單相雙半波晶閘管整流電路主電路設計

..電力電子課程設計班級：學號：姓名：指導教師：..目錄摘要11單相雙半波晶閘管整流電路主電路設計21.1晶閘管的介紹2晶閘管的構造2晶閘管的工作原理2晶閘管的伏安特性41.2總電路的設計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)電路設計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保護電路設計92電路參數及元件選擇102.1主電路電路參數計算102.2電路元件的選擇11整流元件的選擇11保護元件的選擇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)仿真結果及分析154設計總結16參考文獻17..摘要電力電子技術是一門新興技術，它是由電力學、電子學和控制理論三個學科穿插而成的，在電氣自動化專業(yè)中已成為一門專業(yè)根底性強且與生產嚴密聯系的不可缺少的專業(yè)根底課。本課程表達了弱電對強電的控制，又具有很強的實踐性。它包括了晶閘管的構造和分類、晶閘管的過電壓和過電流保護方法、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、交流調壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。晶閘管出現前的時期可稱為電力電子技術的史前期或黎明時期。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變流機組。并且，其應用圍也迅速擴大。電力電子技術的概念和根底就是由于晶閘管及晶閘管變流技術的開展而確立的。晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而不能使其關斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制式，簡稱相控方式。晶閘管的關斷通常依靠電網電壓等外部條件來實現。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，利用晶閘管半導體器件構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；按交流輸入相數又可分為單相、多相〔主要是三相〕整流電路。正是因為整流電路有著如此廣泛的應用，因此整流電路的研究無論在是從經濟角度，還是從科學研究角度上來講都是很有價值的。本設計正是結合了Matlab仿真軟件對單相雙半波晶閘管整流電路在阻感負載下進展分析。關鍵詞：晶閘管，整流電路，Matlab,仿真，阻感負載，相控方式單相雙半波晶閘管整流電路的設計〔阻感負載〕1.單相雙半波晶閘管整流電路主電路設計1.1晶閘管的介紹晶閘管的構造晶閘管是一種4層功率半導體器件，具有3個PN結，其構造和電路符號如圖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晶閘管的構造及電氣符號1.1.2晶閘管的工作原理晶閘管組成的實際電路如圖1-2所示。圖1-2組成的實際電路圖為了說明晶閘管的工作原理，可將其看成NPN和PNP兩個三極管相連，用三極管的符號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，中間的PN結處于反向偏置，管子不導通，處于關斷狀態(tài)。圖1-4晶閘管工作原理當晶閘管的陽極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，外層靠下的PN結處于導通狀態(tài)。假設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，再一次進展上述的放大過程，形成正反應。在很短的時間〔一般幾微秒〕兩只二極管均進入飽和狀態(tài)，使晶閘管完全導通。當晶閘管完全導通后，控制極就失去了控制作用，管子依靠部的正反應始終維持導通狀態(tài)。此對管子壓降很小，一般為0.6～1.2V，電源電壓幾乎全部加在負載電阻R上，晶閘管中有電流流過，可達幾十至幾千安。要想關斷晶閘管，必須將陽極電流減小到不能維持正反應過程，當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，即晶閘管正向導通必須具有一定的條件：陽極加正向電壓，同時控制極也加正向觸發(fā)電壓〔實際工作中，控制極加正觸發(fā)脈沖信號〕。晶閘管一旦導通，控制極即失去控制作用。要使晶閘管重新關斷，必須做到以下兩點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通和截止這兩個工作狀態(tài)是由陽極電壓、陽極電流及控制極電流決定的，而這幾個量又是互相有聯系的，在實際應用上常用實驗曲線來表示它們之間的關系，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U>O時對應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斷狀態(tài)OA段和導通狀態(tài)BC段。當控制極電流IG=0時，逐漸增加陽極電壓U，觀察陽極電流I的變他情況。開場時，三個PN結只有一個導通，晶閘管處于關斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流。當電壓增加到正向轉折電壓U=UBO時，晶閘管突然導通，進入伏安特性的BC段。此時晶閘管可通過較大的電流，而管壓降很小。在晶閘管導通后，假設減小正向電壓，那么正向電流就逐漸減小。當電流小到某一數值時，晶閘管又從導通狀態(tài)轉為阻斷狀態(tài)，這時所對應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，當陽極正向電壓高于轉折電壓時，元件將導通。但是這種導通方法很容易造成晶閘管的不可恢復性擊穿而使元件損壞，在正常工作時是不采用的。晶閘管的正常導通受控制極電流IG的控制，為了正確使用晶閘管，必須了解其控制極特性。當控制極加正向電壓時，控制極電路就有電流IG，晶閘管容易導通，其正向轉折電壓降低，特性曲線左移?？刂茦O電流越大，正向轉折電壓越低。改變控制極電流IG，控制極電流越大(IGl>IG2>0)，轉折電壓UBO就越低。晶閘管的反向特性當U<O時對應的特性曲線為反向特性。當晶閘管加反向電壓時，三個PN結中有兩個是反向偏置，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折電壓UBR。此時，晶閘管的工作狀態(tài)與控制極是否加觸發(fā)電壓無關。但晶閘管一旦反向擊穿就永久損壞，在實際應用中應防止出現這種狀況。1.2總電路的設計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。輸入的信號經變壓器變壓后通過過電保護電路，保證電路出現過載或短路故障時，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。然后將經變壓和保護后的信號輸入整流電路中。在電路中,過電保護局部我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護,而過壓保護那么采用RC電路。