cz电力电子技术.docx

cz电力电子技术.docx

《cz电力电子技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《cz电力电子技术.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

cz电力电子技术

摘要

通常所用的电力有两种：

直流和交流。

电力变换通常有交流变直流（AC-DC）、直流变交流（DC-AC）、直流变直流（DC-DC）、交流变交流（AC-AC），分别对应整流、逆变、直流斩波和交流电力控制的变频、变相。

单项桥式半控整流电路属于整流电路的一种。

类比与单项桥式全控整流电路设计出电路，只是在器件上将两个晶闸管改成了二极管，除了分析电路的结构组成、工作原理，还要进一步通过仿真软件实现对在器件、触发角α、所带负载等各方面不同时，分析在波形上表现出的不同。

合适的器件的使用会电路的性能更完善。

而理论分析与有具体数据要求的仿真对比时，发现输出特性波形不同。

理论分析时通常把器件理想化，使得输出特性近似取，分析对比得出结论。

关键词：

桥式半控整流　反电动势负载　matlab仿真

1　方案设计

1.1主电路设计

根据技术要求：

设计一单相桥式半控整流电路，对反电势负载供电，其R=10Ω,L=20mH,E=50V；要求直流输出电压在0～180伏连续可调。

设计出电路如图１所示：

图1单项桥式半控整流电路原理图

在单项桥式半控整流电路中，设计晶闸管VT1和二极管VD2组成一桥臂，晶闸管VT2和二极管VD1组成另一桥臂，负载为电阻、电感及反电动势，VD并联在负载电压两端作续流二极管。

具体的参数设定：

由输出电压为0～180V,可知输入电压的幅值为180V,则设置输入电压为

V,其中由波形知：

。

1.2原理分析

在

在正半周期，只有在触发角α处给晶闸管VT1加触发脉冲，并且正向端电压>反向电压，即

>E+EL时，晶闸管才能导通与VD2构成回路，此时

。

当u2下降到零并开始变负时，负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，将产生一感应电势使VT1继续导通。

但此时VD1已承受正向电压正偏导通，而VD2反偏截止，负载电流id经VD1、V1流通。

此时整流桥输出电压为VT1和VD1的正向压降，接近于零，所以整流输出电压Ud没有负半周，这种现象我们把它叫做自然续流。

而Ui的负半周具有与正半周相似的情况，控制角为α时触发VT2，VT2、VD1导通，Ui过零变正时经VD2、VT2自然续流。

１）假设L值足够大时，虽本身有自然续流的能力，但在实际运行中，当突然把控制角α增大到180°以上或突然切断触发电路时，会发生正在导通的晶闸管一直导通，两个二极管轮流导通的现象。

此时触发信号对输出电压失去了控制作用，我们把这种现象称为失控。

为消除失控，带电感性负载的半控桥式整流电路还需另接续流二极管VD。

此时，负载电流id近似为一条直线，如图2（b）所示，输出电压的波形与带电感性负载时一样，其中晶闸管与整流二极管的导通角仍是θVT1=θVD2=π-α，续流二极管的导通角也仍是θVD=2α。

２）若串入的电感值不够时，输出的波形如图2（c）所示，电流断续情况下电压、电流波形，此时晶闸管两端的电压的波形复杂一些，在负载电流id断续时，若VD1正偏，则UVT=-E；若VD2正偏时，则UVT=Ui-E。

触发角α的移相范围为０～180º（若没有续流二极管时，范围为０～90º）。

图2串入不同L值的电感时输出的波形图（b）为理想L=∞时（c）为L较小时

２　参数计算及器件的选择

根据波形做相应的数据处理，得：

=

2.１晶闸管

晶闸管元件在电路中实际承受的最大电压为

VTMAX

；

考虑安全裕量，所以晶闸管承受的额定电压为UTN=（2～3）

VTMAX=360～540V；

　　在电路中实际承受的最大电流IVTMAX=IMAX/

=

；

考虑到安全裕量，所以晶闸管的额定电流为IVTN=（1.5～2）IVTMAX/1.57=4.36～5.81A。

2.２二极管

1）整流二极管

因为在电路中是和晶闸管构成一桥臂同时工作组成回路，所以承受的最大电压和最大电流与晶闸管一样。

2）续流二极管

续流二极管工作在晶闸管不导通时，则工作导通时两端电压为0；不导通时电压UVD=-Ud。

即续流二极管承受的最大（反向）电压UVDMAX=∣-

∣

2.３电感量

　　串入电感做平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。

有了电感，当Ui小于E，甚至Ui值变负时，晶闸管仍能导通。

只要电感量足够大就能使电流连续，晶闸管每次导通180º。

为保证电流连续所需的电感量Ｌ可由下式求出：

其他的器件如电压表、电流表等的选取，根据情况，并考虑裕量，适当的选取合适的量程。

3　触发电路的设计

3.1触发器的作用及要求

触发器的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。

晶闸管触发电路应满足下列要求：

1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通；2）脉冲应有足够幅度；3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额；4）有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

3.2触发器的原理与波形

图3给出了常见的晶闸管触发电路。

它由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分。

当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶体管的门极和阴极之间输出触发脉冲。

VD1和R3是为了使V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。

图3常见的晶闸管触发电路

图4理想的晶闸管触发脉冲电流波形

t1～t2:

脉冲前沿上升时间（<1us）t2～t3:

强脉冲宽度

Im:

强脉冲幅值t1～t4：

脉冲宽度I:

脉冲平顶幅值

3.3脉冲的分类

脉冲可以很多方面分类。

从脉冲形式上来说，有单脉冲、双脉冲、脉冲群，和宽脉冲；从同步和移相控制来说，有正弦波移相控制、三角波移相控制；从形成脉的电路来说，有单结晶体管、三极管、触发器、门电路和单稳电路。

4　实验仿真

4.1仿真原理图及元件参数设定

　　在Matlab里的simulink仿真元件库中找到交流电压源（ACvoltagesource），晶闸管（Thyristor）、二极管（Diode）、电压、电流表（Measurement）、阻感负载、反电动势、触发矩形脉冲（pulsegenerator）以及示波器（Scope）。

　　根据原理图将元件组成仿真电路下图：

图５　仿真电路图

1）交流电源参数

设定参数peakamplitude为180V,frequency为50Hz，其它设为0。

2）触发脉冲信号参数

晶闸管的触发脉冲主要设定的是相位延时（phasedelay/secs），因为T=0.02s,则此处触发VT1的值为α/360º*0.02，VT2的为（α+180º）/360º*0.02，其他参数满足要求即可。

带α=0º得到的脉冲波形如下图：

图６α=0º时，VT1（上）和VT2（下）的脉冲波形

3）负载参数

根据要求设置负载参数为R=10Ω,L=20mH,E=50V。

其它元件的参数如晶闸管、电压表、电流表、示波器等，在原始设定下保持或根据需要适当地调整参数。

4.2不同α情况下的仿真波形

当输入同一正弦电压Ui，但在不同的α时，输出特性波形是不尽相同的。

1）α＝0º时输出波形如图7：

设置触发延时为0和0.01，由输出波形可以看出α＝0º时，波形的特点：

1.晶闸管VT2在Ui<0时完全导通，即两端电压为0；Ui>0时，两端电压为-Ui；

2.整流二极管VD2与VT1组成桥臂，此时特性相同，Ui>0时，完全导通；Ui<0时,两端电压为Ui；

3.在稳态时，负载电压Ud=∣Ui∣为0～180V可调，负载电流在Ui<0以后的一段时间内id≠0，是由于L储能

图7α＝0º时负载、晶闸管、二极管的波形的作用。

2）α＝60º时输出波形如图８：

　　设定参数为0.01/3和0.04/3，与α＝0º相比，输出的波形有以下不同：

1.晶闸管VT2在晶闸管VT1接收到触发后，但由于电感值过小，无法提供导通电压而不导通时，两端电压为-E；

图８α=60º时的负载、晶闸管、二极管波形

2.以上情况的同时，无论是桥臂电路还是续流二极管都无法导通，即负载电流为0；负载电压为E；电流变化，自然引起了波形的毛刺。

3）α＝90º时输出波形如图9：

　　根据触发角α＝90º，设定参数为0.005和0.015。

与α＝0º与α＝60º时的波形相比，可以总结出：

　　1.α＝0º与α≠0º的波形差别较大，主要差别在晶闸管VT2在触发脉冲未到时，L储能释放完后，其两端电压波形近似为Ui-E。

这是因为此时，VD1和VT2可以与整个反电动势负载构成回路。

　　２.不同α值（除α≠0º）外波形相似，波形的不同可以近似的认为是由触发角α的增大，引起波形的延时效果。

图9α＝90º时负载、晶闸管、二极管的波形

4.3仿真与理论结果的比较与分析

　　就理论分析的波形（图2）与仿真输出的波形（图7～9）作比较分析可以证实:

1.在相同的电路等情况下，仅仅修改电感L值的大小会影响输出的波形，L=∞时，储能大，使得输出的波形比较理想，例如负载电流id可近似为一条直线，输出特性波形比较平滑无毛刺等；而L的值较小时，晶闸管两端的电压的波形复杂一些，电流类似正弦变化，且会出现断续情况，电压、电流波形与理想情况出入较大；

２.在不同触发角α时，输出的波形变化也较大（如图７～9所示）各自的比较，所以根据具体情况的要求选取α；

3.虽然电路在VT2、VD1导通可以自然续流，但在实际运行中，控制角α增大或突然切断触发电路时，会出现失控现象。

为消除失控，一般仍需另接续流二极管VD。

５　小结与体会

在此次电力电子课程设计中，针对单相桥式半控整流电路的整个设计过程，一方面重新复习课本，加深了对理论知识点的学习理解，一方面又加深了对矩阵实验室（matlab）的运用，学会运用软件对电力电子学科的相关电路展开仿真，从而使理论的结果更加生动。

课程设计强调课本理论与设计仿真的结合。

通过此次课程设计的学习，我发现针对一个电力电子的电路，我们可以通过仿真，既实现对理论分析的证明它的输出波形的特性方面，又可以通过修改组成电路的各个元器件参数，例如报告中所分析的触发角α、串入电感值L等等，从而分析各个参数对输出特性的不同影响。

只有在对电路的结构、工作原理以及驱动触发模块等十分清楚时，我们可以针对电路的各个模块进行优化，从而改善电路的输出特性，提高整个电路的工作性能。

课程设计除了在理论知识和实验仿真上的自学能力要求外，还体现了我们学生在团结合作上的互相学习。

遇到问题，与同学相互讨论、请教指导老师，有时会事半功倍，同时加深印象。

参考文献

[１]王兆安、刘进军．电力电子技术．北京：

机械工业出版社，2009

[２]马建国．电子设计自动化技术基础．清华大学出版社，2004

[３]李传琦．电力电子技术计算机仿真实验．电子工业出版社，2006

[４]王云亮．电力电子技术．电子工业出版社，2004年8月

[５]梁廷贵主编．现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册．科学技术文献出版社，2002年2月