单相全控桥式晶闸管整流电路的设计(纯电阻负载)-课程设计

学 号：课程设计题目学院专业班级姓名指导教师2012年 12月 29 日理工大学电力电子技术课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师： 工作单位：题目：初始条件：（四）单 相全控桥式品闸管整流电路 的设计（纯 电阻负载） 设计条件： 1、 电源电压：交流220V/50Hz2、输 出 功 率：1000W3、移相范围0o180o要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路、控制电路；2 、 用 MATLAB/Simulink 对设计的电路进行仿真；3、撰写课程设计报告一一画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理、选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、绘出主电路典型波形，绘出触发信号（驱动信号）波形，并给出仿真波形，说明仿真过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料；4、通过答辩。时间安排：2012.12.24-12.29 指导教师签名：系主任（或责任教师）签名:摘要此次电力电子课程设计，主要是运用 MATLAB的simulink仿真功能进行电路仿真设 计。首先，通过查阅资料，找到解决办法。由于所选的电路，在课堂上老师已经对其进行 过讲解，所以，实践也还是比较顺利。依据课本中学过的理论知识，根据题目所给的设计 要求，进行参数计算。由于课本上有关于参数计算的公式，因此参数设计的过程还算比较 容易。理论计算完毕，接下来就是仿真过程了，通过调用 simulink库中已有元件，连接 成仿真电路，由于simulink中有触发脉冲，因此免去了触发电路的设计，这使得课程设 计大大简化。关键词：电力电子课设，参数设计，simulink ,仿真II理工大学电力电子技术课程设计说明书目录课程设计任务书摘要II1单相桥式全控整流电路带电阻负载理论简介 1.1.1 单相桥式全控整流电路带电阻负载工作过程简介 11.2 单相桥式全控整流电路带电阻负载工作原理 21.3 与此次课设相关的部分计算公式 32电路设计3.2.1 主电路设计3.2.2 驱动电路设计4.2.2.1 触发电路TCA785简介5.2.2.2 TCA785的设计特点7.2.2.3 TCA785的极限参数 7.2.2.4 TCA785锯齿波移相触发电路 .72.3 保护电路设计 8.2.3.1 过电流保护8.2.3.2 电流上升率di/dt的抑制8.2.3.3 电压上升率du/dt的抑制93运用simulink对电路进行仿真9.3.1 单相桥式全控整流仿真电路图设计 9.3.2 仿真模块参数设置 1.03.3 仿真输出图形134小结与体会1.65参考文献1.7.iii理工大学电力电子技术课程设计说明书单相全控桥式晶闸管整流电路的设计（纯电阻负载）1单相桥式全控整流电路带电阻负载理论简介1.1 单相桥式全控整流电路带电阻负载工作过程简介单相全控桥式整流带电阻负载电路如图 1所示。在单项桥式全控整流电路中，晶闸管 VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥 臂。在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个品闸管均不导通，负载电流id为 零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u2,设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的 一半。若在触发角a处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1、VT4即导通，电流从a端经VT1、 R VT4流回电源b端。当u2为零时，流经晶闸管的电流也降到零， VT1和VT4关断。在 u2负半周，仍在触发延迟角a处触发VT2和VT3 （VT2和VT3的a =0处为t=兀），VT2和 VT3导通，电流从电源的b端流出，经VT3 R VT2流回电源a端。至U u2过零时，电流又 降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如止匕循环的工作下去，整流电压 ud和晶闸管VT1、VT4两端的电压波形如下图（2）所示。晶 闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为T2/2U2和错误！未找到引用源。U2由于在整流电路的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在 U一个 周期内，整流电压波形脉动两次，脉动次数多于半波整流电路，故该电路属于双脉波整流电路。