單相雙半波晶閘管整流電路設計(純電阻負載.

1、學號：0121011360301湖北民族學院科技學院課程設計題目單相雙半波晶閘管整流電路的設計（純電阻負載）學院信息工程學院專業(yè)電氣工程及其自動化班級16姓名田社指導教師2015年 12月 29 日課程設計任務書學生姓名：田社 專業(yè)班級： 16指導教師： 工作單位：信息工程學院題 目:單相雙半波晶閘管整流電路的設計（純電阻負載） 初始條件：1、電源電壓：交流100V/50HZ2 、輸出功率：500W3 、移相范圍0o180o要求完成的主要任務:（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等 具體要求）1、根據(jù)課程設計題目，收集相關資料、設計主電路、控制電路；2、用MATLAB/Simuli

2、nk對設計的電路進行仿真；3、撰寫課程設計報告一一畫出主電路、控制電路原理圖，說明主電路的工作原理、選擇元器件參數(shù)，說明控制電路的工作原理、繪出主電路典型波形，繪出觸發(fā)信號（驅(qū) 動信號）波形，并給出仿真波形，說明仿真過程中遇到的問題和解決問題的方法，附 參考資料；5、通過答辯。時間安排：2015.12.29指導教師簽名:系主任（或責任教師）簽名:摘要 11整流電路供電方案的選擇 21.1單相橋式全控整流電路 21.2單相雙半波可控整流電路 22單相雙半波晶閘管整流電路主電路設計 32.1 總電路的原理框圖 32.2晶閘管工作原理 32.3變壓器參數(shù)計算 52.3.1變壓器二次側電壓的計算 52

3、.3.2變壓器一、二次側電流的計算 52.3.3變壓器容量的計算 52.3.4變壓器型號的選擇 53電路設計 63.1主電路原理圖 63.3保護電路原理圖及工作原理 83.3.1過電流保護 83.3.2過電壓保護 83.4總電路原理圖 94電路元件的選擇 104.1 整流元件的選擇 104.1.1整流元件中電壓、電流最大值的計算 104.1.2整流元件型號的選擇 104.2保護元件的選擇 114.2.1變壓器二次側熔斷器的選擇 114.3相控觸發(fā)芯片的選擇 115波形繪制與仿真 125.1理論波形的繪制 125.2 MATLAB仿真 13心得及體會 16參考文獻 17本科生課程設計成績評定表

4、18摘要電力電子學,又稱功率電子學（Power Electronics）。它主要研究各種電力電子器件， 以及由這些電力電子器件所構成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。 它既是電子學在強電（高電壓、大電流）或電工領域的一個分支，又是電工學在弱電 （低電 壓、小電流）或電子領域的一個分支，或者說是強弱電相結合的新科學。電力電子學是橫 跨“電子”、“電力”和“控制”三個領域的一個新興工程技術學科。隨著科學技術的日益發(fā)展，人們對電路的要求也越來越高，由于在生產(chǎn)實際中需要大 小可調(diào)的直流電源，而相控整流電路結構簡單、控制方便、性能穩(wěn)定，利用它可以方便地得 到大中、小各種容量的直流電能，是

5、目前獲得直流電能的主要方法，得到了廣泛應用。在電 能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而在許多場合， 例如電解、蓄電池的充電、直流電動機等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電 機外，最普遍應用的是利用各種半導體元件產(chǎn)生直流電。這個方法中，整流是最基礎的一 步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，把方向和大小交變的電流變換為直流電。整 流的基礎是整流電路。由于電力電子技術是將電子技術和控制技術引入傳統(tǒng)的電力技術領域，利用半導體電 力開關器件組成各種電力變換電路實現(xiàn)電能和變換和控制，而構成的一門完整的學科。故 其學習方法與電子技術和控制技術有很多相似之處，因此要學

6、好這門課就必須做好課程設 計，因而我們進行了此次課程設計。又因為整流電路應用非常廣泛，而單相全控橋式晶閘 管整流電路又有利于夯實基礎，故我們將單結晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全控整流電路這一 課題作為這一課程的課程設計的課題。關鍵詞：電力電子技術控制 整流1整流電路供電方案的選擇1.1單相橋式全控整流電路此電路對每個導電回路進行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會失控現(xiàn)象，負載形式 多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應用廣泛。變壓器二次繞組中，正負兩個半周電流方向 相反且波形對稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器 的利用率也高。并且單相橋式全控整流電路具有輸出電流脈動小，功率因素高的

