电气 课程设计

银川能源学院

课程设计说明书

（论文）

课程名称：电力电子技术 设计题目：单相可控整流电路的设计

院 系：电力学院

班 级：电气工程及其自动化专业 1303 设 计 者：周凯 学 号：1310240087

同 组 人：刘通 马钊 马泽阳 指导教师：张小燕 设计时间：2015年12月7~18日

银川能源学院课程设计任务书 1

姓名：周凯院（系）：电力学院 学号：1310240076 班级：电气工程及其自动化 1303 任务起至日期 2015年12月7日至 2015 年12月 18日 课程设计题目： 单相桥式全控整流电路的设计 已知技术参数和设计要求： 已知单相交流输入交流电压220V，负载自拟，要求整流电压在0～100V连续可调，其它性能指标自定。 工作量及参考文献： 每2～4人组成1个设计小组，通过合理的分工和协作共同完成上述设计任务。设计的成果应包括：用PROTEL绘制的主电路和控制电路的原理图，电路设计过程的详细说明书及必要时进行的仿真和记录。 仿真软件《matlab》下载地址http://pan.http://www.wodefanwen.com//s/1AbsJk 王兆安、刘进军《电力电子技术第五版》机械工业出版社 陈志明《电力电子器件基础》机械工业出版社 李传琦《电力电子技术计算机仿真实验》电子工业出版社 李先允《电力电子技术》中国电力出版社 2

工作计划安排： 学时安排为2周。 第1周： 全体开会，布置任务，组成设计小组，每组2～4人（每班32～36人分四大组，每组8～9人一个大题目，鼓励同学们相互讨论和启发）。每小组题目各有所侧重，不得完全重复。会后设计工作开始。 答疑，审查设计方案。完成主电路的设计、所用元器件选择的工作。 第2周 撰写并完成设计说明书（必要时进行仿真和记录）、设计小结等。 要求每个人必须独立完成所有设计任务，即要求每个学生从审题、主电路设计、参数计算、仿真验证与优化、撰写报告等五个环节独立自主进行。 指导教师签字 年月日 教研室主任意见： 签字___________ 年月日 3

目录

摘要 ....................................................................................................................................... 5 1设计目的 ............................................................................................................................ 5 2设计方案选择 .................................................................................................................... 5 3主电路设计 .................................................................................................................... 6 4保护电路的设计 .............................................................................................................. 10 4.1主电路的过电流保护电路设计 .............................................................................. 10 5原件的选择 .................................................................................................................. 11 5.1晶闸管的选型 .......................................................................................................... 11 5.2变压器的选取 .......................................................................................................... 12 5.3性能指标分析 .......................................................................................................... 12 6 MATLAB仿真 .................................................................................................................... 13 7心得体会 .......................................................................................................................... 15 参考文献 ............................................................................................................................. 16

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摘要

整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路可从各种角度进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。

典型的单相可控整流电路包括半波可控整流电路、单相整流电路、单相全波可控整流电路及单相桥式半控整流电路等。单相可控整流电路的交流侧接单相电源。

关键字 整流电路 桥式 全控

1设计目的

本课程设计是利用电力电子技术中所学的知识对单相双半波整流电路进行了整体设计，并利用MATLAB软件中的Simulink进行了电气仿真，对所设计电路进行检验验证。通过本课程设计使我们充分对电力电子技术中各个电路深入理解，培养我们利用电力电子技术解决工程技术问题的能力。同时提高我们查阅资料、运用计算机辅助工具绘制原理图和阅读原理图的能力；从而加深对电力电子知识的系统掌握，提升动手能力，学会使用基本的电路仿真软件，获得初步的应用经验，为我们走出校门从事电力电子技术的相关工作打下基础。

2设计方案选择

单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控整流电路在带电阻性负载、电感性负载和反电动势负载是的工作情况。单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量，是铁心磁化，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。单相全控式整流电路其输出平均电压式半波整流电路的2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半。

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3主电路设计

3.1单相桥式全控整流电路 1电阻性负载

整流电路图、输出电压、电流波形、晶闸管两端电压波形、变压器二次侧电流波形参看图。

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输出电压平均值

?Ud =

1??2U2sin?td（?t） =2?cos?)?0.9U1?cos?20?U2(12 输出直流电流平均值

IUd1?cos?d?R?0.9U2R2 通过每个晶闸管的平均电流

IU21?cos?dT?12Id?0.45R2 负载电流有效值

I1?22???2U2sin?t)d（?t）?U21???

