基于Matlab的單相半波可控整流電路的設計與仿真.doc

信息工程學院 課程設計信息工程學院課程設計報告書題目: 基于Matlab的單相半波可控整流電路的設計與仿真 課 程： 電子線路課程設計專 業： 電氣工程及其自動化 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 2014年 12月 28日信息工程學院課程設計任務書學 號學生姓名專業(班級)設計題目基于Matlab的單相半波可控整流電路的設計與仿真設計技術參數1. 晶閘管參數設置Ron=0.001，Lon=0H，Uf=0.8V；Ic=0A，Rs=10，Cs=4.7e-6F2. 電源模塊設置為：幅值220V，初相位0，頻率是50HZ的正弦交流電3. RLC元件模塊設置參數：負載R=1，L=0H，根據需要相應的調整4. 同步脈沖發生器(Pulse Generater)模型參數設置為：脈沖幅值為10V，周期為0.02s，脈寬占整個周期的30%，相位延遲(1/50)*(30/360)s=1/600s(即=30，后面參數60、90、120相應的調整)設計要求熟悉整流電路的基本原理，能夠運用所學的理論知識分析設計任務。掌握基本電路的數據分析、處理；描繪波形并加以判斷。能正確設計電路，畫出線路圖，分析電路原理。廣泛收集相關技術資料。參考資料1王兆安、劉進軍.電力電子技術 西安M.: 機械工業出版社 20092黃俊,王兆安.電力電子變流技術M. 北京:機械工業出版社,19943趙良炳.現代電力電子技術基礎M. 北京:清華大學出版社,19954陳治明. 電力電子器件基礎M. 北京:機械工業出版社,19925趙可斌,陳國雄.電力電子變流技術M.上海:上海交大出版社,19936林渭勛,電力電子技術M., 杭州:浙江大學出版社,19867丁道宏. 電力電子技術M.北京:航空工業出版社,19908黃繼昌.電子元器件應用手冊M.人民郵電出版社,20042014年12月28日學生姓名： 學號： 專業(班級)： 課程設計題目： 基于Matlab的單相半波可控整流電路的設計與仿真 成績： 指導教師： 年 月 日信息工程學院課程設計成績評定表摘 要電力電子技術是一門誕生和發展于20世紀的嶄新技術，在21世紀仍將以迅猛的速度發展。以計算機為核心的信息科學將是21世紀起主導作用的科學技術之一。本次單相半波可控整流電路設計是基于MATLAB的系統仿真設計。本文是基于Matlab的單相半波可控整流電路的設計與仿真，通過對單相的單相半波可控整流電路(電阻性負載)電路、單相半波可控整流電路(阻-感性負載)電路和單相半波可控整流電路(阻-感性負載加續流二極管)電路這三種進行電路設計和仿真，通過對仿真圖形進行分析，了解這三種電路的工作原理和性能。關鍵字：MATLAB的系統仿真；可控整流電路；單相半波電路ABSTACTPower electronic technology is a birth and development in the new technology of the 20th century, in the 21st century will remain at the speed of rapid development. With the computer as the core information science will be one of the science and technology play a leading role in the 21st century. The single phase half wave controlled rectifier circuit design is the design of system simulation based on MATLAB.This paper is the design and Simulation of Matlab single phase half wave controlled rectifier circuit based on single phase, by single phase half wave controlled rectifier (resistive load) circuit, single phase half wave controlled rectifier circuit (resistive inductive load) circuit and single phase half wave controlled rectifier circuit (resistance of inductive load and freewheeling