7、特點。但是，電路中需要四只晶閘管，且觸發(fā)電路要分時觸發(fā)一對晶閘管，電路復雜，兩兩晶 閘管導通的時間差用分立元件電路難以控制。圖1單相橋式全控整流電路圖1.2單相雙半波可控整流電路單相雙半波可控整流電路又稱單相全波可控整流電路。此電路變壓器是帶中心抽頭的，在u2正半周T1工作，變壓器二次繞組上半部分流過電流。u2負半周，VT2工作，變 壓器二次繞組下半部分流過反方向的電流。單相全波可控整流電路的U d波形與單相全控橋的一樣，交流輸入端電流波形一樣，變壓器也不存在直流磁化的問題。當接其他負載時， 也有相同的結論。因此，單相全波與單相全控橋從直流輸入端或者從交流輸入端看均是一 致的。適用于輸出低壓的

8、場合作電流脈沖大（電阻性負載時）。在比較兩者的電路結構的優(yōu)缺點以后決定選用單相全波可控整流電路作為主電路。2單相雙半波晶閘管整流電路主電路設計2.1 總電路的原理框圖圖2總電路的原理框圖該電路主要由四部分構成，分別為電源，過電保護電路，整流電路和觸發(fā)電路構成。輸入的信號經(jīng)變壓器變壓后通過過電保護電路，保證電路出現(xiàn)過載或短路故障時，不至于 傷害到晶閘管和負載。在電路中還加了防雷擊的保護電路。然后將經(jīng)變壓和保護后的信號 輸入整流電路中。在電路中，過電保護部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護，而過壓保護則采用 RC電路。整流部分電路則是根據(jù)題目的要求，我們選擇學過的單相全波整流電路。該電路的結 構

9、和工作原理是利用晶閘管的開關特性實現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ堋谓Y晶體管直接觸發(fā) 電路的移相范圍變化較大，而且由于是直接觸發(fā)電路它的結構比較簡單。一方面是方便我 們對設計電路中變壓器型號的選擇。2.2晶閘管工作原理晶閘管由四層半導體（Pi、N、P2、2）組成，形成三個結Ji （ RN）、J2（NiR）、J3（P2N2），并分別從Pi、P2、N引入A、G K三個電極，如圖6.0（左）所示。由于具有擴散工藝，具有三結四層結構的普通晶閘管可以等效成如圖6.0 （右）所示的兩個晶閘管 Ti（ P1-N1-R）和（N-P2-N2）組成的等效電路。AoPiPNPl/c2fi圖3晶閘管的內(nèi)部結構和等效電路一個P

10、NPN四層結構的兩端器件，可以看成電流放大系數(shù)分別為1和2的RNA和N1P2N2晶體管，其中J2結為共用集電結。當器件加正向電壓時。正偏J1結注入空穴經(jīng)過N1 區(qū)的輸運，到達集電極結（J2）空穴電流為iIa ；而正偏的J3結注入電子，經(jīng)過P2區(qū)的 輸運到達J2結的電流為2。由于結處于反向，通過結的電流還包括自身的反向飽 和電流Ico。晶閘管導通與關斷兩個狀態(tài)是由陽極電壓、陽極電流和門極電流共同決定的。通常用伏安特性曲線來描述它們之間的關系，如圖所示1訣*11丘向 正向圖4晶閘管的伏安特性曲線當晶閘管Vak加正向電壓時，Ji和J3正偏，J2反偏，外加電壓幾乎全部降落在 J2結上, J2結起到阻斷

11、電流的作用。隨著Vak的增大，只要Vak 乂。，通過陽極電流Ia都很小,因而稱此區(qū)域為正向阻斷狀態(tài)。當Vak增大超過Vbo以后，陽極電流突然增大，特性曲線過 負阻過程瞬間變到低電壓、大電流狀態(tài)。晶閘管流過由負載決定的通態(tài)電流It，器件壓降為1V左右，特性曲線CD段對應的狀態(tài)稱為導通狀態(tài)。通常將 Vbo及其所對應的Ibo稱之 為正向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。晶閘管導通后能自身維持同態(tài)，從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)，通常是 不用門極信號而是由外部電路控制，即只有當電流小到稱為維持電流Ih的某一臨界值以下，器件才能被關斷。當晶閘管處于斷態(tài)（Vak Vbo ）時，如果使得門極相對于陰極為正，給門極通以電流Ig，那么晶閘