?(RR2?sin2???通过每个晶闸管电流有效值

?2I1?22T?U2?2sin?t)d（?t）?U1?(R2R2?sin2?????1??2I2电源供给的有功功率

P?I22R?UI2

U为负载上的电压有效值

U?1??(2U21?2sin?t)d（?t）??U22?sin2??????

功率因数

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cos??PUI21???将不同α时的UdI2??sin2??,,cos?作成曲线 SU2I22??U2Id

2电感性负载

假设电感很大，电流连续，且波形为一水平线。

整流电路图、输出电压、电流波形、晶闸管两端电压波形、变压器二次侧电流波形参看图。

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输出电压平均值 Ud =

1?????? =2U2sin?td（?t）22?U2cos??0.9U2cos?

输出直流电流平均值

IUd- ?dR通过每个晶闸管电流有效值

IIT?12Id?0.707Id?(1.5~2)T(AV)I

T1.57?(1.5~2)?0.45Id当α=0时，Ud0=0.9U2；当α=900时，Ud=0，α的移相范围为900。晶闸管承受的最大正、反向电压都是

2U2。

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4保护电路的设计

在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。 主电路的过电压保护电路设计 所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。 产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍单相桥式全控整流主电路的电压保护方法。 1.交流侧过电压保护 过电压产生过程：电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁芯中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时电压。 保护方法：阻容保护 2.直流侧过电压保护 过电压产生过程：当某一桥臂的晶闸管在导通状态突然因果载使快速熔断器熔断时，由于直流住电路电感中储存能量的释放，会在电路的输出端产生过电压。 保护方法：阻容保护。 4.1主电路的过电流保护电路设计

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。 在选择快熔时应考虑： 1、电压等级应根据快熔熔断后实际承受的电压来确定。 2、电流容量应按照其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。 3、快熔的It值应小于被保护器件的允许It值。 4、为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。 快熔对器件的保护方式分为全保护和短保护两种。

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全保护是指无论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕量较大的场合。短路保护方式是指快熔只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。 熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好。

5原件的选择

5.1晶闸管的选型

晶闸管的选择原则：Ⅰ、所选晶闸管电流有效值ITn大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效

Ⅱ、 选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。 1).晶闸管的主要参数如下： ①额定电压UTn

通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压 UTn??minUDRM,URRM?

UTn ≥（2～3）UTM

UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 ②额定电流IT(AV)

IT(AV)又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。

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要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。

在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值ITM ≤ ITn ,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。

ITn ：额定电流有效值，根据管子的IT(AV) 换算出， IT(AV) 、ITMITn 三者之间的关系：

ITn?1/2??(Imsin?t)2d(?t)?0?2Im?

IT(AV)?1/2??Imsin?td(?t)?0?Im2波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值IT与平均值ITd之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。

Kf?IT ITd额定状态下， 晶闸管的电流波形系数

Kf?ITnIT(AV)2Im??Im2

?1.11Ud=

1??????2U2sin?td??t?=

22?U2cos?=0.9U2cos?

晶闸管承受最大电压为UTM?取300V。 2U2?2?100V?141V考虑到2倍裕量，

5.2变压器的选取

根据参数计算可知变压器应选变比为K=U2/Ud=2 20V/100V=2.2 容量至少为500VA。 5.3性能指标分析

整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的用整流

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输出电压的平均值表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的，称为纹波系数

1)整流输出电压平均值

Ud=

2)纹波系数

???1???2U2sin?td??t?=

22?U2cos?=0.9U2cos?

纹波系数Kr用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即

U2?UdULrKr??

UdUd226 MATLAB仿真

：

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设置好各模块参数，单击工具栏“Simulation”菜单下的“Start”命令

进行仿真。双击各模块，得到仿真结果

控制角α=0o

控制角α=90o

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7心得体会

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，尤其是单相全控桥式整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。 这次的课程设计是我设计时间最长的一次，也是收获最大的一次。虽然设计过程中遇到很多问题，尤其是保护电路的设计，因为课上没有讲到保护电路的内容，保护电路的理解不够全面，设计的时候是一头雾水，但还是在老师的帮助下，我一一解决了。 另外通过这次课程设计，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。

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参考文献

王兆安、刘进军《电力电子技术第五版》机械工业出版社 陈志明《电力电子器件基础》机械工业出版社

李传琦《电力电子技术计算机仿真实验》电子工业出版社 李先允《电力电子技术》中国电力出版社

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项目 分参考标准 参考标准 8～9% 科学作风良好，能按期圆参考标准 7～8% 态度尚好，能按期完成参考标准 6～7% 态度尚可，能按期完成参考标准 0～6% 学习马虎，科学作风不评分 值 9～10% 学习1科学作风严态度 0 谨，能按期圆满完成任务内容。满完成任务书9～10分 技术水平 5设计合理、理任务书内容。任务书内容。严谨。0～66～7分 设计基本合理，理论分析与计算基本正确，实验数分 设计不合理，理论分析与计算有错误，实验 内容。8～9分 7～8分 设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的经济分析能力和计算机应用能设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，主要文献引用较合理、可0 论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、可信。 据基本正确，数据不可主要文献引用较合理、可信。 靠，文献引用有问题。 力，文献引用、信。 较合理、可信。 思路清晰 有一定见解 创新1线路简洁 理解正确 思路欠清晰 实用 0 设计说明书撰写质量 3结构严谨，逻辑0 性强，层次清结构合理，符合逻辑，文章结构合理，层结构基本合结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰。 次较为分明，理，逻辑基本文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较晰，语言准确，层次分明，语文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰。 言准确，文字流畅，符合规范化要求，用计算机打印成纸比较工整、工整。 文；图纸工整、清晰。 清晰。 指导教师评定成绩：

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项目 分参考标准 参考标准 8～9% 科学作风良好，能按期圆参考标准 7～8% 态度尚好，能按期完成参考标准 6～7% 态度尚可，能按期完成参考标准 0～6% 学习马虎，科学作风不评分 值 9～10% 学习1科学作风严态度 0 谨，能按期圆满完成任务内容。满完成任务书9～10分 技术水平 5设计合理、理任务书内容。任务书内容。严谨。0～66～7分 设计基本合理，理论分析与计算基本正确，实验数分 设计不合理，理论分析与计算有错误，实验 内容。8～9分 7～8分 设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的经济分析能力和计算机应用能设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，主要文献引用较合理、可0 论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、可信。 据基本正确，数据不可主要文献引用较合理、可信。 靠，文献引用有问题。 力，文献引用、信。 较合理、可信。 思路清晰 有一定见解 创新1线路简洁 理解正确 思路欠清晰 实用 0 设计说明书撰写质量 3结构严谨，逻辑0 性强，层次清结构合理，符合逻辑，文章结构合理，层结构基本合结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰。 次较为分明，理，逻辑基本文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较晰，语言准确，层次分明，语文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰。 言准确，文字流畅，符合规范化要求，用计算机打印成纸比较工整、工整。 文；图纸工整、清晰。 清晰。 指导教师评定成绩：

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项目 分参考标准 参考标准 8～9% 科学作风良好，能按期圆参考标准 7～8% 态度尚好，能按期完成参考标准 6～7% 态度尚可，能按期完成参考标准 0～6% 学习马虎，科学作风不评分 值 9～10% 学习1科学作风严态度 0 谨，能按期圆满完成任务内容。满完成任务书9～10分 技术水平 5设计合理、理任务书内容。任务书内容。严谨。0～66～7分 设计基本合理，理论分析与计算基本正确，实验数分 设计不合理，理论分析与计算有错误，实验 内容。8～9分 7～8分 设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的经济分析能力和计算机应用能设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，主要文献引用较合理、可0 论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、可信。 据基本正确，数据不可主要文献引用较合理、可信。 靠，文献引用有问题。 力，文献引用、信。 较合理、可信。 思路清晰 有一定见解 创新1线路简洁 理解正确 思路欠清晰 实用 0 设计说明书撰写质量 3结构严谨，逻辑0 性强，层次清结构合理，符合逻辑，文章结构合理，层结构基本合结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰。 次较为分明，理，逻辑基本文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较晰，语言准确，层次分明，语文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰。 言准确，文字流畅，符合规范化要求，用计算机打印成纸比较工整、工整。 文；图纸工整、清晰。 清晰。 指导教师评定成绩： 19

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