电力电子技术课程设计任务书.doc

1、太原理工大学电力电子课程设计题 目 _学 院 _专 业 _班 级 _姓 名 _指导教师 _年 月电力电子技术课程设计任务书通过电力电子技术课程设计达到以下几个目的：1、 培养学生文献检索的能力，特别是如何利用 INTERNET 检索需要的文献资料。2、 培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、 培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、 培养学生运用仿真工具的能力和方法。5、 提高学生课程设计报告撰写水平。一、 课程设计题目三相全控桥晶闸管整流电路的工程应用二、 设计内容1、 利用三相全控桥晶闸管整流控制技术实现他励直流电动机的调压调速。2、 学习 MATLAB 软件，熟悉并会使

2、用 MATLAB/Simulink 模块库。3、 设计基于三相全控桥晶闸管整流电路的他励直流电动机调压调速系统，搭建系统主电路仿真模型、双脉冲触发控制电路仿真模型。4、 给出整个系统仿真模型，进行系统仿真，得出不同触发角的脉冲波形、整流电压波形、晶闸管电压波形、直流电动机电压、电流、转矩及转速波形。5、 仿真结果分析。三、 主要技术参数1、 三相全控桥晶闸管整流电路触发角： 20,65oo2、 直流回路滤波电感L=20。 =0.002H ； L=65。 =0.01H ;3、 他励直流电动机05:10HP 500V 1750RPM Field:300V ;4、 恒转矩负载TL =20 Nm 设计

3、要求1、 根据设计任务书复习所学知识，查阅相关资料，进行符合专业规范的设计和实验工作。2、 设计过程中，能够发现问题、解决问题，有一定的创新和独立思考。3、 按照科技论文写作规范撰写课程设计报告。绪论电子技术的应用已深入到工农业经济建设,交通运输, 空间技术,国防现代化, 医疗,环保,和亿万人们日常生活的各个领域,进入 21 世纪后电力电子技术的应用更加广泛,因此对电力电子技术的研究更为重要。近几年越来越多电力电子应用在国民工业中,一些技术先进的国家,经过电力电子技术处理的电能已得到总电能的一半以上。其中，整流电路技术在工业生产上应用极广。如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。整流电路就

4、是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。 整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20 世纪 70 年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响） 。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控

5、整流电路等。 把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压 U1，变成二次电压 U2。由晶闸管等组成的全控整流主电路，其输出端的负载，我们研究是电阻性负载、电阻电感负载（如直流电动机的励磁绕组，滑差电动机的电枢线圈等） 。以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压 U2 一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制目 录1、 绪论2、 基本原理

6、2.1 三相桥式全控整流电路基本原理 2.2 直流电动机的结构、励磁方式和调速）3、利用 MATLAB 模拟三相桥式全控整流电路驱动直流电动机并进行调速3.1 MATLAB 简介 3.2 相关模块的了解3.2.1 Power gui 模块3.2.2 Mux、Demux、Bus Selector 模块3.2.3 Sum 模块3.2.4 Scope 模块3.2.5 Pulse Generator、Constant 、Gain 模块3.2.6 Current Measurement、Voltage Measurement 模块3.2.7 Thyristor、Series RLC Load 模块3.2

7、.8 DC Voltage Sourse、Three-Phase Programmable Voltage Source 模块3.2.9 DC Machine 模块3.3 电路图的设计3.3.1 触发电路的设计3.3.2 三相桥的设计3.3.3 直流电动机的设计3.3.4 原理图3.4 滤波电感 L 的选择和调速3.4.1 滤波电感 L 的选择3.4.2 直流电动机的调速4、参考文献2.1 三相桥式全控整流电路基本原理3.1 MATLAB 简介MATLAB 是 matrix 和 laboratory 两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学

8、计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB 主要应用于以下几个方面：1）数值分析2）数值和示意图计算3）工程与科学绘图4）控制系统的设计与仿真5）数字图像处理技术6）数字信号处理技术7）通讯系统设计与仿真8）

