單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì)

..電力電子課程設(shè)計(jì)班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師：..目錄摘要11單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì)21.1晶閘管的介紹2晶閘管的構(gòu)造2晶閘管的工作原理2晶閘管的伏安特性41.2總電路的設(shè)計(jì)51.2.1總電路的原理框圖51.2.2主電路原理圖61.3相控觸發(fā)電路設(shè)計(jì)71.3.1相控觸發(fā)電路工作原理7相控觸發(fā)芯片的選擇71.4保護(hù)電路設(shè)計(jì)92電路參數(shù)及元件選擇102.1主電路電路參數(shù)計(jì)算102.2電路元件的選擇11整流元件的選擇11保護(hù)元件的選擇113MATLAB仿真123.1MATLAB軟件介紹123.2系統(tǒng)建模及電路仿真123.3系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析154設(shè)計(jì)總結(jié)16參考文獻(xiàn)17..摘要電力電子技術(shù)是一門新興技術(shù)，它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科穿插而成的，在電氣自動(dòng)化專業(yè)中已成為一門專業(yè)根底性強(qiáng)且與生產(chǎn)嚴(yán)密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)根底課。本課程表達(dá)了弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。它包括了晶閘管的構(gòu)造和分類、晶閘管的過電壓和過電流保護(hù)方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無源逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明時(shí)期。晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。并且，其應(yīng)用圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和根底就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的開展而確立的。晶閘管是通過對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制式，簡(jiǎn)稱相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)。整流電路按組成的器件不同，可分為不可控、半控與全控三種，利用晶閘管半導(dǎo)體器件構(gòu)成的主要有半控和全控整流電路；按電路接線方式可分為橋式和零式整流電路；按交流輸入相數(shù)又可分為單相、多相〔主要是三相〕整流電路。正是因?yàn)檎麟娐酚兄绱藦V泛的應(yīng)用，因此整流電路的研究無論在是從經(jīng)濟(jì)角度，還是從科學(xué)研究角度上來講都是很有價(jià)值的。本設(shè)計(jì)正是結(jié)合了Matlab仿真軟件對(duì)單相雙半波晶閘管整流電路在阻感負(fù)載下進(jìn)展分析。關(guān)鍵詞：晶閘管，整流電路，Matlab,仿真，阻感負(fù)載，相控方式單相雙半波晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)〔阻感負(fù)載〕1.單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì)1.1晶閘管的介紹晶閘管的構(gòu)造晶閘管是一種4層功率半導(dǎo)體器件，具有3個(gè)PN結(jié)，其構(gòu)造和電路符號(hào)如圖1-1所示。其中，最外層的P區(qū)和N區(qū)分別引出兩個(gè)電極，稱為陽極A和陰極K，中間的P區(qū)引出控制極〔或稱門極〕。圖1-1晶閘管的構(gòu)造及電氣符號(hào)1.1.2晶閘管的工作原理晶閘管組成的實(shí)際電路如圖1-2所示。圖1-2組成的實(shí)際電路圖為了說明晶閘管的工作原理，可將其看成NPN和PNP兩個(gè)三極管相連，用三極管的符號(hào)來表示晶閘管的等效電路，如圖1-3所示。圖1-3晶閘管雙晶體管模型其工作過程如圖1-4所示。當(dāng)晶閘管的陽極A和陰極K之間加正向電壓UZ而控制極K不加電壓時(shí)，中間的PN結(jié)處于反向偏置，管子不導(dǎo)通，處于關(guān)斷狀態(tài)。圖1-4晶閘管工作原理當(dāng)晶閘管的陽極A和陰極K之間加正向電壓UA，且控制極G和陰極K之間也加正向電壓UG時(shí)，外層靠下的PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。假設(shè)V2管的基極電流為IB2，那么集電極電流Ic2為β2IB2，V1管的基極電流IB1等于Vz管的集電極電流，因而V2的集電極電流Icl為βlβ2，該電流又作為V2管的基極電流，再一次進(jìn)展上述的放大過程，形成正反應(yīng)。