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，及直流 分量为零，如图2所示，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组利用率较高。1.2 单相桥式全控整流电路带电阻负载工作原理单相桥式全控整流电路带电阻负载工作波形如图2所示。图2单相桥式全控整流电路带电阻负载工作波形第1阶段（0t1 ）:这阶段u2在正半周期，a点电位高于b点电位晶闸管VT1和VT2方 向串联后于u2连接，VT1承受正向电压为u2/2, VT2承受u2/2的反向电压；同样VT3和 VT4反向串联后与u2连接，VT3承受u2/2的正向电压，VT4承受u2/2的反向电压。虽然 VT1和VT3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以 Ud=Q id=0。第2阶段（cot1兀）：在t1时同时触发VT1和VT3,由于VT1和VT3受正向电压 而导通，有电流经a点一VT1 一 &VT3变压器b点形成回路。在这段区间里，ud=u2, id=iVT1=iVT3=ud/R。由于VT1和VT3导通，忽略管压降，uVT1=uVT2=0而承受的电压为 uVT2=uVT4=u2第3阶段（兀t2 ）:从t=冗开始u2进入了负半周期，b点电位高于a点电位， VT1和VT3由于受反向电压而关断，这时 VT1VTS不导通，各晶闸管承受u2/2的电压， 但VT1和VT3承受的事反向电压，VT2和VT4承受的是正向电压，负载没有电流通过，ud=0,id=i2=0第4阶段（cot2 兀）：在t2时，u2电压为负，VT2和VT4受正向电压，触发 VT2 和 VT4导通，有电流经过b点一 VT2- R-VT4 一 a点，在这段区间里，ud=u2, id=iVT2=iVT4n2=ud/R 。由于VT2和VT4导通，VT2和VT4承受u2的负半周期电压，至止匕 一个周期工作完毕，下一个周期，充复上述过程，单项桥式整流电路两次脉冲间隔为180。1.3 与此次课设相关的部分计算公式整流电压的平均值:Ud. 2U2 sin td ( t)=22U 21 cos1 cos：小=0.9U 2(1)222a=0 时，U d = U d0 = 0.9U2。a =180.时，U d = 0。可见，a 角的移相范围为 180.。向负载输出的直流电流平均值为：Ud 0.9U 21cosI d = _ =R R 2晶闸管VTVT4和VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的平均电流只有输出直流电流平均值的一半，即:I dvT二21d= 0.45U2 1 cos fR 2负载两端电压的有效值为:U =JL L(V2U2sincot)2d(cot) =U2 Jsin25+(4)I - . :.2 二二为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等额定值，需要考虑发热问题，为此需要计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为:I VT二 2U222sint) d(切t)二 R(5)变压器二次电流有效值 I2与输出直流电流有效值 I相等，为:=I 2sin t)2d( t)U2R一sin2；: 2 二Ji - cn(6)2电路设计2.1 主电路设计题目所给参数要求：功率 1000W ,电压220V由P =U MI得到：流过负载的电流有效值为I =P=1000=4.5AU 220负载的功率等于负载两端的电压有效值与流过负载电流的有效值的乘积:P =U xi =U2J-sin2c +二 -一-U 2X1 TT7 U22Sin2：=R (2二1一 sin 2 f)(8)ji当a=0时，电阻R取得最大值，此时，（8）式可改写为:(9)由（9）式得:R=U248400 =48.4 QP 1000(10)由（5）式来计算流过晶闸管电流的有效值:(11), U21.二 -220IVt .Sin2.=. = 3.2A,2R2二二4842由流过晶闸管电流的有效值来确定晶闸管的额定电流:Ivt(AV)=2Ivt1.57= 4.1A (12)加在晶闸管两端的电压最大值为J2u2 ,取2倍的安全余量:UVt(AV)=2T2U2 =622V (13)2.2 驱动电路设计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品闸管的场合，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，通过控制触发角口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品闸管施加有效的触发脉冲。2.2.1 触发电路TCA785简介rzr此处，驱动电路采用了德国西门子公司的集成触发电路TCA789其管脚图如图3所示。161514131211109图3 TCA789管脚图各引脚的名称、功能及用法如下：引脚16(VS):电源端。