相半控橋式整流電路設(shè)計

1、 摘要隨著科學(xué)技術(shù)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(jié)構(gòu)簡單、控制方便、性能穩(wěn)定。整流的基礎(chǔ)是整流電路。由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開關(guān)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(gòu)成的一門完整的學(xué)科。整流電路的應(yīng)用十分廣泛。廣泛的應(yīng)用于直流電動機、電鍍、電解電源、同步發(fā)電機勵磁、通信系統(tǒng)電源燈。 本設(shè)計研究了單相半控橋式整流電路，對整流電路的原理及特點進行了分析，對整流元件進行了參數(shù)計算并選擇出了合適的器件。本設(shè)計選擇KJ004集成觸發(fā)器做為晶閘管的觸發(fā)電路，詳細(xì)的介紹了KJ004

2、的工作原理。本設(shè)計還設(shè)計了合理的保護電路。最后利用simulink搭建仿真模型。關(guān)鍵詞：半控整流，驅(qū)動電路，保護電路，simulink仿真 單相半控橋式整流電路設(shè)計1 主電路的設(shè)計1.1設(shè)計目的(1)、把從電力電子技術(shù)課程中所學(xué)到的理論和實踐知識，在課程設(shè)計實踐中全綜合的加以運用，使這些知識得到鞏固、提高，并使理論知識與實踐技能密切結(jié)合起來。(2)、初步樹立起正確的設(shè)計思想，掌握一般電力電子電路設(shè)計的基本方法和技能，培養(yǎng)觀察、分析和解決問題及獨立設(shè)計的能力，訓(xùn)練設(shè)計構(gòu)思和創(chuàng)新能力。(3)、培養(yǎng)具有查閱參考文獻和技術(shù)資料的能力，能熟悉或較熟悉地應(yīng)用相關(guān)手冊、圖表、國家標(biāo)準(zhǔn)，為今后成為一名合格的電

3、氣工程技術(shù)人員進行必須的基本技能和基本素質(zhì)訓(xùn)練。1.2整流電路的選擇 整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，整流電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離?？梢詮母鞣N角度對整流電路進行分類。按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。按變壓器二

4、次側(cè)電流的方向是單向或雙向，分為單拍電路和雙拍電路。單相橋式整流電路可分為單相橋式全控整流電路和單相橋式半控整流電路，它們有不同的工作特點。下面分析兩種單相橋式整流電路的優(yōu)缺點。 1.2.1 單相全控橋式整流電路 單相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載電路圖如圖1所示：圖1 單相全控橋式整流電路優(yōu)點：具有輸出電流脈動小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高。缺點：每次都要同時觸發(fā)兩只晶閘管，線路較為復(fù)雜，器件損耗比較大。1.2.2單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路帶阻感負(fù)載電路圖如圖2所示：圖2 單相橋式半控整流電路優(yōu)點：線路簡單、調(diào)整方便，器件損耗比

5、單相全控橋式整流電路小。弱點：輸出電壓脈動沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。 在本設(shè)計中，需要設(shè)計的是單純的整流電路，沒有要求逆變等功能，為了簡化電路，減少開關(guān)器件損耗，我選擇用單相橋式半控整流電路。 1.3 主電路原理說明 單相橋式半控整流電路帶反電勢電阻負(fù)載電路圖如3所示：圖3 不帶續(xù)流二極管的單相橋式半控整流電路原理分析：如圖3，每一個導(dǎo)電回路由1個晶閘管和1個二極管構(gòu)成。電路帶反電動勢負(fù)載工作，|u2|E時，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。 晶閘管導(dǎo)通之后，ud=u2， 直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管

6、關(guān)斷，此后ud=E。 與電阻負(fù)載時相比，晶閘管提前了電角度d停止導(dǎo)電，d稱為停止導(dǎo)電角。當(dāng)a30）處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，VT1導(dǎo)通后，電流從u2正端VT1REVD4u2負(fù)端向負(fù)載供電。當(dāng)u2減小到E，晶閘管截止導(dǎo)通。在u2負(fù)半周t+時刻觸發(fā)VT3使其導(dǎo)通，則向VT1加反壓使之關(guān)斷，u2經(jīng)VT3REVD2u2端向負(fù)載供電。|u2|+0.7V時，V6導(dǎo)通。設(shè)uC5、Ub為定值，改變UC，則改變了V6導(dǎo)通的時刻，從而調(diào)節(jié)脈沖的相位。V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。V7經(jīng)電阻R25獲得基極電流而導(dǎo)通，電容C2由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5、V7基射結(jié)充電。當(dāng) V6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時，C2所充電壓通過