9、财务与金融工程9）管理与调度优化计算（运筹学）MATLAB 的主界面主要包括 Worksapce、Command History、Command Window三部分。其中， workspace 是图形用户界面，可用于保存 MATLAB 当前正在计算变量和结果变量值。利用相应的变量编辑器可以查看变量完整内容并进行更改。Command History 主要有四种功能，一是运行单个命令（双击窗口中储存的命令, 该命令将再次被运行）；二是运行多个命令（可以按住 Ctrl 或者Shift 键选择多个命令, 然后选择右键菜单 中的: Evaluate Selection）；三是存储命令（按住 Ctrl 或

10、 Shirt 键选中你想储存的命令, 然后选择右键菜单 中: Create M-file）；第四种是自定义快捷方式。在 Command Window 中可以输入命令，存储数据到工作区，从工作区中调取数据。本实验采用 MATLAB 7.12.0（R2011a）版本，其包含 21 个主工具箱，可应用与各个方面，本实验主要运用 Simulink 和 SimPowerSystems 工具箱。Simulink 中许多子工具箱，_本实验中主要应用 commonly used blocks、math operations 和 sources。SimPowerSystems 工具箱中，主要运用electric

11、al sources、elements、machines、measurements 和 power electronics。3.2 相关模块的了解3.2.1 Power gui 模块Powergui 是电力系统图形化用户接口的简称，由于 simulink 仿真采用的是状态空间方程，所以 powergui 的功能是实现电路图形和状态空间方程的转换。Powergui 模块位于 simpower system 主工具箱中，其示意图如图所示。在仿真时，必须添加 powergui 模块，否则，仿真时会出现如下错误。3.2.2 Mux、Demux、Bus Selector 模块Mux 模块的基本思想是将多

12、路信号集成一束，这一束信号在模型中传递和处理中都看做是一个整体。与 Mux Block 配套的是 Demux Block，它将各路信号相互分离以便能对各信号进行单独处理。而 Bus Selectors 是用来从打包信号里将特定元素取出。这三者均位于 simulinkcommonly used blocks 中，其示意图如图所示。添加后，双击其示意图，可以对其进行输入、输出个数的设置，如图所示。3.2.3 Sum 模块Sum 模块主要用来将两个信号进行叠加，如本实验中利用 sum 模块实现两个单脉冲叠加成双载脉冲。Sum 模块位于 simulinkcommonly used blocks 中，其

13、示意图如图所示。3.2.4 Scope 模块Scope 模块，即示波器，是本实验应用较多的工具,其示意图如图所示，其位于simulinkcommonly used blocks 中。在 scope paramenters 中有两个选项卡，即 general 和 history。在 general 选项卡中利用 number of axes 可以设计示波器显示的波形数，如图所示。在 history 中应去掉“limit data points to last”前的对勾。右击鼠标，在选项卡中的“axes properties”可用来设置波形的纵坐标的最小值和最大值，即“Y-min”、“Y-max”

14、如图所示。3.2.5 Pulse Generator、Constant 、Gain 模块Pulse Generator 模块主要用来产生单脉冲，其位于 simulinksources中，示意图如图所示。双击 Pulse Generator 可以打开“source block paraments：pulse generator”如图所示。其中，“pulse type”为“脉冲类型”，本实验中应采用“Time based”。“Amplitude”为“脉冲幅值”，本实验中应设为“1”。“period（secs）”为“脉冲周期（秒）”，本实验为“0.02”。“Pulse Width (% of per

15、iod)”为“脉宽”，本实验为“8.33”。“Phase delay (secs)”为“延迟”，应适具体情况而定。Constant 模块用来产生恒值连续的信号，其位于 simulinksources 中，示意图如图所示。双击 constant 可以打开“source block paraments：constant”如图所示。在“constant value”选项卡中设置输出量的大小。本实验主要用来产生直流电机的输入转矩 TL。Gain 模块是增益模块，作用是把输入信号乘以一个指定的增益因子，使输入产生增益。其位于 simulinkmath operations 中，示意图如图所示。添加后，双

16、击可以打开“Function Block Parameters:Gain”选项卡，对其增益（Gain）进行设置,如图所示。本实验中利用 Gain 模块实现将直流电动机输出转速由 rad/s 转为 r/min，所以 Gain 应设置为“30/pi”。3.2.6 Current Measurement、Voltage Measurement 模块rrent Measurement 和 Voltage Measurement 模块3.2.7 Thyristor、Series RLC Load 模块即阳极 A、阴极 K、门极 G、输出端 m。其中门极接触发脉冲电路。输出端m 包含晶闸管的电压输出和电流