使用中直接接用户为该集成电路工作提供的工作电源正端。引脚1(OS):接地端。应用中与直流电源 VS同步电压VSYNCM移相控制信号V11的地 端相连接。引脚4(Q1)和2(Q2):输出脉冲1与2的非端。该两端可输出宽度变化的脉冲信号，其相 位互差180 ,两路脉冲的宽度均受非脉冲宽度控制端引脚13(L)的控制。它们的高电平最高幅值为电源电压VS,允许最大负载电流为10mA若该两端输出脉冲在系统中不用时， 电路自身结构允许其开路。引脚14(Q1)和15(Q2):输出脉冲1和2端。该两端也可输出宽度变化的脉冲，相位同样 互差180 ,脉冲宽度受它们的脉宽控制端引脚 12(C12)的控制。两路脉冲输出高电平的 最高幅值为5Vs引脚13(L):非输出脉冲宽度控制端。该端允许施加电平的范围为 -0.5V5VS,当该端接 地时，Q1、Q2为最宽脉冲输出，而当该端接电源电压 VS时，Q1、Q2为最窄脉冲输出。引脚12(C12):输出Q1、Q2脉宽控制端。应用中，通过一电容接地，电容 C12的电容量 范围为150 4700pF,当C12在1501000pF范围内变化时，Q1、Q2输出脉冲的宽度亦在 变化，该两端输出窄脉冲的最窄宽度为 100仙s,而输出宽脉冲的最宽宽度为 2000仙s0引脚11(V11):输出脉冲Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流电压输入端。应用中，通过 输入电阻接用户控制电路输出，当TCA785X作于50Hz,且自身工作电源电压Vs为15V时, 则该电阻的典型值为15kQ,移相控制电压V11的有效范围为0.2VVs-2V,当其在此范 围内连续变化时，输出脉冲 Q1、Q2及Q1, Q2的相位便在整个移相范围内变化，具触发脉冲出现的时刻为:trr=(V11 R9 C10)/(VREF K)式中R9、C10 VREF-分别为连接到TCA78田加却9的电阻、引脚10的电容及引脚8输 出的基准电压；K常数。为降低干扰，应用中引脚11通过0.1 pF的电容接地，通过2.2 pF的电容接正电源。引脚10(C10):外接锯齿波电容连接端。C10的实用范围为500pF- UFo该电容的最小 充电电流为10小儿 最大充电电流为1mA它的大小受连接于引脚 9的电阻R9控制，C11 两端锯齿波的最高峰值为VS-2V,其典型后沿下降时间为80 so引脚9(R9):锯齿波电阻连接端。该端的电阻 R9决定着C10的充电电流，具充电电流可 按下式计算：I10=VREFK/R9连接于引脚9的电阻亦决定了引脚 10锯齿波电压幅度的高低，锯齿波幅值为： V10=VREFK/(R9C10),电阻 R9的应用范围为 311 300kQ 0引脚8(VREF): TCA785自身输出的高稳定基准电压端。负载能力为驱动 10块CMOS1成 电路，随着TCA785E用的工作电源电压 VS及其输出脉冲频率的不同，VREF勺变化范围为 2.8-3.4V,当TCA785应用的工作电源电压为15V,输出脉冲频率为50Hz时，VREFI勺典 型值为3.1V,如用户电路中不需要应用 VREF则该端可以开路。引脚7(QZ)和3(QV): TCA785输出的两个逻辑脉冲信号端。其高电平脉冲幅值最大为 VS-2V,高电平最大负载能力为10mA QZ为窄脉冲信号，它的频率为输出脉冲 Q2与Q1或 Q1与Q2的两倍，是Q1与Q2或Q1与Q2的或信号，QV为宽脉冲信号，它的宽度为移相控 制角(|)+1800 ,它与Q1、Q2或Q1、Q2同步，频率与Q1、Q2m Qt Q2相同，该两逻辑脉 冲信号可用来提供给用户的控制电路作为同步信号或其它用途的信号，不用时可开路。引脚6(I):脉冲信号禁止端。该端的作用是封锁Q1、Q2及Q1、Q2的输出脉冲，该端通常通过阻值10kQ的电阻接地或接正电源，允许施加的电压范围为-0.5V -VS,当该端通过 电阻接地，且该端电压低于 2.5V时，则封锁功能起作用，输出脉冲被封锁。而该端通过 电阻接正电源，且该端电压高于 4V时，则封锁功能不起作用。该端允许低电平最大灌电 流为0.2mA,高电平最大拉电流为0.8mA引脚5(VSYNC)同步电压输入端。应用中需对地端接两个正反向并联的限幅二极管， 该端吸取的电流为20-200pA,随着该端与同步电源之间所接的电阻阻值的不同，同步电压可以取不同的值，当所接电阻为 200kQ时，同步电压可直接取 AC220V2.2.2TCA785的设计特点TCA785的基本设计特点有：能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，因而可方便 地用作过零触发而构成零点开关；它具有宽的应用范围，可用来触发普通晶闸管、快速晶 闸管、双向晶闸管及作为功率晶体管的控制脉冲，故可用于由这些电力电子器件组成的单 管斩波、单相半波、半控桥、全控桥或三相半控、全控整流电路及单相或三相逆变系统或 其它拓扑结构电路的变流系统；它的输入、输出与CMO或TTL电平兼容，具有较宽的应用电压范围和较大的负载驱动能力，每路可直接输出250mA勺驱动电流；其电路结构决定了自身锯齿波电压的范围较宽，对环境温度的适应性较强，可应用于较宽的环境温度范围 (-25 +85 C)和工作电源电压范围(-0.5 +18V)。