7、V6成為 V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經(jīng) （+15VR25V6地）放電并反向充電，當(dāng)其充電電壓uc2+1.4V時，V7又恢復(fù)導(dǎo)通。這樣，在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充電時間常數(shù)R25和C2決定。V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一周期內(nèi)，V7集電極輸出兩個相位差為180的脈沖。脈沖分選通過同步電壓的正負(fù)半周進行。如在us正半周V1導(dǎo)通，V8截止，V12導(dǎo)通，V12把來自V7的正脈沖箝位在零電位。同時，V7正脈沖又通過二極管VD7，經(jīng)V9V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負(fù)半周，情況剛好相反，V8導(dǎo)通，V12截止，V7正脈沖經(jīng) V13V15放大后輸出負(fù)相脈沖。2.4

8、.1 KJ004管腳圖及其說明 KJ004管腳圖如圖7所示：圖7 KJ004管腳圖表1 KJ004引腳說明功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)地同步輸入綜合比較微分阻容封鎖調(diào)制+Vcc引腳號1、15 2、6、103、45 78911、1213、14162.4.2 觸發(fā)電路接線圖KJ004接線圖如圖8所示:圖8 KJ004接線圖KJ004各管腳波形圖如圖9所示：圖9 KJ004管腳輸出波形原理說明：同步變壓器加到主電路輸入電壓上，即形成了同步電壓。同步變壓器的變比為K=100/15=6.7。同步電壓加上后，在芯片的4腳就形成了與參考信號相同步的鋸齒波，鋸齒波電壓、移相電壓Uy和偏移電壓Up在綜

9、合腳使能。在鋸齒波固定時，如果移相電壓Uy至零，那么改變偏移電壓Up就是在改變所發(fā)脈沖的起始位置，也就是在我們在外的控制移相電壓Uy為0時的初始角。將偏移電壓Up固定后，我們就可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)移相電壓Uy進而輸出我們所需要的角了。本設(shè)計要求移向范圍為30150，所以調(diào)節(jié)Up=-2.5V，Uy的移向電壓為0V10V。觸發(fā)脈沖的脈寬也是可以調(diào)節(jié)的，他是通過11腳和12腳之間的電容和12腳與16腳之間的電阻的改變實現(xiàn)的。經(jīng)過鋸齒波電壓、移相電壓Uy和偏移電壓Up在綜合腳（9腳）的電壓綜合比較之后，KJ004就會在13腳輸出脈沖，而這個脈沖是正反兩路驅(qū)動信號的合成脈沖，我們是不能用的，芯片內(nèi)部有脈沖選

10、擇電路，經(jīng)過此電路進行脈沖選擇后就可輸出正反兩路脈沖由1、15腳輸出進而控制晶閘管。2.4 觸發(fā)時間的計算本課程設(shè)計為橋式半控整流電路，移向范圍在30150，控制移向移向角在這個范圍內(nèi)變化。通過控制觸發(fā)時間控制觸發(fā)角，從而控制輸出電壓。已知輸入電壓頻率50Hz，即周期為0.02。若要求觸發(fā)角為30，則觸發(fā)時間為若要求觸發(fā)角為60，則觸發(fā)時時間為若要求觸發(fā)角為90，則觸發(fā)時間為3 保護電路的設(shè)計 在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設(shè)計良好外，采用適合的過電壓保護電路和過電流保護電路也是必要的。3.1過電壓保護措施過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。以過電壓保護部位來分，有

11、交流側(cè)過電壓保護、直流側(cè)過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。（1）交流側(cè)過電壓保護措施采用組容保護。即在交流輸入端并聯(lián)電阻R和電容C進行保護，如圖10所示。圖10 組容保護=（2） 直流側(cè)過電壓保護措施直流側(cè)保護可采用與交流側(cè)保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成 di/dt 加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護，如下圖11左所示：圖11 直流側(cè)過電壓保護電路圖（左圖為三相，本文為單相）壓敏電阻的標(biāo)稱電壓，一般用下面公式計算，即：由于 ，則（3） 晶閘管兩端過電壓保護措施采用的在二極管兩端并聯(lián)組容保護。由經(jīng)驗數(shù)據(jù)得,線

12、路圖如上圖右所示。3.2 過電流保護過電流分過載和短路兩種情況。 快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施，一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。 本設(shè)計中采用快速熔斷器?？焖偃蹟嗥骱喎Q快熔，其斷流時間短，保護性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。電路圖如圖12所示：圖12 過流保護電路4 總體電路4.1 總體電路結(jié)構(gòu)圖總體電路結(jié)構(gòu)圖如圖13所示單相

