單相橋式全控整流電路設(shè)計課程設(shè)計稿

1、XX大學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 題 目： 單相橋式全控整流電路設(shè)計 （純電阻負(fù)載、反電勢電阻負(fù)載） 指導(dǎo)教師： 職稱: 2011年12月31日中北大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書 11/12 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 課程設(shè)計題目： 單相橋式全控整流電路設(shè)計 （純電阻負(fù)載、反電勢電阻負(fù)載） 起 迄 日 期： 12月25日 12月31日 課程設(shè)計地點： 實驗中心 指 導(dǎo) 教 師： 系 主 任： 下達(dá)任務(wù)書日期: 2011年 12月 25 日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書1設(shè)計目

2、的：1）培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻(xiàn)資料。2）培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3）培養(yǎng)學(xué)生運用知識的能力和工程設(shè)計的能力。4）提高學(xué)生課程設(shè)計報告撰寫水平。2設(shè)計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）：設(shè)計內(nèi)容：1、設(shè)計一個單相全控橋式晶閘管整流電路（純電阻負(fù)載）設(shè)計要求： 1）電源電壓：交流100V/50Hz；2）輸出功率：500W；3）移相范圍：0180。2、設(shè)計一個單相全控橋式晶閘管整流電路（反電勢電阻負(fù)載）設(shè)計要求：1）電源電壓：交流100V/50Hz；2）輸出功率：500W；3）移相范圍：30150；4）反電勢：

3、 E=70V。3設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計說明書、圖紙、實物樣品等：設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求：1）根據(jù)課程設(shè)計題目，收集相關(guān)資料、設(shè)計主電路和觸發(fā)電路； 2）用Multisim等軟件制作主電路和控制電路原理圖；3）撰寫課程設(shè)計報告畫出主電路、控制電路原理圖，說明主電路的工作原理，完成元器件參數(shù)計算，元器件選型，說明控制電路的工作原理，用Multisim或EWB等軟件繪出主電路典型的輸出波形（比較實際波形與理論波形），繪出觸發(fā)信號（驅(qū)動信號）波形，說明設(shè)計過程中遇到的問題和解決問題的方法，附參考資料。 課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書4主要參考文獻(xiàn)：1、樊立萍，王忠慶.電力電子技術(shù).北京

4、:北京大學(xué)出版社,20062、徐以榮，冷增祥.電力電子技術(shù)基礎(chǔ).南京：東南大學(xué)出版社，19993、王兆安,黃俊.電力電子技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社,20054、童詩白.模擬電子技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社, 20015、閻石.數(shù)字電子技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社, 19986、邱關(guān)源.電路.北京：高等教育出版社，19997、賀超英.MATLAB應(yīng)用與實驗教程.北京：電子工業(yè)出版社，20105設(shè)計成果形式及要求：1）撰寫課程設(shè)計報告；2）用PROTEL或其它軟件畫出主電路和觸發(fā)電路原理圖；3）用EWB或其它軟件繪出主電路典型波形，觸發(fā)信號（驅(qū)動信號）波形。6工作計劃及進(jìn)度：2011年 12月25日

5、12月27日 收集資料，計算所需參數(shù)并選定元器件；12月28日 12月29日 完成主電路、控制電路設(shè)計；繪出波形圖；12月30日 12月31日 完成課程設(shè)計報告，下午答辯。系主任審查意見： 簽字： 2011年12月25日一單相橋式全控整流電路（純電阻負(fù)載）1 理論設(shè)計1.1 單項橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載電路分析單項橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載電路如圖（1）： 圖（1）在單項橋式全控整流電路中，晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3 組成另一對橋臂。在u2正半周（即a點電位高于b點電位），若4個晶閘管均不導(dǎo)通，負(fù)載電流id為零，ud也為零，VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u2，設(shè)VT1和

6、VT4的漏電阻相等，則各承受u2的一半。若在觸發(fā)角處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1、VT4即導(dǎo)通，電流從a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端。當(dāng)u2為零時，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關(guān)斷。在u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角處觸發(fā)VT2和VT3（VT2和VT3的=0處為t=），VT2和VT3導(dǎo)通，電流從電源的b端流出，經(jīng)VT3、R、VT2流回電源a端。到u2過零時，電流又降為零，VT2和VT3關(guān)斷。此后又是VT1和VT4導(dǎo)通，如此循環(huán)的工作下去，整流電壓ud和晶閘管VT1，和VT4兩端的電壓波形如下圖（2）所示，晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為U2和U2。 1.2 工作原理