diode) circuit the three circuit design and simulation, through the simulation graph analysis, understand the working principle and performance of the three circuit.Key words: MATLAB system simulation; controllable rectifier circuit; single phase half wave circuit目 錄摘 要4關鍵字4ABSTACT5Key words51 緒論71.1半波整流簡介71.2 本文研究的內容71.3 單相半波可控整流電路建模與基本參數72 單相半波可控整流電路(電阻性負載)102.1 電路的結構與工作原理102.2 Matlab下的模型建立102.3 仿真結果與波形圖分析112.4 小結133 單相半波可控整流電路(阻-感性負載)143.1 原理圖143.2 Matlab下的模型建立143.3 仿真結果與波形圖分析153.4 小結174 單相半波可控整流電路(阻-感性負載加續流二極管)184.1 電路的結構與工作原理184.2 Matlab下的模型建立194.3 仿真結果與波形圖分析194.4 小結21總 結21致 謝23參考文獻241 緒論1.1半波整流簡介變壓器的次級繞組與負載相接，中間串聯一個整流二極管，就是半波整流。利用二極管的單向導電性，只有半個周期內有電流流過負載，另半個周期被二極管所阻，沒有電流。這種電路，變壓器中有直流分量流過，降低了變壓器的效率；整流電流的脈動成分太大，對濾波電路的要求高。只適用于小電流整流電路。1.2 本文研究的內容本文研究的內容主要包括：(1) 單相半波可控整流電路(電阻性負載)電路的工作原理電路設計與仿真。(2) 單相半波可控整流電路(阻-感性負載)電路的工作原理電路設計與仿真。(3) 單相半波可控整流電路(阻-感性負載加續流二極管)電路的工作原理電路設計與仿真。1.3 單相半波可控整流電路建模與基本參數因后面研究的三個單相半波可控整流電路的電路建模需要的一些基本參數是一樣的，所以，將其放在本文的緒論部分，后邊將不會一一列出，往后為各章節列出的將只有改變的模塊的參數，這些參數設置如下：(1) 建立一個新的模型窗口，打開電力電子模塊組，復制一個晶閘管到模型窗口中；打開晶閘管參數設置對話框，設置Ron=0.001，Lon=0H，Uf=0.8V；Ic=0A，Rs=10，Cs=4.7e-6F。(2) 打開電源模塊組，復制一個電壓源模塊到模型窗口中，打開參數設置對話框，設置為：幅值50V，初相位0，頻率是50HZ的正弦交流電。(3) 打開元件模塊組，復制一個串聯RLC元件模塊到模型窗口中，打開參數設置對話框，按仿真要求設置參數。(4) 打開測量模塊組，復制一個電壓測量裝置以測量負載電壓。(5) 打開測量模塊組，復制一個電流測量裝置以測量負載電流。(6) 打開Sinks模塊組,復制一個示波器裝置以顯示電路中各物理量的變化關系，并按要求設置輸入端口的個數。(7) 建立給晶閘管提供觸發信號的同步脈沖發生器(Pulse Generater)模型。參數設置為：脈沖幅值為10V，周期為0.02s，脈寬占整個周期的30%，相位延遲(1/50)*(60/360)s=1/300s(即=60)。各個參數的設置如下圖：a) 仿真參數，算法(solver)ode15s，相對誤差(relativetolerance)1e-3，開始時間0結束時間0.05s：b) 脈沖參數，振幅3V，周期0.02，占空比30%，時相延遲(1/50)x(n/360)s：c) 電源參數，頻率50hz，電壓220v :d) 晶閘管參數:2 單相半波可控整流電路(電阻性負載)2.1 電路的結構與工作原理(1) 電路結構下圖是單向半波可控整流電路原理圖，晶閘管作為開關元件，變壓器T起變換電壓和隔離的作用。 單向半波可控整流電路(電阻性負載)(2) 工作原理1) 在電源電壓正半波(0區間)，晶閘管承受正向電壓，脈沖uG在t=處觸發晶閘管，晶閘管開始導通，形成負載電流id,負載上有輸出電壓和電流。2)在t=時刻，u2=0，電源電壓自然過零，晶閘管電流小于維持電流而關斷，負載電流為零。3)在電源電壓負半波(2區間)，晶閘管承受反向電壓而處于關斷狀態，負載上沒有輸出電壓，負載電流為零。4)直到電源電壓u2的下一周期的正半波，脈沖uG在t=2+處又觸發晶閘管，晶閘管再次被觸發導通，輸出電壓和電流又加在負載上，如此不斷重復。2.2 Matlab下的模型建立1) 適當連接后，可以得到仿真電路。如圖所示：單相半波可控整流電路(電阻性)2.3 仿真結果與波形圖分析下列所示波形圖中，波形圖分別代表晶體管VT上的電流、晶體管VT上的電壓、電阻上的電壓。下列波形分別是延遲角為30、60、90、120時的波形變化，其中，各個參數為：負載R=1，L=0H，peakamplitude=10V，phase=0deg，frequency=50HZ。1)=30 ，單相半波可控整流電路(電阻性負載)仿真波形圖： 2) =60 ，單相半波可控整流電路(電阻性負載)仿真波形圖：;3) =90 ，單相半波可控整流電路(電阻性負載)仿真波形圖：4) =120 ，單相半波可控整流電路(電阻性負載)仿真波形圖：2.4 小結在此仿真中，我們可以看出通過改變觸發角的大小，直流輸出電壓，負載上的輸出電壓波形都發生變化，可以看出，仿真波形與理論分析波形、實驗波形結果非常相符，通過改變觸發脈沖控制角的大小，直流輸出電壓ud的波形發生變化，負載上的輸出平均值發生變化。由于晶閘管只在電源電壓正半波區間內導通，輸出電壓ud為極性不變但瞬時值變化的脈動直流。3 單相半波可控整流電路(阻-感性負載)3.1 原理圖單相半波阻-感性負載整流電路如圖所示，當負載中感抗遠遠大于電阻時成為阻-感性負載，屬于阻-感性負載的有機的勵磁線圈和負載串聯電抗器等。阻-感性負載的等效電路可以用一個電感和電阻的串聯電路來表示。單相半波阻-感性負載整流電路圖(1) 工作原理1) 在t=0期間：晶閘管承受正向陽極電壓，但沒有觸發脈沖，晶閘管處于正向關斷狀態，輸出電壓、電流都等于零。2)在t=時刻，門極加上觸發脈沖，晶閘管被觸發導通，電源電壓u2加到負載上，輸出電壓ud=u2。由于電感的存在，在ud的1作用下，負載電流id只能從零按指數規律逐漸上升。3)在t=t1t2期間：輸出電流從零增至最大值。在id的增長過程中，電感產生的感應電勢力圖阻止電流增大，電源提供的能量一部分供給負載電阻，另一部分轉變成電感的儲能。4)在t=t2t3期間：負載電流從最大值開始下降，電感電壓uL=Ldi/dt改變方向，電感釋放能量，企圖維持電流不變。5)在t=時，交流電壓u2過零，但由于電感電壓的存在，晶閘管陽、陰極的電壓仍大于零，晶閘管繼續導通，此時電感儲存的磁能一部分釋放變成電阻的熱能，同時一部分磁能變成電能送回電網，電感的儲能全部釋放完后，晶閘管在u2反向電壓作用下而截至。3.2 Matlab下的模型建立(1)單相半波可控整流電路(阻感性負載)仿真電路圖如圖所示單相半波可控整流電路(阻感性負載)仿真電路圖(2)電感參數設置如下圖所示：3.3 仿真結果與波形圖分析下列所示波形圖中，波形圖分別代表晶體管VT上的電流、晶體管VT上的電壓、電阻加電感上的電壓。設置觸發脈沖分別為30、60、900、1200時的波形變化。與其產生的相應波形分別如下圖形所示。在波形圖中第一列波為脈沖波形，第二列波為負載電流波形，第三列波為晶閘管電壓波形，第四列波為負載電壓波形，第五列波為電源電壓波形。a) =30單相半波可控整流電路(阻感性負載)仿真波形圖:b) =60單相半波可控整流電路(阻感性負載)仿真波形圖:16 / 25c) =90單相半波可控整流電路(阻感性負載)仿真波形圖:d) =120單相半波可控整流電路(阻感性負載)仿真波形圖:3.4 小結與電阻性負載相比，負載電感的存在，使得晶閘管的導通角增大，在電源電壓由正到負的過零點也不會關斷，輸出電壓出現了負波形，輸出電壓和電流平均值減小；大電感負載時輸出電壓正負面積趨于相等，輸出電壓平均值趨于零。4 單相半波可控整流電路(阻-感性負載加續流二極管)4.1 電路的結構與工作原理(1) 電路結構單相半波可控整流電路(阻-感性負載加續流二極管)(2) 工作原理1) 在電源電壓正半波(0區間)，晶閘管承受正向電壓。脈沖uG在t=處觸發晶閘管使其導通，形成負載電流id，負載上有輸出電壓和電流，在此期間續流二極管VD承受反向陽極電壓而關斷。2) 在電源電壓負半波(2區間)，電感的感應電壓使續流二極管VD受正向電壓而導通續流，此時電源電壓u20,u2通過續流二極管VD使晶閘管承受反向陽極電壓而關斷，負載兩端的輸出電壓僅為續流二極管的管壓降。如果電感較小，電流id是斷斷續續的；電感較大時續流二極管一直導通到下一周期晶閘管導通，使id連續，且id波形為一條脈動線；電感無 大時，電流id連續，為一平直線。4.2 Matlab下的模型建立單相半波可控整流接續流二極管時電路仿真模型4.3 仿真結果與波形圖分析下列所示波形圖中，波形圖分別代表晶體管VT上的電流、負載(電阻和電感)的電流、晶體管VT上的電壓、續流二極管上的電流、電阻上的電壓。下列波形分別是延遲角為30、60、90、120時的波形變化其中，參數有：L=0.1H，R=1，period=0.02s，peakamplitude=10V，frequency=50HZ。