2.2.3TCA785的极限参数电源电压：+8- 18V或 49V;移相电压范围：0.2VVS-2V;输出脉冲最大宽度：180 ;最高工作频率：10 500Hz;高电平脉冲负载电流：400mA低电平允许最大灌电流：250mA输出脉冲高、低电平幅值分别为 VS和0.3V;同步电压随限流电阻不同可为任意值；极限工作频率：10 500Hz;工作温度范围：工业品-25 +85C。2.2.4TCA785锯齿波移相触发电路由于TCA785自身的优良性能，决定了它可以方便地用于主电路为单个晶闸管或晶体 管，单相半控桥、全控桥和三相半控桥、全控桥及其它主电路形式的电力电子设备中触发 品闸管或晶体管，进而实现用户需要的整流、调压、交直流调速、及直流输电等目的。西 门子TCA785触发电路，它对零点的识别可靠，输出脉冲的齐整度好，移相范围宽；同时 它输出脉冲的宽度可人为自由调节。西门子 TCA78的卜围电品&如图4所示。图4 TCA785锯齿波移相触发电路原理图2.3保护电路设计电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合 适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。2.3.1 过电流保护快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断 器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管用联。接阻感负载的单相全控桥电路，通过晶闸管的有效值1T =Id/ 2 =3.54A选取RLS-4快速熔断器，熔体额定电流4A。2.3.2 电流上升率di/dt的抑制品闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密很大，然 后以0.1mm* s的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在品闸管的阳极回路串联入电感。如图 5所示:图5电感抑制电路2.3.3 电压上升率du/dt的抑制加在品闸管上的正向电压上升率du/dt也应有所限制，如果du/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管 正向阻断能力下降，严重时引起品闸管误导通。为抑制 du/dt的作用，可以在品闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如图6所示:图6阻容吸收电路3运用simulink对电路进行仿真3.1单相桥式全控整流仿真电路图设计电阻负载的单相桥式全控整流仿真电路图如图7所示。在示波器的五个波形中，第一个的波形表示的是晶闸管 VT1的电流ivtl ,第二个是晶 闸管VT1的电压uvtl ,第三个表示的是负载电阻上的电流 id ,第四个表示的是二次侧绕 组的电流i2 ,第五个是负载电阻上的电压 udo下面将分析延迟角a分别为0、30、60、90、150时的波形变化。3.2仿真模块参数设置1.交流电源参数设置Block Parameters: AL v可taqe source虹？ VqJ+age SDUrce(lirjr)图8交流电源的设置对交流电，电压“Peak amplitude ”为峰值，设为311V,“Phase”为0d,其频率“Frequency设置为 50Hz,周期 T=1/f=1/50=0.02s 。2.脉冲信号发生器参数设置0Source Block Parameters: Pulse Generator?ulse GeneratorOutput pulses;if (t = PhaseDelay)质& Pulse is anY(t) = Amplitude elseY(t) = 0 endPuIse type deterinines the computational technique uwed*Time-based s recouunendsd for use with a variable step solver while Sample-based is recomiuended for use with a fixed step solver or within a discret e port ion of a juodel using a variable st ep solver.ParametersPulse type: |Tijne basedTine (t) ： |Use sinulation timeAnuplltude:RPeriod;10,02Pulse Width (% of period):ToPhase delay:2 Interpret vector paramet ers as 1-DOKCancel Help I Apply图9脉冲信号发生器参数设置“pulse type ” 设置为 Time based ,“Time” 设置为 Use simulation time ,“Amplitude ” 设置为 1.0 ,“Period ” 设置为 0.02 ,“Pulse Width ” 设置为 10,Pulse参数对话框，其中相位延迟 Phase delay的设置，按关系t=aT/3600计算对交流电T=0.02s, pulse2的相位比pulsel延迟0.01s。