电路的计算公式： 根据设计要求可知电源电压为余弦函数，有效值，触发角 输出电压平均值： （21） 负载电阻值： 1.当时，有公式可求出触发角 电流平均值=5A 2.当时，有公式可求出触发角 电流平均值=6A2.4 带电阻负载时的工作情况 (1)在电源电压正半波（区间），MOSFET承受正向电压，脉冲Ug在 处触

12、发MOSFET，MOSFET开始导通，形成负载电流id,负载上有输出电压和电流。 （2）在时刻，2=0，电源电压自然过零，MOSFET电流小于维持电流而关断，负载电流为零。 （3） 在电源电压负半波（区间），MOSFET承受反向电压而处于关断状态，负载上没有输出电压，负载电流为零。 (4)直到电源电压u2的下一周期的正半波，脉冲Ug在处又触发MOSFET，MOSFET再次被触发导通，输出电压和电流又加在负载上，如此不断重复。 3. MATLAB仿真3.1 MATLAB仿真图 3.1.1主电路仿真图 图4.主电路仿真图 3.1.2触发脉冲仿真电路图5触发电路仿真图3.2 元器件参数设置 3.2.

13、1设置MOSFET参数 图6.MOSFET参数设置图 3.2.2设置电阻负载参数图7.电阻负载参数设置图3.2.3设置电源参数 图8.电源参数设置图3.2.4 设置时的脉冲参数 当Ud=25V时，触发参数如图图9.触发脉冲参数设置图当Ud=30V时，触发参数如图图10.触发脉冲参数设置图3.3仿真结果展示 当Ud=25V时图11.仿真结果图 当Ud=30V时图12.仿真结果图仿真结果分析 示波器第一个波形是电源电压，第二个波形是脉冲波形，第三个波形是负载两端电压，第四个波形是电流波形，第五个是MOSFET两端电压。当电源电压U20，MOSFET不导通，MOSFET两端受电源电压；当电源电压U2

14、0且没有触发电流时，MOSFET同样不导通承受电源电压；当电源电压U20而且有触发电流 时，MOSFET导通，电阻负载承受电源电压，每个周期内重复上述情况。4. 结论及体会 结合以上波形图，我们可以分析出单相半波可控整流电路具有以下的特点： 1、阻性负载时Ud和Id波形相同；2、MOSFET在触发时换流；3、在一个周期内，Ud只有一个波形；这次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在课本中没有完全介绍的。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到了很多相关的知识，为这次课程设计做了很多帮助。对于课程设计的内容，首先要做

15、的应是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。整流电路中，基本元件的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。设计过程中，我明白了整流电路，尤其是单相半波可控整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。通过这次课程设计，我对文档的编排也有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的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，由于理论知识的缺乏，以及对课程设计的不熟悉，课程设计还有很多不足之处，在以后的课程设计中，希望能有所改善。 参 考 文 献 1 王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.20082 刘志刚.电力电子学.清华大学出版社.20093 石 玉.电力电子技术例题与电路设计指导.机械工业出版社.20034 张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制M.北京：机械工业出版社，2012 附录在本次课设中负责仿真电路的连接，负责后期word的制作。