12、管將在較低的電壓下轉(zhuǎn)折導通。轉(zhuǎn)折電壓Vbo以及轉(zhuǎn)電流Ibo都是Ig的函數(shù)，Ig越大，Vb。越小。如圖3所示，晶閘管一旦導通后，即使去除 門極信號，器件仍然然導通。當晶閘管的陽極相對于陰極為負，只要 Vak Vro ,1a很小，且與Ig基本無關。但反向電壓很大時（Vak Vro）,通過晶閘管的反向漏電流急劇增大，表現(xiàn)出晶閘管擊穿，因 此稱Vro為反向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。2.3變壓器參數(shù)計算2.3.1變壓器二次側電壓的計算電源電壓交流100/50HZ，輸出功率：500W 移相范圍：0至180。設 R=1.25Q , a =0P=lfd/R, Ud =25V232變壓器一、二次側電流的計算P=ld2

13、R, Id=20AU1/Ud=100/25, N1/N2=4/1, l1=Id/4=5 A2.3.3變壓器容量的計算S=UI=100X 5=0.5kVA2.3.4變壓器型號的選擇N1:N2=4: 1; S=0.5Kva3電路設計3.1主電路原理圖單相全波整流電路如圖5所示，波形圖如圖6所示圖5單相全波整流電路圖6波形圖根據(jù)波形圖可知，單相全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出電壓相同1 冗一2 J 2輸出平均電壓 Uo Ul= 2U2SinGid(3t)=U2=0.9 U2n 0廠n流過負載的電流為：Il= 2 2U2/( R) = 0.9U2/R二極管所承受的最大反向電壓為:URmax=

14、2 2U單相全波整流電路的脈動系數(shù) s與單相橋式整流電路相同：s= 4. 2U 2/32-.2U2/ =2/3=0.67在單相全波整流電路的變壓器中，只有交流電流流過；而在半波和橋式整流電路中，均 有直流分量流過。單相全波整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和橋式整流電路，故廣泛應 用于直流電源中3.2 相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸 發(fā)脈沖要求： 觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。 觸發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。 觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流 能迅速上升超過掣住電流

15、而維持導通。 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求 單結晶體管觸發(fā)電路：由單結晶體管構成的觸發(fā)電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強、溫度補償性能好，脈 沖前沿徒等優(yōu)點，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應用。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如圖所示la 1 J * T - i =占 b5V圖7相控觸發(fā)電路原理圖3.3保護電路原理圖及工作原理331過電流保護當電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故 障；外部出現(xiàn)負載過載；直流側短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變失??；以及交流電源電壓過 高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超

16、過正常工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必 須對電力電子裝置進行適當?shù)倪^電流保護。3.3.2過電壓保護設備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。 同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)，因此，必須對電力電子裝置進 行適當?shù)倪^電壓保護，如圖3.4所示。3.4總電路原理圖7 -ioav3圖9總電路原理圖5 (VT15 c_K+ 24V+ 15V4電路元件的選擇4.1 整流元件的選擇由于單相雙半波整流帶阻性負載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時主要考慮 晶閘管的參數(shù)及其選取原則。4.1.1整流元件中電壓、電流最大值的計算晶閘管的主要參數(shù)如下：(1)額定電壓

17、UNvt 斷態(tài)重復峰值電壓UDrm斷態(tài)重復峰值電壓是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的峰值電壓。 反向重復峰值電壓URrm反向重復峰值電壓是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值 電壓。通常取UDr和UU中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選 用管子時，額定電壓要留有一定裕量，應為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍,以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 U nvt min U drm ,U rrmUNvt ( 2 3) 2UNvt：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓UNvt=(2-3)22U= (141.4-212.1 ) V通過晶閘

18、管的電流的平均值IvT(AV)(2)額定電流 I nvtI vt(AV) =Id/2=10AIm= n I vt(Av)=31.4A4.1.2整流元件型號的選擇晶閘管的選擇原則：1所選晶閘管電流有效值I VT大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。2.選擇時考慮(1.52)倍的安全裕量。即I nvt (1.52)l vt/1.57= (19.1-25.5 ) AI nvt=20A則晶閘管的額定電流為I nvT=20A.在本次設計中選用2個KP20-2的晶閘管.4.2保護元件的選擇4.2.1變壓器二次側熔斷器的選擇采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。在選擇 快熔