7、第1階段（0t1）：這階段u2在正半周期，a點電位高于b點電位晶閘管VT1和VT2方向串聯(lián)后于u2連接，VT1承受正向電壓為u2/2，VT2承受u2/2的反向電壓；同樣VT3和VT4反向串聯(lián)后與u2連接，VT3承受u2/2的正向電壓，VT4承受u2/2的反向電壓。雖然VT1和VT3受正向電壓，但是尚未觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載沒有電流通過，所以Ud=0，id=0。 第2階段（t1 ）：在t1 時同時觸發(fā)VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向電壓而導(dǎo)通，有電流經(jīng)a點VT1RVT3變壓器b點形成回路。在這段區(qū)間里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。由于VT1和VT3導(dǎo)通，忽略管壓降，uVT1=

8、uVT2=0，而承受的電壓為uVT2=uVT4=u2。 第3階段（t2 ）：從t=開始u2進(jìn)入了負(fù)半周期，b點電位高于a點電位，VT1和VT3由于受反向電壓而關(guān)斷，這時VT1VT4都不導(dǎo)通，各晶閘管承受u2/2的電壓，但VT1和VT3承受的事反向電壓，VT2和VT4承受的是正向電壓，負(fù)載沒有電流通過，ud=0，id=i2=0。第4階段（t2 ）：在t2 時，u2電壓為負(fù)，VT2和VT4受正向電壓，觸發(fā)VT2和VT4導(dǎo)通，有電流經(jīng)過b點VT2RVT4a點，在這段區(qū)間里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。由于VT2和VT4導(dǎo)通，VT2和VT4承受u2的負(fù)半周期電壓，至此一個周期

9、工作完畢，下一個周期，充復(fù)上述過程，單項橋式整流電路兩次脈沖間隔為180。1.3 參數(shù)計算整流電壓平均值為： 角的移相范圍為00-1800。向負(fù)載輸出的平均電流值為： 流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半（因為一個周期內(nèi)每個晶閘管只有半個周期導(dǎo)通），即： 1.4晶閘管選型該電路為純電阻負(fù)載 時，不計控制角余量按計算由 得 U有效=100V，P=500W所以R= 晶閘管承受的最大反向電壓為，考慮安全余量。則晶閘管額定電壓、所選晶閘管電流有效值大于元件 在電路中可能流過的最大電流有效 值。、 選擇時考慮（1.52）倍的安全余量。即 當(dāng)時晶閘管流過最大電流有效值IVT=7.84A則晶閘管額

10、定電流IT=7.841.57=4.99A ,取2倍余量，Id=9.99A 所以在本次設(shè)計中我選用4個KP20-4的晶閘管。元器件備注數(shù)量電阻201個晶閘管KP10-A4個2 仿真實驗利用MATLAB仿真軟件對單項橋式全控整流電路和控制電路進(jìn)行建模并仿真。2.1 單相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載MATLAB建模 單相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載仿真電路圖如圖（3）所示：圖（3）2.2 仿真與分析波形圖分別代表晶體管VT上的電壓、變壓器二次側(cè)電流I2，電阻的電壓。下列波形分別是延遲角為30、60、90、120時的波形變化。（1） （1）當(dāng)延遲角=30時，波形圖如圖（4）所示：（2）當(dāng)延遲角=60時

11、，波形圖如圖（5）所示：圖（5）（3） 當(dāng)延遲角=90時，波形圖如圖（6）所示： 圖（6）（3）當(dāng)延遲角=120時，波形圖如圖（7）所示：圖（7）4.1.1觸發(fā)電路晶閘管觸發(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(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。由閘管的門極伏安特性曲線可知，同一型號的晶閘管的門極伏安特性的分散性很大，所以規(guī)定晶閘管元件的門極阻值在某高阻和低阻之間，才可能算是合格的產(chǎn)品。晶閘管器件出廠時，所標(biāo)注的門極觸發(fā)電流Igt、門極觸發(fā)電壓U是指該型號的所有合格器件都能被觸發(fā)導(dǎo)通的最小門極電流、電壓值，

