單相半控橋式整流電路設(shè)計(jì)

摘 要摘 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(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)、電鍍、電解電源、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、通信系統(tǒng)電源燈。本設(shè)計(jì)研究了單相半控橋式整流電路，對整流電路的原理及特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對整流元件進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算并選擇出了合適的器件。本設(shè)計(jì)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的工作原理。本設(shè)計(jì)還設(shè)計(jì)了合理的保護(hù)電路。最后利用simulink搭建仿真模型。關(guān)鍵詞：半控整流，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路，simulink仿真單相半控橋式整流電路設(shè)計(jì)1主電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的、把從電力電子技術(shù)課程中所學(xué)到的理論和實(shí)踐知識，在課程設(shè)計(jì)實(shí)踐中全綜合的加以運(yùn)用，使這些知識得到鞏固、提高，并使理論知識與實(shí)踐技能密切結(jié)合起來。、初步樹立起正確的設(shè)計(jì)思想，掌握一般電力電子電路設(shè)計(jì)的基本方法和技能，培養(yǎng)觀察、分析和解決問題及獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力，訓(xùn)練設(shè)計(jì)構(gòu)思和創(chuàng)新能力。、培養(yǎng)具有查閱參考文獻(xiàn)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氣工程技術(shù)人員進(jìn)行必須的基本技能和基本素質(zhì)訓(xùn)練。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(dòng)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(shí)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(jìn)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(diǎn)。下面分析兩種單相橋式整流電路的優(yōu)缺點(diǎn)。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(diǎn)：具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高。缺點(diǎn)：每次都要同時(shí)觸發(fā)兩只晶閘管，線路較為復(fù)雜，器件損耗比較大。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(diǎn)：線路簡單、調(diào)整方便，器件損耗比單相全控橋式整流電路小。弱點(diǎn)：輸出電壓脈動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大(電阻性負(fù)載時(shí))，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(jì)中，需要設(shè)計(jì)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。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(gè)導(dǎo)電回路由1個(gè)晶閘管和1個(gè)二極管構(gòu)成。電路帶反電動(dòng)勢負(fù)載工作，|u2|>E時(shí)，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使得晶閘管關(guān)斷，此后Ud=E。與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)電，稱為停止導(dǎo)電角。當(dāng)<時(shí)，觸發(fā)脈沖到來時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。在u2在正半周時(shí)，在3t=a(a>30)處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，VT1導(dǎo)通后，電流從u2正端一VT1-FHiVDQu2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①t=n+a時(shí)刻觸發(fā)VT3使其導(dǎo)通，則向VT1加反壓使之關(guān)斷，u2經(jīng)VTAFHE-VD3u2端向負(fù)載供電。|u2|<E時(shí)，晶閘管截止導(dǎo)通。整流輸出電壓與電流波形如圖4所示圖4輸出波形實(shí)際情況下，若無續(xù)流二極管，則當(dāng) 突然增大至180或觸發(fā)脈沖丟失時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況， 這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期ud為零，其平均值保持恒定，相當(dāng)于單相半波不可控整流電路時(shí)的波形，稱為失控。有續(xù)流二極管VDR寸，續(xù)流過程由VDF完成，避免了失控的現(xiàn)象。續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，少了一個(gè)管壓降，有利于降低損耗。單相橋式半控整流電路帶續(xù)流二極管電路簡圖如圖 5所示：圖5帶續(xù)流二極管的單相橋式半控整流電路加入續(xù)流二極管后輸出的電壓與電流波形都跟不帶續(xù)流二極管一樣，如圖 4所示。1.4器件的選擇1.4.1變壓器的選擇根據(jù)題意，輸入100V/50HZ交流電，移相范圍30o~150o,反電勢E=70V可知 300,由得到 sin1—EV2U2U2=100V變壓器二次側(cè)的電壓即為給定的輸入電壓，所以本設(shè)計(jì)不需要加變壓器。1.4.2整流器件的選擇整流電路輸出電壓當(dāng)30。時(shí)，可以得到Ud最大有效值為UdMAX=101V由輸出最大功率為500W尋到最大的電流為晶閘管與二極管承受的最大反向電壓為晶閘管與二極管的額定電壓為晶閘管與二極管的額定電流求出Idmax5A，流過晶閘管與二極管電流的有效值為晶閘管與二極管的額定電流為根據(jù)上述參數(shù)，選擇兩個(gè)型號為KP10-6的晶閘管和兩個(gè)型號為P600K的二極管。2觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)晶閘管的觸發(fā)電路的作用觸發(fā)電路產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往還包括對其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。觸發(fā)電路要求觸發(fā)電路應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)要求：、觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，比如對感性和反電動(dòng)勢負(fù)載的變流器應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。、觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流的3~5倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)1~2A/s。、觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。、應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。觸發(fā)電路的選擇單結(jié)晶體管觸發(fā)電路正弦波同步觸發(fā)電路鋸齒波同步觸發(fā)電路集成觸發(fā)電路方案選擇的論證單結(jié)晶體管觸發(fā)電路：脈沖寬度窄，輸出功率小，控制線性度差；移相范圍一般小于180度，電路參數(shù)差異大，在多相電路中使用不易一致，不付加放大環(huán)節(jié)。適用范圍：可觸發(fā)50A以下的晶閘管，常用于要求不高的小功率單相或三相半波電路中，但在大電感負(fù)載中不易采用。正弦波同步觸發(fā)電路：由于同步信號為正弦波，故受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)及干擾影響大，實(shí)際移相范圍只有150度左右。適用范圍：不適用于電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大的晶閘管裝置中。鋸齒波同步觸發(fā)電路：它不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)與波形畸變的直接影響，抗干擾能力強(qiáng)，移相范圍寬，具有強(qiáng)觸發(fā)，雙脈沖和脈沖封鎖等環(huán)節(jié)，可觸發(fā)200A的晶閘管。適用范圍：在大眾中容量晶閘管裝置中得到廣泛的應(yīng)用集成觸發(fā)電路：移相范圍小于180度，為保證觸發(fā)脈沖的對稱度，要求交流電網(wǎng)波形畸變率小于5%。適用范圍：應(yīng)用于各種晶閘管。本設(shè)計(jì)主電路為單相半控整流電路，選擇的觸發(fā)電路最好是能產(chǎn)生雙脈沖的觸發(fā)電路，所以我選擇集成觸發(fā)電路KJ004做為主電路的觸發(fā)電路。集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，已逐步取代分立式電路。KJ004集成觸發(fā)器工作原理觸發(fā)電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。 KJ004電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)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(diǎn)。電路原理圖如圖6所示：圖6KJ004電路原理圖工作原理：如圖4所示KJ004的電路原理圖，點(diǎn)劃框內(nèi)為KJ004的集成電路部分，它與分立元件的同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路相似。V1?V4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓uS經(jīng)限流電阻R20加到VI、V2基極。在uS的正半周，V1導(dǎo)通，電流途徑為(+15V—RAVDJV1-地)；在uS負(fù)半周，V2、V3導(dǎo)通，電流途徑為(+15V—RAVD2-V3-R5-R21—(—15V))。因此，在正、負(fù)半周期間。V4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)。只有在同步電壓|uS|v0.7V時(shí)，V1?V3截止，V4從電源十15V經(jīng)R3R4取得基極電流才能導(dǎo)通。電容C1接在V5的基極和集電極之間，組成電容負(fù)反饋的鋸齒波發(fā)生器。在V4導(dǎo)通時(shí)，C1經(jīng)V4VD3迅速放電。當(dāng)V4截止時(shí)，電流經(jīng)(+15V-R6-C1-R22-RP1—(-15V))對C1充電，形成線性增長的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過 R22RP1的充電電流和電容C1的大小。根據(jù)V4導(dǎo)通的情況可知，在同步電壓正、負(fù)半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關(guān)系。V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5偏移電壓Ub移相控制電壓UC分別經(jīng)R24R23R26在V6基極上疊加。當(dāng)ube6>+0.7V時(shí)，V6導(dǎo)通。設(shè)uC5Ub為定值，改變UC，則改變了V6導(dǎo)通的時(shí)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R7VD5V7基射結(jié)充電。當(dāng)V6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，C2所充電壓通過V6成為V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經(jīng)（+15V-R25-V6—地）放電并反向充電，當(dāng)其充電電壓uc2A+1.4V時(shí)，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(shí)間常數(shù)R25和C2決定。V8V12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(gè)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(jìn)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(shí)，V7正脈沖又通過二極管VD7經(jīng)V9?V11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)V13?V15放大后輸出負(fù)相脈沖。2.4.1KJ004管腳圖及其說明KJ004管腳圖如圖7所示：圖7KJ004管腳圖表1KJ004引腳說明功能輸出空鋸齒波形成-Vee(1kQ)地同步輸入綜合比較微分阻容封鎖調(diào)制+Vcc引腳號1、152、6、103、4578911、1213、14162.4.2觸發(fā)電路接線圖KJ004接線圖如圖8所示：圖8KJ004接線圖KJ004各管腳波形圖如圖9所示：圖9KJ004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在綜合腳使能。在鋸齒波固定時(shí)，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(shí)的初始a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(jìn)而輸出我們所需要的a角了。本設(shè)計(jì)要求移向范圍為30°?150o,所以調(diào)節(jié)Up=-2.5V，Uy的移向電壓為0V?10V。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(shí)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(huì)在13腳輸出脈沖，而這個(gè)脈沖是正反兩路驅(qū)動(dòng)信號的合成脈沖，我們是不能用的，芯片內(nèi)部有脈沖選擇電路，經(jīng)過此電路進(jìn)行脈沖選擇后就可輸出正反兩路脈沖由1、15腳輸出進(jìn)而控制晶閘管。觸發(fā)時(shí)間的計(jì)算本課程設(shè)計(jì)為橋式半控整流電路，移向范圍在30°?150°,控制移向移向角在這個(gè)范圍內(nèi)變化。通過控制觸發(fā)時(shí)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(shí)間為若要求觸發(fā)角為60°，則觸發(fā)時(shí)時(shí)間為若要求觸發(fā)角為90°，則觸發(fā)時(shí)間為3保護(hù)電路的設(shè)計(jì)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(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用適合的過電壓保護(hù)電路和過電流保護(hù)電路也是必要的。3.1過電壓保護(hù)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(hù)部位來分，有交流側(cè)過電壓保護(hù)、直流側(cè)過電壓保護(hù)和器件兩端的過電壓保護(hù)三種。（1）交流側(cè)過電壓保護(hù)措施采用組容保護(hù)。即在交流輸入端并聯(lián)電阻R和電容C進(jìn)行保護(hù)，如圖10所示。圖10組容保護(hù)（2）直流側(cè)過電壓保護(hù)措施直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)相同的方法，可采用阻容保護(hù)和壓敏電阻保護(hù)。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，并且會(huì)造成di/dt加大。因此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過電壓保護(hù)，如下圖11左所示：圖11直流側(cè)過電壓保護(hù)電路圖（左圖為三相，本文為單相）壓敏電阻的標(biāo)稱電壓U^a，—般用下面公式計(jì)算，即：由于Udmax101V，則U1mA2101V202V（3）晶閘管兩端過電壓保護(hù)措施采用的在二極管兩端并聯(lián)組容保護(hù)。由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得 C0.25F,R20,線路圖如上圖右所示。3.2過電流保護(hù)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(shí)采用幾種過電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作。本設(shè)計(jì)中采用快速熔斷器。快速熔斷器簡稱快熔，其斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措圖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(hù)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(hù)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(dòng)機(jī)、電鍍、電解電源、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)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)用的各種直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機(jī)車、磁懸浮列車等）、電動(dòng)汽車、飛機(jī)、船舶、電梯等交通運(yùn)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(jī)所用的直流電源、大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)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(jì)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(shí)間來控制輸出電壓與電流的波形。4、 設(shè)置負(fù)載電阻為100歐。仿真波形經(jīng)過以上參數(shù)整定后，整個(gè)系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，波形如圖18所示:圖18觸發(fā)角為120°的波形仿真結(jié)果分析仿真得到的第一個(gè)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(shí)，輸入電壓不變。第二個(gè)波形為觸發(fā)脈沖，在一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)相差180°的觸發(fā)脈沖。第三個(gè)波形為流過某一個(gè)晶閘管的電流波形，可以看出每個(gè)晶閘管都只在半個(gè)周期內(nèi)能導(dǎo)通且電流隨觸發(fā)角不同而不同。第四個(gè)波形為輸出電流波形。第五個(gè)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(diǎn)角度30停止導(dǎo)電。小結(jié)與體會(huì)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(jì)，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(jì)算方法。掌握晶閘管在相關(guān)電路中的工作特點(diǎn)，并能根據(jù)設(shè)計(jì)要求，正確計(jì)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(diǎn)，并能根據(jù)實(shí)際電路選擇合理的觸發(fā)電路形式。對常用的晶閘管保護(hù)電路具有一定的分析和設(shè)計(jì)能力。具有初步發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題