电力电子课程设计

课程设计报告整流电路输出电压谐波分析专业：电气工程及其自动化班级：11电气（2）班学号：姓名：华南理工大学电力学院2014-1-5目录1电路原理分析......................................................................................11.1电路结构......................................................................................................11.2工作原理......................................................................................................21.3基本数量关系..............................................................................................32PSIM仿真............................................................................................32.1程序介绍:.....................................................................................................32.2电路搭建:.....................................................................................................42.3波形分析......................................................................................................42.4谐波分析......................................................................................................53matlabSimulink仿真..........................................................................63.1搭建电路......................................................................................................63.2波形分析......................................................................................................73.3谐波分析......................................................................................................84整流电压谐波计算程序......................................................................84.1谐波计算......................................................................................................84.1.1谐波的含义........................................................................................84.1.2手工傅里叶分解计算......................................................................114.1.3matlab程序计算..............................................................................124.1.4谐波分析..........................................................................................134.2纹波因数....................................................................................................134.2.1纹波因数的含义..............................................................................134.2.2计算程序..........................................................................................144.3谐波电压和α角的关系..........................................................................144.3.1计算程序..........................................................................................144.3.2分析..................................................................................................175结论.....................................................................................................17参考资料...................................................................................................18课程设计任务书1．题目单相半波整流电路整流电压谐波的计算2．任务a）编写计算整流电路电压谐波的程序，然后对电路的谐波含量进行分析（20次以内，α＝0）；b）计算波纹因数γv（α＝0）；c）分析控制角α与最低3次谐波的电压特性（用曲线表示）。3．要求课程设计说明书采用A4纸打印，装订成本；内容包括编写程序、计算结果分析、生成曲线。U=220Vf=60HzRz=50URz11电路原理分析1.1电路结构整流电路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转换为直流电能供给直流用电设备。整流电路可按照组成的器件分为不可控、可控、半控三种，简单的单相可控整流电路包括单相半波可控整流电路、单相全波可控整流电路、单相桥式半控整流电路等。晶闸管（Thyristor）的特点是:为半控器件，导通条件为，加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。晶闸管是一种开关元件，能在高电压、大电流条件下工作，并且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中，是典型的小电流控制大电流的设备。若用晶闸管T替代单相半波整流电路中的二极管D，就可以得到单相半波可控整流电路的主电路，如图1-1电路图所示。设图中变压器副边电压u2为50HZ正弦波，负载RL为电阻性负载。RdVTUTUSITIdUd图1-1单相半波整流电路(纯电阻负载)的电路原理图2图1-2单相半波整流波形单相半波可控整流电路的特点时简单，但输出脉动大，变压器二次电路中含直流分量，容易造成变压器铁心直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需要增大铁心截面积，增大了设备的容量。1.2工作原理（1）在电源电压正半波（0~π区间），晶闸管承受正向电压，脉冲uG在ωt=α处触发晶闸管，晶闸管开始导通，形成负载电流id,负载上有输出电压和电流。（2）在ωt=π时刻，u2=0，电源电压自然过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。（3）在电源电压负半波（π~2π区间），晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载上没有输出电压，负载电流为零。（4）直到电源电压u2的下一周期的正半波，脉冲uG在ωt=2π+α处又触发晶闸管，晶闸管再次被触发导通，输出电压和电流又加在负载上，如此不断重复。31.3基本数量关系a.直流输出电压平均值2cos145.02cos12)(sin221222UUtdtUUdb.输出电流平均值2cos1.45.02aRURUIddc.负载电压有效值242sin.2aaUUd.负载电流有效值242sin2aaRUIe.晶闸管电流平均值2cos1.45.02aRURUIddT2PSIM仿真2.1程序介绍:PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。PSIM全称PowerSimulation。PSIM是由SIMCAD和SIMVIEM两个软件来组成的。PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。本仿真解析系统，不只是回路仿真单体，还可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。例如，在电机驱动开发领域，控制部分用4MATLAB/Simulink实现，主回路部分以及其周边回路用PSIM实现，电机部分用电磁场分析软件MagNet、JMAG实现，由此进行连成解析，实现更高精度的全面仿真系统。2.2电路搭建:使用PSIM在底栏中找出对应元件，并连接导线，并添加时钟设置仿真时间，即可快速搭建出题设电路，其图如下：图2-1PSIM仿真电路图其中交流电压源：U=220Vf=60HZ晶闸管驱动：f=60HZ导通角：0~50°电阻：R=50Ω时钟：总仿真时间：0.1s2.3波形分析在搭建完电路之后即可进行整流波形仿真，点击‘runsimulation’开始仿真，得到电阻电压Ud的波形如下5图2-2PSIM仿真的Ud波形图对比电源电压Uv图2-3PSIM仿真的Uv波形图可以发现在第一个周期内，Uv过零点之前，Ud与Uv具有一样的波形；Uv过零瞬间，Ud同时降为零，并保持为零直至下一个周期。这与前文1.2中所分析原理相符：Uv仅在Ud正半周内出现，复合半波整流的特征。2.4谐波分析通过PSIM自带的FFT（快速傅里叶变换）功能对Ud进行相关的谐波分析。点击‘FFT’之后即可得到Ud的谐波分布图6图2-4PSIM的FFT谐波分析图从图中可以看出：1.Ud谐波中基波分量幅值最大，约为155.5V，即电源峰值电压的一半。2.谐波次数越高，谐波幅值越小。3.除了基波分量，无其他奇次谐波。3matlabSimulink仿真3.1搭建电路为了达到对比分析的目的，我们同时了采用matlab所带的simulink系统对电路进行了相关仿真。其电路搭建如下：图3-1Simulink仿真电路图7器件参数均与PSIM电路一样。3.2波形分析设置仿真时间为0.1s，并点击simulink界面的绿色播放按钮即可从示波器中查看到Uv与Ud波形图3-2Matlab仿真的Ud波形图图3-3Matlab仿真Uv波形图从两款软件