在很短的時(shí)間〔一般幾微秒〕兩只二極管均進(jìn)入飽和狀態(tài)，使晶閘管完全導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管完全導(dǎo)通后，控制極就失去了控制作用，管子依靠部的正反應(yīng)始終維持導(dǎo)通狀態(tài)。此對(duì)管子壓降很小，一般為0.6～1.2V，電源電壓幾乎全部加在負(fù)載電阻R上，晶閘管中有電流流過，可達(dá)幾十至幾千安。要想關(guān)斷晶閘管，必須將陽極電流減小到不能維持正反應(yīng)過程，當(dāng)然也可以將陽極電源斷開或者在晶閘管的陽極和陰極之間加一反向電壓。綜上所述，可得如下結(jié)論：晶閘管與硅整流二極管相似，都具有反向阻斷能力，但晶閘管還具有正向阻斷能力，即晶閘管正向?qū)ū仨毦哂幸欢ǖ臈l件：陽極加正向電壓，同時(shí)控制極也加正向觸發(fā)電壓〔實(shí)際工作中，控制極加正觸發(fā)脈沖信號(hào)〕。晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極即失去控制作用。要使晶閘管重新關(guān)斷，必須做到以下兩點(diǎn)之一：一是將陽極電流減小到小于維持電流IH；二是將陽極電壓減小到零或使之反向。1.1.3晶閘管的伏安特性晶閘管的導(dǎo)通和截止這兩個(gè)工作狀態(tài)是由陽極電壓、陽極電流及控制極電流決定的，而這幾個(gè)量又是互相有聯(lián)系的，在實(shí)際應(yīng)用上常用實(shí)驗(yàn)曲線來表示它們之間的關(guān)系，這就是晶閘管的伏安特性曲線，其伏安特性曲線如圖1-5所示，可分為正向特性和反向特性曲線兩局部。圖1-5晶閘管的伏安特性晶閘管的正向特性當(dāng)U>O時(shí)對(duì)應(yīng)的特性曲線為正向特性。由圖1-5可知，晶閘管的正向特性分為關(guān)斷狀態(tài)OA段和導(dǎo)通狀態(tài)BC段。當(dāng)控制極電流IG=0時(shí)，逐漸增加陽極電壓U，觀察陽極電流I的變他情況。開場(chǎng)時(shí)，三個(gè)PN結(jié)只有一個(gè)導(dǎo)通，晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流。當(dāng)電壓增加到正向轉(zhuǎn)折電壓U=UBO時(shí)，晶閘管突然導(dǎo)通，進(jìn)入伏安特性的BC段。此時(shí)晶閘管可通過較大的電流，而管壓降很小。在晶閘管導(dǎo)通后，假設(shè)減小正向電壓，那么正向電流就逐漸減小。當(dāng)電流小到某一數(shù)值時(shí)，晶閘管又從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小電流稱為維持電流IH。從圖1-5的晶閘管的正向伏安特性曲線可見，當(dāng)陽極正向電壓高于轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，元件將導(dǎo)通。但是這種導(dǎo)通方法很容易造成晶閘管的不可恢復(fù)性擊穿而使元件損壞，在正常工作時(shí)是不采用的。晶閘管的正常導(dǎo)通受控制極電流IG的控制，為了正確使用晶閘管，必須了解其控制極特性。當(dāng)控制極加正向電壓時(shí)，控制極電路就有電流IG，晶閘管容易導(dǎo)通，其正向轉(zhuǎn)折電壓降低，特性曲線左移?？刂茦O電流越大，正向轉(zhuǎn)折電壓越低。改變控制極電流IG，控制極電流越大(IGl>IG2>0)，轉(zhuǎn)折電壓UBO就越低。晶閘管的反向特性當(dāng)U<O時(shí)對(duì)應(yīng)的特性曲線為反向特性。當(dāng)晶閘管加反向電壓時(shí)，三個(gè)PN結(jié)中有兩個(gè)是反向偏置，只有很小的反向漏電流IR。反向電壓U增加到一定數(shù)值后，反向電流急劇增加，使晶閘管反向擊穿，將這一電壓值稱為反向轉(zhuǎn)折電壓UBR。此時(shí)，晶閘管的工作狀態(tài)與控制極是否加觸發(fā)電壓無關(guān)。但晶閘管一旦反向擊穿就永久損壞，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)防止出現(xiàn)這種狀況。1.2總電路的設(shè)計(jì)1.2.1總電路的原理框圖總電路原理圖如1-6所示。圖1-6總電路的原理框圖該電路主要由四局部構(gòu)成，分別為電源，過電保護(hù)電路，整流電路和觸發(fā)電路構(gòu)成。輸入的信號(hào)經(jīng)變壓器變壓后通過過電保護(hù)電路，保證電路出現(xiàn)過載或短路故障時(shí)，不至于傷害到晶閘管和負(fù)載。在電路中還加了防雷擊的保護(hù)電路。然后將經(jīng)變壓和保護(hù)后的信號(hào)輸入整流電路中。在電路中,過電保護(hù)局部我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護(hù),而過壓保護(hù)那么采用RC電路。整流局部電路那么是根據(jù)題目的要求為單相雙半波整流電路。該電路的構(gòu)造和工作原理是利用晶閘管的開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ?。單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路的移相圍變化較大，而且由于是直接觸發(fā)電路它的構(gòu)造比擬簡(jiǎn)單。