具体设置如表1所示表1脉冲信号相位延迟参数设置aPulse1(s)Pulse2(s)000.01300.001670.01167600.003330.01333900.0050.0151500.008330.018331800.010.023.电流表参数设置BBlock Parameters: A1Current Measure merit (mask) (link)Ideal current iReasureiRBixt4OK I Cancel Help Apply图10电流测量参数设置“Output signal ” 设置为 complex。4.电压表参数设置SIBlock Parameters: VVolt age Nie asuremeni: (mask) (link) , Ideal volt age meaEurement,.-Par amet ersOutpvrt signal : |l oniplexF0K | Cancel Help | Apply图11电压测量“Output signal ” 设置为 complex。3.3仿真输由图形1 a =0。时的仿真输出波形如图12所示图12 a =00时的仿真输出波形如图2 a =30时的仿真输出波形如图13所示。图13 a =30时的仿真输出波形如图3 a =60时的仿真输出波形如图14所示图14 a =60时的仿真输出波形如图4 a =90时的仿真输出波形如图15所示。图15 a =90时的仿真输出波形如图5 a =150时的仿真输出波形如图16所示。图16a =150时的仿真输出波形如图6 a =180时的仿真输出波形如图17所示图17 a =180时的仿真输出波形如图由仿真结果可以发现，当输入交流电压为 220V, 50Hz时，触发角a可以在00到1800变化，且随着a的增大，输出电压的平均值 Ud逐渐降低，当a =1800时,Ud降为了零。在a =00时，由仿真输出电压波形可以求得此时输出电压的有效值U=220V,此时的输出功率22=1000Wc U22202p=R 48.4达到最大。a继续增大时，输出功率P减小，当a增大到1800时,P减小到零。通过以上分析可以发现，所设计的带电阻负载的单相桥式全控整流电路能够满足预期 要求，设计成功。4小结与体会本次课程设计的内容是单相全控桥式品闸管整流电路的设计（纯电阻负载），了解了 整流电路的工作原理，通过到图书馆查阅资料，和上网搜索，对单相全控桥式晶闸管整流 电路在纯电阻负载时做了比较详细的分析。该单相全控桥式品闸管整流电路最大的特点是：在原有的单相全控桥式品闸管整流电 路的基础上，通过改变驱动晶闸管的脉冲，将 50Hz的交流电压整流成直流电压，并将它 加到负载电路两端。而负载电路则由纯电阻电路构成。本次课程设计，加深了我对课程电力电子技术理论知识的理解，提高了运用所学 的各门知识解决问题的能力。在本次课程设计中，涉及到很多学科，包括：电力电子技术、 电路原理等，学会了如何整合自己所学的知识去解决实际问题。通过本次课程设计，对课堂上所学关于电力电子的知识有了更深的理解，对如何运用 网络上的丰富资料有了些经验。总之，这次课设使我受益匪浅。5参考文献1、李先允主编 电力电子技术 北京：中国电力出版社，20062、佟纯厚主编 电力电子学 南京：东南大学出版社，20003、王兆安，黄俊主编 电力电子技术（第4版）北京：机械工业出版社，20044、黄俊 王兆安主编 电力电子交流技术（第3版）北京：机械工业出版社，19945、石玉 王文郁主编 电力电子技术题解与电路设计指导 北京：机械工业出版社，2000本科生课程设计成绩评定表姓名性别专业、班级课程设计题目：单相全控桥式晶闸管整流电路的设计（纯电阻负裁）课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：序号评定项目评分成绩1选题合理、目的明确（10分）2设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）3设计结果可信（例如：系统建模、求解，仿真结果）（25分）4态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）5设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）6答（ 20分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字: