电力电子课程设计

第一章 绪 论

电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。它主要研究各种电力电子器件,以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置,以完成对电能的变换和控制。

它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支,又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支,或者说是强弱电相结合的新科学.电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科.

电力电子技术相对于其他一些高新技术来说更为边缘化，它是一门联系电力和电子的学科，电力电子技术为电能的产生和利用搭起了桥梁，为电能的输出、应用提供了更好的方式和平台，电力电子技术从根本上提高了电能的应用效率。

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO,IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于电力变换。

电力电子技术的问世是在上世纪五十年代末，当第一只晶闸管研制成功之后，电力电子技术就正式进入了电气传动技术的大家族。电力电子技术在可控硅整流装置开发中发挥了重要作用，是电气传动领域中革命性的成果。

电力电子技术在上个世纪的七十年代时有了一个质的发展，晶闸管产品逐步完成了从低压小电流到高压大电流的过度，并在晶闸管的基础上开发了不能自关断的半控型器件，这就是第一代的电力电子器件，它是电力电子技术历史上的一座里程碑。

电力电子技术的研究水平不断进步，制造工艺水平也不断提高，电力电子器件也随之有了更大的发展，获得了又一次的飞跃。电力电子技术的进步代表是自关断全控型第二代电力电子器件，代表产品是GTR和GTO。

电力电子技术在上个世纪的九十年代有了更进一步的发展，电力电子器件在大频率、低损耗、快响应方面有了更好表现，电力电子技术想着复台化、标准模块化、智能化、功率集成化方向发展，形成了电力电子的正式技术理论，形成了一个新的高科技领域。

优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理,使电能的使用达到合理、高效和节约,实现了电能使用最佳化.例如,在节电方面,针对风机水泵、电力牵

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引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查,潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%,所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施,一般节能效果可达10%-40%,我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。

改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测,今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用,即工业和民用的各种机电设备中,有95%与电力电子产业有关,特别是,电力电子技术是弱电控制强电的媒体,是机电设备与计算机之间的重要接口,它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件,成为发挥计算机作用的保证和基础。

电力电子技术高频化和变频技术的发展,将使机电设备突破工频传统,向高频化方向发展.实现最佳工作效率,将使机电设备的体积减小几倍、几十倍,响应速度达到高速化,并能适应任何基准信号,实现无噪音且具有全新的功能和用途. 电力电子智能化的进展,在一定程度上将信息处理与功率处理合一,使微电子技术与电力电子技术一体化,其发展有可能引起电子技术的重大改革.有人甚至提出,电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域,电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。

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第二章 电路设计与工作原理

2.1 原理方框图

原理方框图如图2-1所示：

保护电路单相电源输出触发电路整流主电路负载电路

图2-1 原理方框图

2.2 主电路原理图及波形

反电动势、电阻负载电路原理图如图2-2（a）所示： 反电动势、电阻负载电路工作波形如图2-2（b）所示：

图2-2主电路原理图及波形

(a) (b)

2.3 工作原理

（1）若是感性负载，当u2在正半周时，在ωt＝α处给晶闸管VT1加触发脉冲，VT1导通后，电流从u2正端→VT1→L→R→VD4→u2负端向负载供电。u2过零变负时，因电感L的作用使电流连续，VT1继续导通。但a点电位低于b

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点，使电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是经VT1和VD2续流，则ud=0。

（2）在u2负半周ωt＝π+α时刻触发VT3使其导通，则向VT1加反压使之关断，u2经VT3→L→R→VD2→u2端向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。此后重复以上过程。

2.4 参数的计算

（1）当???时，如触发脉冲宽度小于???，则电路无法工作，如为宽脉冲触发，则总在???处触发脉冲起作用，其最大输出平均电压为：

Udm?E?1??????(2U2sin?t?E)d?t?22U2?(cos???sin?) （2-1）

（2）整流输出电压的有效值为：

U=???????1 2U2sinwtd?wt? （2-2）

?2（3）整流电流的平均值和有效值分别为：

Id?UdR=0.9U2?ERcos?（2-3）

1UI?=?R??????2U2sinwtd?wt?R?2 （2-4）

（4) 在一个周期内晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导通，流过晶闸管的电

流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即：

IdvT?U?E1Id?0.452cos? （2-5） 2R（5）停止导电角的计算 ：

??arcsin

E2U2

（2-6）

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第三章 元器件的选择

3.1 晶闸管

晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-- SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始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基本类型--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. 晶闸管的结构

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。

内部结构: 四层三个结如图3.1 2. 晶闸管的工作原理如图3.2（b）

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，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图3.2（a）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。

（a)内部结构 （b)电气图形符号

图3.1 内部结构、电气图形符号

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（a） 双晶体管模型 （b）工作原理

图3.2 晶闸管的双晶体管模型和工作原理

3．晶闸管的门极触发条件

（1）:晶闸管承受反向电压时，不论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。

3.2 可关断晶闸管

可关断晶闸管简称GTO

（1）可关断晶闸管的工作原理

GTO的导通机理与SCR是完全一样的。 GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。 GTO在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。

由于单相桥式全控整流带电阻性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。

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3.3 晶闸管选取

晶闸管主要参数:

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=（2～3）UTM （3-1） 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。

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不大于额定电流的有效值,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。

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不大于额定电流的有效值,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 I(AV)、ITM. ITN三者之间的关系：

ITN= 1/2??(2sinwt)2d(wt) = Im/2=0.5Im (3-2)

0?IT(AV) =1/2??Imsinwtd(wt)?Im?0.318Im (3-3)

03、额定电流IT(AV)

维持电流是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。

4、掣住电流IL

晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件 导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。一般掣住电流比维持电流大（2～4）倍。

? 7

5、通态平均管压降 UT(AV)

指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.4～1.2V。

6、门极触发电流Ig

在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所用的门极电流，一般为 毫安级。

7、断态电压临界上升率di/dt

在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。

8、通态电流临界上升率di/dt

在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流 上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。

9、波形系数

有直流分量的电流波形，其有效值I与平均值Id之比称为该波形的波形系数，用Kf表示：

Kf?I (3-4) Id额定状态下， 晶闸管的电流波形系数：

Kf?ITnIT(AV)??2?1.57

(3-5)

参数计算如下：

由设计要求知U2?100V，此时代入（2-1）可得最大输出电压：

22U2(cos???sin?) =101.5V，满足要求。

?

假设负载电感很大，负载电流连续且波形近似为一水平线，则该电路负载为：

R=Ud2/P=902/500=16.2Ω 晶闸管承受的最大反向电压为 ：

2U2?1002V?141V

取2-3倍裕量：

UN?(2~3)*1002?283~424V 取晶闸管的额定电压为400V

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流过晶闸管电流有效值最大为： Idmax=P/Udm=500/101.5=4.9A

考虑到安全裕量，故晶闸管额定电流为： I=（1.5～2）Idmax =7.35V～9.8A 取晶闸管的额定电流为10A

经过查询知本次课设中选取四个晶闸管型号为KPI0

表一：KPI0的参数 型号参数 KPI0

正向平均电流 正反峰值电压 门极触发电压 触发电流门极 10A 100-2000V <=3.0 <=100 3.4 变压器的选择

根据参数计算可知:变压器应选变比为K?容量至少为500VA

U2220V??2.2 Ud100V3.5 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=

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

22?U2cos?=0.9U2cos? (3-6)

（2)纹波系数

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??

UdUd （3-7）

22

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第四章 辅助电路的设计

4.1 触发电路的设计

对于使用晶闸管的电路，在晶闸管阳极加正向电压后，还必须在门极与阴极

之间加触发电压，使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。触发电路亦称驱动电路。根据控制要求决定晶闸管的导通时刻，对变流装置的输出功率进行控制。触发电路是变流装置中的一个重要组成部分，变流装置是否能正常工作，与触发电路有直接关系，因此，正确合理地选择设计触发电路及其各项技术指标是保证晶闸管变流装置安全，可靠，经济运行的前提。

对触发电路的要求：

1、触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

2、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

由闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散性很大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流Igt、门极触发电压U是指该型号的所有合格器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通，对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为0.5~1MS，相当于50HZ、18度电度角。为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在 触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。

3、触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。

4、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。

例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，要求触发脉冲的移项范围是0

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度~180度，带大电感负载时，要求移项范围是0度~90度；三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是0度~90度。

5、触发脉冲与主电路电源必须同步。

为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角?被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。触发电路同时受控于电压uc与同步电压us控制。

4.2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。

1. 过压保护

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

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交流侧直流侧整流主电路

图4.1 主电路的过电压保护

2. 过流保护

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。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。

图4.2 主电路的过电流保护

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4.3 电压上升率的抑制保护

1.电压上升率dv/dt的抑制：

加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如图4.3所示：

图4.3 并联R-C阻容吸收回

4.4 电流上升率的抑制保护

1.电流上升率di/dt的抑制：

晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/μs的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图4.4所示：

图4.4 串联电感抑制回路

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第五章 仿真与分析

5.1 MATLAB介绍

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世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减

轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。

MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路, MATLAB 的应用范围非常广广泛，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB 函数集）扩展了MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。

5.2 仿真电路图

单相桥式全控整流电路（反电势电阻负载） MATLAB仿真电路图如图5-1所示：

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图5-1 AMTLAB仿真电路图

5.3 仿真结果与

下列所示波形图中，波形图分别代表晶体管VT1上的电流和电压、负载的电流、交流电源的输出电流、负载的电压、晶体管VT2上的电压和电流。下列波形分别是延迟角α为30°、60°、90°时的波形变化。 （1）当α=30°时，波形图如图5.2所示：

图5.2 α=30°单相桥式全控整流电路（电阻性反电势）波形图

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（2）当α=60°时，波形图如图5.3所示：

图5.3 α=60°单相桥式全控整流电路（电阻性反电势）波形图

（3）当α=90°时，波形图如图5.4所示：

图5.4 α=90°单相桥式全控整流电路（电阻性反电势）波形图

仿真数据分析记录如下表2：

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表2：理论值与测量值的分析 Ud α 理论值/V 测量值/V 误差分析/% 30° 100.54 102.00 1.45% 60° 94.37 96.50 2.22% 90° 83.75 85.00 1.50% 由于在读数和计算上有一点的偏差，所以存在一些误差，但是这些误差均在允许范围内。

5.4 小结

在分析带反电势负载可控整流电路时，必须充分注意晶闸管导通的条件，那就是只有当直流电压ud瞬时值大于负载电势Ｅ时，整流桥中晶闸管才承受正向阳压而可能被触发导通，电路才有直流电流id输出。

若α <δ时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟，即α=δ。

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第六章 心得体会

本次单相桥式全控整流电路的课程设计自己通过找资料，反复尝试，虽然结果正确，但设计还是有一些瑕疵，但让我对整流电路有了更加清晰的认识，加深了对电力电子知识的理解和很多小细节知识的认识，理解了单相全桥整流电路的基本原理和晶闸管的触发角度控制方法。这次课程设计还应用到MATLAB软件，设计时借助MATLAB软件进行系统模型仿真，用该软件对该电路进行分析，大大简化了计算和绘图步骤。

总之，这次课程设计不仅增加了我的知识积累，让我有机会将课堂上所学的电力电子理论知识运用到实际中， 这次课程设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。由于我本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师多多指教,我十分乐意接受您的批评与指正。

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参考文献

[1] 王兆安,刘进军编，《电力电子技术》.（机械工业出版社 第五版）,2009 [2]曾方主编主编,《电力电子技术》.（西安电子科技大学出版社）,2004 [3] 莫正康主编,《电力电子应用技术》.（机械出版社 第三版）,2001 [4] 李国勇,谢克明主编，《计算机仿真技术与CAD》.（电子工业出版社），2008 [5] 刘卫国主编，《MATLAB程序设计与应用》.（高等教育出版社）,2006

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j35.html