17、输出。值得注意的是，当 m 端接入 scope 模块的一个输入端时，无法辨别输出电压和电流的波形。所以，应将 m 端接入scope 的两个输入端，scope 模块会自动将其分为输出电压和输出电流波形。当将多个 Thyistor 模块的阳极 A 连在一起时，称为共阳极组；同理，将多个Thyistor 模块的阴 K 连在一起时，称为共阴极组。Series RLC Load 模块，即电阻、电感、电容组合模块，调取路径为：SimPower SystemsElements,示意图如图所以。双击 Series RLC Load 模块可以打开“Block Parameters:Series RLC Bran

18、ch”界面,如图所示。在“Branch type”选项卡中有 8 中 RLC 组合，即 R L C RL RC LC 和 Open circuit，可根据需要选择所需类型。本实验中选用电感 L 作为滤波电感。3.2.8 DC Voltage Sourse、Three-Phase Programmable Voltage Source 模块DC Voltage Sourse 模块，即直流电源模块，可提供电压幅值恒定的直流电压，调取路径为：SimPower SystemsElectrical Sources，图为其示意图。本实验中主要用 DC Voltage Sourse 模块为直流电动机提供励磁

19、电流。添加模块后，双击，可以打开“Block Parameters:DC Voltage Sources”界面，如图所示，在选项卡“Amplitude(V)”中，可以设置电压的大小。Three-Phase Programmable Voltage Source 模块，即三相交流电源模块，调取路径为：SimPower SystemsElectrical Sources，图为其示意图。本实验中主要用 Three-Phase Programmable Voltage Source 模块为全控桥提供三相电压。添加模块后，双击，可以打开“Block Parameters: Three-Phase Pro

20、grammable Voltage Source”界面，如图所示，在“Positivesequence:”选项卡中可以设置三相交流电源的幅值、相位和频率。值得注意的是，Three-Phase Programmable Voltage Source 模块中有 4 个端口，即中性点 n、A 相输出端、B 相输出端、C 相输出端。其中，本实验中，中性点 n 必须接待。3.2.9 DC Machine 模块DC Machine 模块，即直流电机模块，调取路径为：SimPower Systems-Machines,其示意图如图所示。DC Machine 模块有 6 个端口，从上到下分别为：转矩（或转速）

21、输入端 TL（或 W）、输出端 m、电枢回路端 A+和 A-、励磁回路端 F+和 F-。其中，输出端 m 包含 4 个输出量，即转速输出端 Speed wm(rad/s)、电枢电流输出端 Armature current ia(A)、励磁电流输出端 Field current if (A)、电磁转矩输出端 Electrical torque Te (n m)。双击 DC Machine 模块，可以打开“Block Parameters:DC Machine”界面，如图所示，在选项卡“Preset model”中，可以按要求选择所需的电机；在“Mechanical input”选项卡中，可以选择

22、电机的输入。DC Mechine 模块既可以表示直流发电机，也可以表示直流电动机，当输入转矩 TL 小于额定转矩时，其表示电动机；当输入转矩 TL 大于额定转矩时，其表示发电机。本实验中 DC Mechine 模充当电动机，要求其输入转矩小于额定转矩。3.3 电路图的设计3.3.1 触发电路的设计2.1 中得出了对触发脉冲的要求，即，1）双载脉冲触发；2）脉宽为 2030度；两个相邻脉冲的前沿相差 60 度，且-。而在 3.2.5 中介绍的 Pulse Generator 模块只能产生单脉冲。为了满足要求 1），需用到 3.2.3 介绍的 Sum模块。利用 Sum 模块可以将两个不同相位的单脉

23、冲叠加，从而形成双载脉冲，其原理和电路图如图所示，其中虚箭头接至 Thyistor 的门极 G 端。接下来是要求 2），为了满足要求 2），需对 Pulse Generator 模块进行设置。已知周期T=0.02s,对应 360 度.若设脉宽为 30 度，则“Pulse Width （% of period）”应设为 0.02/360 *30*100%=8.83%；两个相邻脉冲的前沿相差 60 度，即“Phase delay (secs)”应为 0.02/360 *60=1/300s.也就是说,VT1 的前沿超前VT2 的前沿 1/300s；VT2 的前沿超前 VT3 的前沿 1/300s；