方便我們對(duì)設(shè)計(jì)電路中變壓器型號(hào)的選擇。1.2.2主電路原理圖單相雙半波整流電路如圖1-7所示。圖1-7單相雙半波整流電路單相雙半波可控整流電路中，變壓器T帶抽頭，在U2正半周，VT1工作,變壓器二次繞組上半局部通過電流。U2負(fù)半周，VT2工作，變壓器二次繞組下半局部流過反向電流。由上波形圖知,單相雙半波可控整流電路的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(dāng)接其他負(fù)載時(shí)，也由一樣的結(jié)論單相全控橋整流電路如圖1-8所示。圖1-8單相全控橋整流電路圖因此，單相雙半波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是一致的。二者區(qū)別在于：?jiǎn)蜗嚯p半波中變壓器構(gòu)造較復(fù)雜，材料的消耗多。單相雙半波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，相應(yīng)的，門極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。單相雙半波導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管，比單相橋少1個(gè)，因而也少了一次管壓降。單相雙半波整流電路阻感負(fù)載電路如圖1-9所示。圖1-9單相雙半波整流電路阻感負(fù)載電路圖在電源電壓正半周期間，晶閘管VT1承受正相電壓，VT2承受反相電壓。假設(shè)在ωt=a時(shí)觸發(fā)，VT1導(dǎo)通，電流經(jīng)VT1、阻感負(fù)載、和T二次側(cè)中心抽頭形成回路，但由于大電感的存在，電壓過零變負(fù)時(shí)，電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使VT1繼續(xù)導(dǎo)通，直到VT2被觸發(fā)時(shí)，VT1承受反向電壓而截至。在電源電壓負(fù)半周期間，晶閘管VT2承受正向電壓，在ωt=a+π時(shí)觸發(fā)，VT2導(dǎo)通，VT1反向那么截止，負(fù)載電流從VT1中換流至VT2中。在ωt=2π時(shí)，電壓過零，VT2因電感L中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一直導(dǎo)通，直到下一個(gè)周期VT1導(dǎo)通時(shí)。只有當(dāng)a≤π/2時(shí),負(fù)載電流才連續(xù),當(dāng)a>π/2時(shí),負(fù)載電流不連續(xù),而且輸出電壓的平均值接近于零,因此這種電路控制角的移相圍是0~π/2。1.3相控觸發(fā)電路設(shè)計(jì)1.3.1相控觸發(fā)電路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(duì)其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求：觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率〔觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流〕。觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相圍必須滿足電路要求。1.3.2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(gòu)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(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。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、移相圍寬、對(duì)同步電壓要求低,有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。觸發(fā)器KJ004引腳圖如圖1-10所示。圖1-10KJ004引腳圖觸發(fā)器KJ004管腳功能如表1-1所示。表1-1觸發(fā)器KJ004管腳功能表功能輸出空鋸齒波形成-Vee(1kΩ)空地同步輸入綜合比擬空微分阻容封鎖調(diào)制輸出+Vcc引線腳號(hào)12345678910111213141516單結(jié)晶體管觸發(fā)電路由單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸發(fā)電路具有簡(jiǎn)單、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、溫度補(bǔ)償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點(diǎn)，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應(yīng)用。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等局部組成，相控觸發(fā)電路如圖1-11所示。圖1-11相控觸發(fā)電路圖1.4保護(hù)電路設(shè)計(jì)過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)當(dāng)電力電子變流裝置部某些器件被擊穿或短路，驅(qū)動(dòng)、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障，外部出現(xiàn)負(fù)載過載；直流側(cè)短路，可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生逆變失敗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過正常工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)展適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)設(shè)備在運(yùn)行過程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)，因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)展適當(dāng)?shù)倪^電壓保護(hù)。過流、過壓保護(hù)電路如圖1-12所示。圖1-12過流、過電壓保護(hù)電路圖2.電路參數(shù)及元件選擇2.1主電路電路參數(shù)計(jì)算在阻感負(fù)載下電流連續(xù)，整流輸出電壓的平均值為：(2-1)由設(shè)計(jì)任務(wù)有輸出功率P=500W,電感L=1000mH，QUOTE，那么輸出電壓平均值Ud的最大值可由下式可求得。UdQUOTE=0.9×50×1=45v(2-2)可見，當(dāng)在圍變化時(shí)，整流器可在0~45V圍取值。整流輸出電流平均值為：(2-3)在一個(gè)周期每組晶閘管各導(dǎo)通180°，兩組輪流導(dǎo)通，整流變壓器二次電流是正、負(fù)對(duì)稱的方波，電流的平均值和有效值I相等，其波形系數(shù)為1。流過每個(gè)晶閘管的電流平均值QUOTE與有效值QUOTE分別為：(2-4)(2-5)晶閘管在導(dǎo)通時(shí)管壓降=0,故其波形為與橫軸重合的直線段；VT1和VT2加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒到時(shí)，VT3、VT4已導(dǎo)通，把整個(gè)電壓加到VT1或VT2上，那么每個(gè)元件承受的最大可能的正向電壓等于QUOTE；VT1和VT2反向截止時(shí)漏電流為零，只要另一組晶閘管導(dǎo)通，也就把整個(gè)電壓加到VT1或VT2上，故兩個(gè)晶閘管承受的最大反向電壓也為QUOTE。2.2電路元件的選擇2.2.1整流元件的選擇由于單相雙半波整流帶阻性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原那么。晶閘管的主要參數(shù)如下：2.2.2保護(hù)元件的選擇變壓器二次側(cè)熔斷器采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：1〕電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。2〕電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。3〕快熔的值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許值。4〕為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。3.MATLAB仿真3.1MATLAB軟件介紹本次系統(tǒng)仿真采用目前比擬流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室〔MatrixLaboratory〕之意，主要用于方便矩陣的存取，其根本元素是無須定義維數(shù)的矩陣。MATLAB是用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大局部。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、構(gòu)造和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。3.2系統(tǒng)建模及電路仿真仿真電路如圖3-1所示。圖3-1仿真電路圖電路仿真波形如下：當(dāng)α=30゜時(shí)，仿真波形如圖3-2所示。圖3-2α=30゜時(shí)，仿真波形圖當(dāng)α=60゜時(shí)，仿真波形如圖3-3所示。圖3-3α=60゜時(shí)，仿真波形圖當(dāng)α=90゜時(shí)，仿真波形如圖3-4所示。圖3-4α=90゜時(shí)，仿真波形圖3.3系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開場(chǎng)進(jìn)展仿真。圖3-2、圖3-3、圖3-4分別是單相雙半波晶閘管整流電路仿真模型在分別為30°、60°、90°時(shí)的輸出曲線。從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。4.設(shè)計(jì)總結(jié)通過單相雙半波整流電路的設(shè)計(jì)，使我加深了對(duì)單相雙半波晶閘管整流電路的理解，并且對(duì)電