整流局部電路那么是根據題目的要求為單相雙半波整流電路。該電路的構造和工作原理是利用晶閘管的開關特性實現將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ堋谓Y晶體管直接觸發(fā)電路的移相圍變化較大，而且由于是直接觸發(fā)電路它的構造比擬簡單。方便我們對設計電路中變壓器型號的選擇。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。當接其他負載時，也由一樣的結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：單相雙半波中變壓器構造較復雜，材料的消耗多。單相雙半波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，相應的，門極驅動電路也少2個；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。單相雙半波導電回路只含1個晶閘管，比單相橋少1個，因而也少了一次管壓降。單相雙半波整流電路阻感負載電路如圖1-9所示。圖1-9單相雙半波整流電路阻感負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。假設在ωt=a時觸發(fā)，VT1導通，電流經VT1、阻感負載、和T二次側中心抽頭形成回路，但由于大電感的存在，電壓過零變負時，電感上的感應電動勢使VT1繼續(xù)導通，直到VT2被觸發(fā)時，VT1承受反向電壓而截至。在電源電壓負半周期間，晶閘管VT2承受正向電壓，在ωt=a+π時觸發(fā)，VT2導通，VT1反向那么截止，負載電流從VT1中換流至VT2中。在ωt=2π時，電壓過零，VT2因電感L中的感應電動勢一直導通，直到下一個周期VT1導通時。只有當a≤π/2時,負載電流才連續(xù),當a>π/2時,負載電流不連續(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)電路設計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)和脈沖列調制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產生的觸發(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、移相圍寬、對同步電壓要求低,有脈沖列調制輸出端等功能與特點。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制輸出+Vcc引線腳號12345678910111213141516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保護電路設計過電流保護電路設計當電力電子變流裝置部某些器件被擊穿或短路，驅動、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障，外部出現負載過載；直流側短路，可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產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，即出現過電流。因此，必須對電力電子裝置進展適當的過電流保護。過電壓保護電路設計設備在運行過程中，會受到由交流供電電網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，因此，必須對電力電子裝置進展適當的過電壓保護。過流、過壓保護電路如圖1-12所示。圖1-12過流、過電壓保護電路圖2.電路參數及元件選擇2.1主電路電路參數計算在阻感負載下電流連續(xù)，整流輸出電壓的平均值為：(2-1)由設計任務有輸出功率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，當在圍變化時，整流器可在0~45V圍取值。整流輸出電流平均值為：(2-3)在一個周期每組晶閘管各導通180°，兩組輪流導通，整流變壓器二次電流是正、負對稱的方波，電流的平均值和有效值I相等，其波形系數為1。流過每個晶閘管的電流平均值QUOTE與有效值QUOTE分別為：(2-4)(2-5)晶閘管在導通時管壓降=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，VT3、VT4已導通，把整個電壓加到VT1或VT2上，那么每個元件承受的最大可能的正向電壓等于QUOTE；VT1和VT2反向截止時漏電流為零，只要另一組晶閘管導通，也就把整個電壓加到VT1或VT2上，故兩個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及其選取原那么。晶閘管的主要參數如下：2.2.2保護元件的選擇變壓器二次側熔斷器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。在選擇快熔時應考慮：1〕電壓等級應根據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結形式確定。快熔一般與電力半導體器件串聯連接，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〕快熔的值應小于被保護器件的允許值。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。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是矩陣實驗室〔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的矩陣。MATLAB是用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大局部。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(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，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、構造和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于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α=30゜時，仿真波形如圖3-2所示。圖3-2α=30゜時，仿真波形圖當α=60゜時，仿真波形如圖3-3所示。圖3-3α=60゜時，仿真波形圖當α=90゜時，仿真波形如圖3-4所示。圖3-4α=90゜時，仿真波形圖3.3系統(tǒng)仿真結果及分析當建模和參數設置完成后，即可開場進展仿真。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°時的輸出曲線。從仿真結果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。4.設計總結通過單相雙半波整流電路的設計，使我加深了對單相雙半波晶閘管整流電路的理解，并且對電