24、VT3 的前沿超前 VT4的前沿 1/300s； VT4 的前沿超前 VT5 的前沿 1/300s；VT5 的前沿超前 VT6 的前沿 1/300。这样就满足了触发三相桥式全控整流电路的要求。但值得注意的是，在 VT1 导通前，有 30 度的相位差，所以当 a=20 时，vt1 的前沿为 0.02/360 *（20+30）=1/360；当当 a=65 时，vt1 的前沿为 0.02/360 *（65+30）=19/3600。如下表给出了 a=20 和 a=65 的“Phase delay (secs)”。VT1 1由于本实验要求得晶闸管的输出电压和输出电流，所以，应在 sum 模块的输出端加上

25、 scope 模块，如图所示。图为整个触发电路的电路图。3.3.2 三相桥的设计按照图-的三相原理图，从工具箱中调出对应的元件，搭成的电路图如图所示，VT1 VT3 VT5 为共阴极组，VT4 VT6 VT2 为共阳极组。其中，Three-Phase Programmable Voltage Source 模块的 n 端必须接地；虚箭头与脉冲电路的虚箭头相连；虚线表示整流电压的输出，与直流电动机的输入端相连；用Mux 和 Demuc 模块将晶闸管的 m 端与 scope 模块和相连，可以起到简化电路的作用。3.3.3 直流电动机的设计本实验中关于电机的选择为：1）“Preset model”为

26、“05：10HP 500V 1750RPM Field:300V”；2)“Mechanical input”为“Torque TL”。据此，DC Voltage Source 模块的“Amplitude （V）”应设为“300V”。由转矩公式 T=P/w，其中 1HP=735W，w=2*pi*n/60；由此额定转矩TLN=40.1N.m。本实验中，DC Machine 为直流电动机，所以，转矩输入 TL 应小于 TLN。用 constant 模块实现转矩 TL 的输入。用 Bus Selector 模块将直流电动机输出端 m 的 S A F E 选出，作为 scope 模块的 4 个输入。综合

27、所述，直流电动机的原理图如图所示，其中，虚线与三相整流桥相接，作为电枢回路端 A+、A-的输入。3.3.4 原理图将前述的触发电路、全控桥电路、直流电动机电路连接起来组成三相桥式全控整流电路驱动直流电动机的原理图，如图所示。为使电路能运行，需加入3.2.1 中介绍的 Powergui 模块。对于三相交流电源，由式（2-1）知，U2=Ud/(2.34cosa)(其中 U2 为单相电压)。故，当 a=20 时，A(u2)=394V；当a=65 时，A(u2)=876V。在全控桥和直流电动机之间加入电感 L 的作用是使输出电流、电压连续，起滤波的作用。Current measurement 模块和

28、votage measurement 模块是用来测量输出电流、输出电压。Gain 模块的作用是将输出转速的单位有 rad/s 转换为 r/min。3.4 滤波电感 L 的选择和调速3.4.1 滤波电感 L 的选择不断改 1 变电感 L 的取值，观察整流输出电压的波形和图 2-5 中，a=20 和a=65 的波形基本吻合时，此时电感 L 的取值为滤波电感 L 的值。通常情况下，L 的范围在 0.001H0.01H 之间。如图所示，为 a=20 和 a=65 时，脉冲波形、晶闸管波形、整流电流和电压波形、直流电动机转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩。3.4.2 直流电动机的调速由式（2-3）知，在负载不变的条件下，通过调节三相交流电压或触发角可以达到调节直流电动机转速的目的。改变三相交流电压调速：保持 a=20 或 a=65 不变，不断改变三相交流电压的幅值，观察直流电动机输出转速的变化。改变触发角调速：保持直流电动机的型号和三相交流电压的幅值不变，改变触发角a，观察直流电动机输出转速的变化。如图所示，分别为改变三相交流电压调速和改变触发角调速。n/Un/a