19、時應考慮：1) 電壓等級應根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。2) 電流容量應按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結形式確定?？烊垡话闩c電力 半導體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側交流母線或直流母線中。3) 快熔的12t值應小于被保護器件的允許12t值。4) 為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性。因為晶閘管的額定電流為20A,快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管額定電流， 所以快速熔斷器的熔斷電流為30A。4.3相控觸發(fā)芯片的選擇相控觸發(fā)電路芯片選擇KJ004集成觸發(fā)電路芯片構成的集成觸發(fā)器KJ004可控硅移相電路可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置

20、中，作可控硅的雙路脈沖移相 觸發(fā)。器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具 有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低,有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點功能輸 出空鋸齒波形 成-Vee(1k Q)空地同步輸 入綜合比 較空微分阻 容封鎖調(diào) 制輸 出+Vcc引線腳號123456789101112131415165波形繪制與仿真5.1理論波形的繪制圖10理論輸出波形圖11理論觸發(fā)信號波形在Vg到來前，Ud兩端的電壓為0； Vg到來后，電源電壓加在輸出端上，其值近乎 等于Ud。在U2正半周，VT1工作，變壓器二次繞組上半部分

21、流過電流；U2負半周，VT2工作, 變壓器二次繞組下半部分流過反向的電流。由波形可知，單相全波可控整流電路的Ud波形與單相全控橋的一樣，交流輸入端電流波形一樣，變壓器也不存在直流磁化的問題。當 接其他負載時，有相同的結論。因此，單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入 端看均是基本一致的。但是：單相半波可控整流電路中只用兩個晶閘管，比單相橋式可控整流電路少兩個；相應 地，晶閘管的門極驅(qū)動電路也少兩個。但是在單相全波可控整流電路中，晶閘管承受的最 大反向電壓為2.2U2，是單相全控橋式整流電路的兩倍。單相全波可控整流電路中，至加回路只含一個晶閘管，比單相橋少一個，因而管壓 降也少一個。從以上

22、考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應用。這也是這次電路選擇單相全波可控整流電路的原因。5.2 MATLAB 仿真圖中pulse gen eration產(chǎn)生脈沖信號，通過更改其中的 phase delay調(diào)整相角，示波器scope記錄各處產(chǎn)生的電壓波形。UdiTime由估七匕圖13當a =60時，仿真波形結果圖中U2為二次側兩端電壓，Vg為觸發(fā)脈沖電壓，Ud為電阻兩端（即輸出端）電壓， Thyristor為VT1晶閘管兩端電壓。當a =60時，仿真波形如上所示。在觸發(fā)延遲角到來前，Ud兩端電壓為0,電源電壓完全施加于晶閘管兩端，該段晶閘管中沒有電流形成。當觸發(fā)脈沖到來后，晶閘管兩端 電壓

23、幾乎為0,此時電源電壓完全加在負載上。半個周期后，電源電壓反向，晶閘管承受 反壓而關斷，電源電壓都加在晶閘管兩端，輸出端電壓為0。2UdThyristorTime offset: 9.6圖14當a =120時，仿真波形結果當a =120時，仿真波形如上所示。在觸發(fā)延遲角到來前，Ud兩端電壓為0,電源電壓完全施加于VT1晶閘管兩端，電路中沒有電流形成。當觸發(fā)脈沖到來后，VT1晶閘管兩端電壓幾乎為0,此時電源電壓完全加在負載上。半個周期后，電源電壓反向，晶閘管承 受反壓而關斷，電源電壓都加在晶閘管兩端，輸出端電壓為0。和a =60時相比，電源電壓完全加在VT1晶閘管兩端的時間更長，晶閘管導通的時間

24、更短。U2VaUd1050201001020Time offset: 9.6圖15當a =180時，仿真波形結果當a =180時，電源電壓始終加在晶閘管兩端，輸出端電壓恒為0,電路中至始至終沒有形成電流。綜合以上，對電路中的單個晶閘管進行分析可知，當 0a180。時，在一個周期內(nèi)， 觸發(fā)角到來前，由晶閘管承受電源電壓，觸發(fā)脈沖到來后，電源電壓幾乎完全加在輸出端， 半個周期后，由晶閘管承受反壓，電路關斷。當 a耗0。后，電路在整個周期都處于關斷 狀態(tài)，電源電壓完全由晶閘管承擔。得出結論，a的移相范圍為0180 。心得及體會一直以來動手能力不強都是包括我在內(nèi)的許多在校大學生的很多缺陷，對將理論知識 應用于實踐的恐懼，對日新月