13、交流輸入整流電路直流輸出觸發(fā)電路圖13 總體電路結(jié)構(gòu)圖4.2 總體電路原理圖總體電路原理圖如圖14所示:圖14 總體電路原理圖4.3 總體電路原理分析該電路電源、保護電路、整流電路和觸發(fā)電路四部分構(gòu)成。主電路為單相橋式半控整流電路，晶閘管的觸發(fā)信號由集成觸發(fā)器KJ004提供。在電路中增加了必要的保護電路。每部分具體的原理已在前面詳細(xì)分析，這里就不再復(fù)述了。4.4 電路的主要用途 整流電路的作用是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能供給直流用電設(shè)備。整流電路的應(yīng)用十分廣泛,廣泛的應(yīng)用于直流電動機、電鍍、電解電源、同步發(fā)電機勵磁、通信系統(tǒng)電源燈。在電力電子技術(shù)中，可控整流電路是非常重要的內(nèi)容，工業(yè)中大量應(yīng)用的

14、各種直流電動機的調(diào)速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機車、磁懸浮列車等）、電動汽車、飛機、船舶、電梯等交通運輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術(shù)；各種電子裝置如通信設(shè)備中的程控交換機所用的直流電源、大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源都可以利用整流電路構(gòu)成的直流電源供電。5 綜合設(shè)計與仿真5.1 仿真模型綜合上述的分析，利用simulink畫出仿真電路，如圖15所示:圖15 單相半控橋式電路仿真模型仿真電路各元件參數(shù)設(shè)置：1、單相交流電源。峰值電壓設(shè)置為141V，頻率設(shè)置50Hz。2、二極管和晶閘管為默認(rèn)的參數(shù)。3、設(shè)置觸發(fā)器的周期與電壓周期一致，為0.02S，通過設(shè)置觸發(fā)時間來控

15、制輸出電壓與電流的波形。4、設(shè)置負(fù)載電阻為100歐。5.2 仿真波形經(jīng)過以上參數(shù)整定后，整個系統(tǒng)的仿真設(shè)計已經(jīng)完成，現(xiàn)給出所有輸出結(jié)果。其仿真波形如下：當(dāng)觸發(fā)角為30，波形如圖16所示:圖16 觸發(fā)角為30的波形當(dāng)觸發(fā)角為90時，波形如圖17所示:圖17 觸發(fā)角為90的波形當(dāng)觸發(fā)角為120時，波形如圖18所示:圖18 觸發(fā)角為120的波形5.3 仿真結(jié)果分析 仿真得到的第一個波形為單相交流輸入電壓波形，可以看出在觸發(fā)角不同時，輸入電壓不變。第二個波形為觸發(fā)脈沖，在一個周期內(nèi)有兩個相差180的觸發(fā)脈沖。第三個波形為流過某一個晶閘管的電流波形，可以看出每個晶閘管都只在半個周期內(nèi)能導(dǎo)通且電流隨觸發(fā)角

16、不同而不同。第四個波形為輸出電流波形。第五個波形為輸出電壓波形，可以看出輸出電流波形與輸出電壓波形形狀一樣。單相交流電在經(jīng)過整流之后變成直流電，輸出電壓波形與電流波形相同。由于有反電勢的存在，使晶閘管提前了點角度30停止導(dǎo)電。小結(jié)與體會本文分析了單相半控橋式整流電路的基本原理、工作特性。通過本課程設(shè)計，我受益匪淺。熟悉和掌握整流電路基本工作原理及參數(shù)計算方法。掌握晶閘管在相關(guān)電路中的工作特點，并能根據(jù)設(shè)計要求，正確計算晶閘管參數(shù)，合理選擇晶閘管型號。了解常用晶閘管觸發(fā)電路的特點，并能根據(jù)實際電路選擇合理的觸發(fā)電路形式。對常用的晶閘管保護電路具有一定的分析和設(shè)計能力。具有初步發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計中出現(xiàn)

17、的問題的能力。本文采用simulink仿真，使我對simulink的用法更加熟悉了，為我以后熟練的使用該軟件奠定了基礎(chǔ)。在這次設(shè)計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設(shè)計的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學(xué)以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。在理論聯(lián)系實際、綜合分析、理論計算、歸納整理和實驗研究等方面得到綜合訓(xùn)練和提高，培養(yǎng)了獨立解決實際問題和從事科學(xué)研究的初步能力。能夠初步建立正確的設(shè)計思想，熟悉工程設(shè)計的一般順序、規(guī)范和方法，可培養(yǎng)了嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)，樹立正確的全局觀點，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計乃至畢業(yè)后向工程技術(shù)人員過渡打下基礎(chǔ)。附錄：元器件清單表2元器件數(shù)量備注普通晶閘管2型號KP10-6二極管3型號P600K觸發(fā)電路集成塊1基于KJ004，自制快速熔斷器4熔斷電路8A壓敏電阻1MYG-40D241K 參考文獻1王兆安.電力電子技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2008.2王維平.現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用.南京：東南大學(xué)出版社，1999. 3葉斌.電力電子應(yīng)用技術(shù)及裝置.北京：鐵道出版社，1999.4馬建國.孟憲元.電子設(shè)計自動化技術(shù)基礎(chǔ).清華大學(xué)出