a) =30，單相半波可控整流電路(阻-感性負載加續流二極管)仿真波形圖：b) =60，單相半波可控整流電路(阻-感性負載加續流二極管)仿真波形圖：c) =90，單相半波可控整流電路(阻-感性負載加續流二極管)仿真波形圖：d) =120，單相半波可控整流電路(阻-感性負載加續流二極管)仿真波形圖：4.4 小結在電源電壓正半波，電壓u20，晶閘管uAK0。在t=處觸發晶閘管，使其導通，形成負載電流id，負載上有輸出電壓和電流，此間續流二極管VD承受反向陽極電壓而關斷。在電源電壓負半波，電感感應電壓使續流二極管VD導通續流，此時電壓u2 0， u2通過續流二極管VD使晶閘管承受反向電壓而關斷，負載兩端的輸出電壓為續流二極管的管壓降，如果電感足夠大，續流二極管一直導通到下一周期晶閘管導通，使id連續，且id波形近似為一條直線。以上分析可看出，電感性負載加續流二極管后，阻-感性負載加續流二極管后，輸出電壓波形與電阻性負載波形相同，續流二極管起到了提高輸出電壓的作用。在電感無窮大時，負載電流為一直線，流過晶閘管和續流二極管的電流波形是矩形波。總 結單相半波可控整流電路的優點是電路簡單，調整方便，容易實現；但整流電壓脈動大，每周期脈動一次。變壓器二次側流過單方向的電流，存在直流磁化、利用率低的問題，為使變壓器不飽和，必須增大鐵芯截面。通過這次基于MATLAB仿真設計過程中，不僅掌握了MATLAB中simulink仿真的使用，對單相半波可控整流電路有了新的認識。在進行仿真時，不僅要掌握各種模塊的功能和用法，還要掌握一定的編程技巧。通過以前對MATLAB的學習，學會了MATLAB軟件的基礎操作，為這次的設計提供了很好的基礎。仿真的過程不僅需要過硬的理論知識基礎，也需要對軟件操作技巧的掌握，所以說理論與實踐同樣重要。在本次的電力電子技術課程設計中，加深了我對課本專業知識的理解，理論知識與實際動手的重要性。在此次課程設計中，真正做到了自己查閱資料。這次電力電子技術課程設計，讓我們有機會將課堂上所學的理論知識運用到實際中。并通過對知識的綜合利用，進行必要的分析，比較。從而進一步驗證了所學的理論知識。在此次的設計過程中，我更進一步地熟悉了單相半波可控整流電路的原理、觸發電路的設計以及Maatlab的仿真。在本次的課程設計中，駭然我明白了要完成好一篇課程設計，還必須有：第一，要有很牢的理論功底，對理論知識要更深入地理解；第二，具備文獻檢索能力；第三，提高書面表達能力，提高撰寫課程設計報告水平。當然，在這個過程中我也遇到了困難，這次的課程設計，讓我讓我更加的體會到；了正確的心態是多么的重要。在困難面前，只要充滿信心，相信做自己能做得好的，最后就肯定會做得好。22 / 25致 謝在本次論文設計過程中，感謝我的學校，給了我學習的機會，在學習中，張老師給予了細致的指導，提出了很多寶貴的意見與建議，老師以其嚴謹求實的治學態度、高度的敬業精神、兢兢業業、孜孜以求的工作作風和大膽創新的進取精神對我產生重要影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。通過兩周的努力,在老師和同學的輔導和幫助下,我完成了此次設計通過此次課程設計，我再一次認識到了自學的重要性。在仿真設計的過程中，我發現了很多細節性的問題，也出現了很多錯誤，經過和同學們研究、商討最后都解決，感覺團隊協作能力是非常有必要的。通過此次設計，讓我對以前所學習的電力電子和MATLAB知識有了。更深刻的了解，我認為此次設計讓我更加鞏固了所學的知識并在設計的過程中得以運用，克服了做設計過程中的困難，讓我受益匪淺。感謝所有授我以業的老師，沒有這些年知識的積淀，我沒有這么大的動力和信心完成這篇論文。感恩之余，誠懇地請老師對我的論文多加批評指正，使我及時完善論文的不足之處。謹以此致謝，最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱的老師表示衷心的感謝。25 / 25參考文獻1王兆安、劉進軍.電力電子技術 西安M.: 機械工業出版社 20092黃俊,王兆安.電力電子變流技術M. 北京:機械工業出版社,19943趙良炳.現代電力電子技術基礎M. 北京:清華大學出版社,19954陳治明. 電力電子器件基礎M. 北京:機械工業出版社,19925趙可斌,陳國雄.電力電子變流技術M.上海:上海交大出版社,19936林渭勛,電力電子技術M., 杭州:浙江大學出版社,19867丁道宏. 電力電子技術M.北京:航空工業出版社,19908黃繼昌.電子元器件應用手冊M.人民郵電出版社,2004

總結

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