12、所以在接近坐標(biāo)原點處以觸發(fā)脈沖應(yīng)一定的寬度且脈沖前沿應(yīng)盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的，也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時間。只有當(dāng)晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時，晶閘管才能導(dǎo)通，所以觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導(dǎo)通，為了可靠地、快速地觸發(fā)大功率晶閘管，常常在 觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個觸發(fā)脈沖。 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)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導(dǎo)通后才能撤掉，晶閘管對觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應(yīng)大于產(chǎn)品提出的數(shù)據(jù)，但也不能

13、太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發(fā)導(dǎo)通。 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時，要求觸發(fā)脈沖的移項范圍是0度180度，觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個周期都以相同的控制角被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應(yīng)該相同，而且要有固定的相位關(guān)系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時受控于電壓uc與同步電壓us控制。 強觸發(fā)電流波形圖 觸發(fā)電路圖 因為VT1跟VT3共陰極，所以VT1和VT3可以共一個觸發(fā)器，VT2和VT4分別用一個觸發(fā)器，所

14、以用上圖觸發(fā)電路觸發(fā)VT2和VT4，VT1和VT3可以用類似的一個觸發(fā)器觸發(fā)。2 單相橋式全控整流電路（反電勢負(fù)載）1電路結(jié)構(gòu)與工作原理（1）電路結(jié)構(gòu)單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）電路圖如下圖所示： 單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）電路圖（2）工作原理1）若是感性負(fù)載，當(dāng)u2在正半周時，在t處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，VT1導(dǎo)通后，電流從u2正端VT1LRVD4u2負(fù)端向負(fù)載供電。u2過零變負(fù)時，因電感L的作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通。但a點電位低于b點，使電流從VD4轉(zhuǎn)移至VD2，VD4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是經(jīng)VT1和VD2續(xù)流，則ud=0。2） 在u2負(fù)半周t+

15、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)VT3LRVD2u2端向負(fù)載供電。u2過零變正時，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。此后重復(fù)以上過程。2、單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）原理電路單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）仿真電路圖如下圖所示： 單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）仿真電路圖 當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時，輸出端電壓仍是ud=u2，當(dāng)電流斷續(xù)，晶閘管阻斷時，輸出端電壓Ud=E，即為反電勢電壓，因為輸出平均電壓比電阻負(fù)載時高，其輸出平均電壓為Ud=E+當(dāng)時，如果觸發(fā)脈沖寬度小于則電路無法工作，如為寬脈沖觸發(fā)，則總是在處觸發(fā)脈沖起作用，其最大輸出平均電壓

16、為可見其最大輸出平局電壓Udm與停止導(dǎo)電角有關(guān)。當(dāng)=900，Udm=，即反電勢E的高度與供電電壓峰值相等的極限情況，實際上這時負(fù)載電流為零，電路已不能工作，因此，反電勢越高，停止導(dǎo)電角越大，輸出的電壓就越高，電流斷續(xù)情況越嚴(yán)重。 為了改善這種情況，增加導(dǎo)電角，可在電路中串聯(lián)平波電抗器，即變?yōu)殡姼校措妱葚?fù)載。3參數(shù)計算根據(jù)波形得負(fù)載端有效電壓U有效=105.15V因為P=500W，E=70，所以R=7.4晶閘管的最大反向電壓為，則額定電壓取3倍余量為424.2V所以流過晶閘管的最大電流有效值IVT=4.75A，則IT=IVT1.57=3.02A，取3倍余量，IT=9.07A元器件備注數(shù)量晶閘管KP10A4個電阻7.41個直流電源E70V1個3、仿真與分析下列所示波形圖中，波形圖分別代表晶體管VT1上的電流和電壓、負(fù)載（純電阻）的電流、交流電源的輸出電流、負(fù)載（純電阻）的電壓、晶體管VT2上的電壓和電流。下列波形分別是延遲角為30、60、90時的波形變化。（1）當(dāng)延遲角=30時，波形圖如下圖所示： =30單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）波形圖（2）當(dāng)延遲角=60時，波形圖如下圖所示： =60單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）波形圖（3）當(dāng)延遲角=90時，波形圖如下圖所示： =90單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）波形圖3 總結(jié) 通過單相全控橋式整流電路的設(shè)計，使