单相桥式晶闸管全控整流电路课程设计.doc

学 号： 2011551917课 程 设 计题 目单相全控桥式晶闸管整流电路设计学 院信息工程学院专 业自动化专业班 级自动化4班2014年5月19日课程设计任务书题 目: 初始条件：单相全控桥式晶闸管整流电路的设计（阻感负载）1、电源电压：交流100V、50Hz2、输出功率：500w3、移相范围090摘要本次课程设计只要是对单相全控桥式晶闸管整流电路的研究。首先对几种典型的整流电路的介绍，从而对比出桥式全控整流的优点，然后对单相全控桥式晶闸管整流电路的整体设计，包括主电路，触发电路，保护电路。主电路中包括电路参数的计算，器件的选型；触发电路中包括器件选择，参数设计；保护电路包括过电压保护，过电流保护，电压上升率抑制，电流上升率抑制。之后就对整体电路进行Matlab仿真，最后对仿真结果进行分析与总结。关键词：单相全控桥、晶闸管、整流13单相桥式全控整流电路电路简图如图： 单相桥式全控整流电路 此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。相同的负载下流过晶闸管的平单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在均电流减小一半；且功率因数提高了一半。 系统流程框图根据方案选择与设计任务要求，画出系统电路的流程框图如图1-5所示。整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路带阻感性负载。输入过电流保护整流主电路过电压保护驱动触发电路输出 系统流程框图 主电路的设计主电路原理图如图1-6所示主电路原理图 主电路工作波形图 电路工作波形如图1-7所示。为便于讨论，假设电路已工作于稳态。(1) 工作原理 在电源电压正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在，过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在时，电压过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。值得注意的是，只有当时，负载电流才连续，当时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是。 整流电路参数计算1.在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为 由设计任务有输出功率500w，移相范围090，则输出电压平均值的最大值可由得。 U等于90V 可见，当在范围内变化时，整流器可在0-90V范围内取值。2.整流输出电压有效值为100V 3.整流输出电流平均值为：5A 4.负载大小为：20欧姆 5.在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通，整流变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值和有效值相等，其波形系数为1。流过每个晶闸管的电流平均值与有效值分别为：2.5A (3.5355 6.晶闸管在导通时管压降=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于；VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为. 触发电路简介电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用良好的性能的驱动电路。可以使电力电子器件工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间，对装置的运行效率，可靠性和安全性都有很大的意义。对于相控电路这样使用晶闸管的场合，在晶闸管阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发电压，晶闸管才能从截止转变为导通，习惯上称为触发控制。提供这个触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。它决定每一个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置中不可缺少的一个重要组成部分。晶闸管相控整流电路，通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始位来控制输出电压的大小，为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。2.2 触发电路设计要求晶闸管的型号很多，其应用电路种类也很多，不同的晶闸管型号，应用电路对触发信号都会有不同的要求。但是，归纳起来，晶闸管触发主要有移相触发，过零触发和脉冲列调制触发等。不管是哪种触发电路，对它产生的触发脉冲都有如下要求：1、触发信号为直流、交流或脉冲电压，由于晶闸管导通后，门极触发信号即失去了控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。2、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。触发信号功率大小是晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。由于晶闸管元件门极参数的分散性很大，且随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压、电流值，并有一定的裕量。 3、触发脉冲应有一定的宽度，脉搏冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发信号导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。普通晶闸管的导通时间约法为6，故触发电路的宽度至少应有以上，对于电感性负载，由于 电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5至1，此外，某些具体电路对触发脉冲宽度会有一定的要求，如三相全控桥等电路的触发脉冲宽度要大于60或采用双窄脉冲。为了快速而可靠地触发大功率晶闸管，常在触发脉冲的前沿叠加一个强触发脉冲，强触发脉冲的电流波形如图2-1所示。强触发电流的幅值可达到最大触发电流的5倍。前沿约为几。 强触发电流波形4、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲称相范围必须满足电路要求。为保证控制的规律性，要求晶闸管在每个阳极电压周期都在相同控制角触发导通，这就要求脉冲的频率必须与阳极电压同步。同时，不同的电路或者相同的电路在不同的负载、不同的用途时，要求的变化的范围（移相范围）亦即触发脉冲前沿与阳极电压的相位变化范围不同，所用触发电路的脉冲移相范围必须满足实际的需要。图2-3 TCA785锯齿波移相触发电路原理图锯齿波斜率由电位器RP1 调节，RP2 电位器调节晶闸管的触发角。交流电源采用同步变压器提供，同步变压器与整流变压器为同一输入，根据TCA785能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，从而可保证触发脉冲与晶闸管的阳极电压保持同步。同步变压器的变比选为。 系统MATLAB仿真 MATLAB软件介绍本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。 系统建模与参数设置单相全控桥式整流电路模型主要由交流电源、同步触发脉冲、晶闸管全控桥、电感负载、测量等部分组成。采用MATLAB面向电气原理结构图方法构成的单相全控桥式整流电路仿真模型如图所示。单相全控桥式整流电路仿真模型相应参数设置1 交流电压源参数U=100V，f=50Hz 2负载参数R=20，L=1H；3脉冲发生器触发信号1、2的振幅为1V，周期为0.02s（即频率为50Hz），当触发角为0时，设置触发信号1的初相位为0s（即0），触发信号2的初相位为0.01s（即180） 触发角为0时，触发信号参数设置系统仿真结果及分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图6-2是单相全控桥式整流电路仿真模型在触发角分别为0、45、60、90时的输出曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。触发角为0触发角为45触发角为60触发角为90 系统仿真结果及分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图6-2是单相全控桥式整流电路仿真模型在触发角分别为0、45、60、90时的输出曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。单相全控桥式整流电路理论波形1、 在电源电压正半周期，晶闸管TV1（和TV4）承受正向电压，在时施加触发信号CF1，使晶闸管TV1（和TV4）导通，则电源电压通过TV1和TV4加至负载上，晶闸管TV1两端的电压近视为0（忽略管压降）。当电源电压过零变负时，由于电感的存在，TV1（和TV4）仍继续导通，负载电流Zi和电压Zu连续。2相比较，分别在=45、=60施加触发信号CF1，晶闸管TV1（和TV4）导通后，负载电压Zu接近于变压器二次侧电压AC的波形。负载电流Zi存在断续，可知已知电感（700mH）还不够大，与前面的理论分析假设的大电感有区别。3当触发角=90，理论值平均电压Ud=0，图中Zu接近于0。4、数据分析：（1）、=0，实际值Ud=90.069；理论值Ud=90；实测值和理论值非常接近，误差极小，产生的误差可能是计算问题；（2）、=45，实际值Ud=64.056；理论值Ud=64；实测值和理论值非常接近，误差极小；（3）、=60，实际值Ud=45.034；理论值Ud=45；实测值和理论值非常接近，误差极小；（2）、=00，实际值Ud=0.062；理论值Ud=0；实测值和理论值非常接近，误差极小。设计体会不得不说，这次电力电子的课程设计使我受益匪浅。我选的课题是单相桥式整流带阻感性负载电路，通过平常在课堂上的学习，我们对这个电路在理论上已经有了非常充分的了解，课题看起来貌似也不难。但通过这几天的设计，我深深的感悟到理论与实际相结合的重要性，光具有理论知识是远远不够的，只要在亲自动手操作的过程中，在不断发现问题再改正问题的过程中，我们才能收获知识，得到进步。此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了单相桥式整流电路的原理以及触发电路的设计。当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高。另外，通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，还必须把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。最后，我要特别感谢同学们对我的无私帮助。