单相双半波晶闸管整流电路（阻感性负载）电力电子课程设计

单相双半波晶闸管整流电路（阻感性负载） 目录摘要.21、单相双半波晶闸管整流电路供电方案的选择.3 1.1设计内容及要求. .31.2单相桥式全控整流电路. .31.3单相双半波可控整流电路. 41.4变压器相关参数的设置. 52、单相双半波晶闸管整流电路主电路设计. 52.1晶闸管的介绍. 52.1.1晶闸管的结构. 52.1.2晶闸管的工作原理. .52.1.3晶闸管的伏安特性. 72.2总电路的设计. 82.2.1 总电路的原理框图.82.2.2 主电路原理图.92.3 相控触发电路设计.11 2.3.1 相控触发电路工作原理.112.3.2相控触发芯片的选择. 112.4 保护电路设计.123、电路参数及元件选择. .133.1主电路电路参数计算. 133.2电路元件的选择. 143.2.1整流元件的选择. 143.2.2保护元件的选择. 154、MATLAB仿真.154.1 MATLAB软件介绍. .154.2系统建模及电路仿真. 164.2.1仿真参数设置. 164.2.2仿真. 184.3系统仿真结果及分析. 215、心得体会.216、参考文献.22 摘要随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流的基础是整流电路。关键词：整流电路，相控方式 AbstractWith the increasing development of science and technology, people more and more is also high to the requirement of the circuit, because in the actual production need size adjustable dc power supply, and phased rectifier circuit structure is simple, convenient control, stable performance, it can be used to easily can get large and medium-sized, small capacity of the dc, is the main method for direct current (dc) can, has been widely applied. On the electricity production and transmission, at present mainly based on alternating current (ac). Mains supply users is alternating current (ac), and on many occasions, such as electrolysis, storage battery charging, dc motor, etc., need to use direct current (dc). To get a direct current (dc), in addition to the direct current generator, the most common application is to use a variety of semiconductor devices produce direct current (dc). This method, the rectifier is the most basic step. Rectifier, it is using device with one-way conductive properties, convert direction and size of the alternating current to direct current (dc). Rectifier is the basis of the rectifier circuit. Key words: rectifier circuit, phased approach 1、 单相双半波晶闸管整流电路供电方案的选择1.1设计内容及要求一、课题内容：单相双半波晶闸管整流电路的设计（阻感性负载）设计技术要求：（1）电源电压：交流100V/50Hz（2）输出功率：500W；（3）移相范围：090度。二、课题要求：(1）阅读相关资料，设计主电路和控制电路，用相关软件绘制的主电路和控制电路的原理图。(2）搭建计算机仿真模型。(3）进行仿真实验。(4）整理设计文件，撰写设计说明书。(5）答辩1.2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。并且单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，功率因素高的特点。但是，电路中需要四只晶闸管，且触发电路要分时触发一对晶闸管，电路复杂，两两晶闸管导通的时间差用分立元件电路难以控制。图1 单相桥式全控整流电路图1.3单相双半波可控整流电路单相双半波可控整流电路又称单相全波可控整流电路。此电路变压器是带中心抽头的，在u2正半周T1工作，变压器二次绕组上半部分流过电流。u2负半周，VT2工作，变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流。单相全波可控整流电路的U d波形与单相全控桥的一样，交流输入端电流波形一样，变压器也不存在直流磁化的问题。当接其他负载时，也有相同的结论。因此，单相全波与单相全控桥从直流输入端或者从交流输入端看均是一致的。适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时）。在比较两者的电路结构的优缺点以后决定选用单相全波可控整流电路作为主电路。具体供电方案：电源电压：交流100V/50Hz1.4变压器相关参数的设置电源电压交流100V/50Hz，输出功率500W，移相范围：090。设R=1.25，a=0P=Ud/R Ud=25V变压器一、二次侧电流P=IdR Id=20AU1/Ud=100/25 N1/N2=4/1 I1=Id/4=5A变压器的容量S=UI=100*5=0.5KVA变压器型号的选择N1/N2=4/1 S=0.5KVA2、单相双半波晶闸管整流电路主电路设计2.1晶闸管的介绍2.1.1晶闸管的结构晶闸管是一种4层功率半导体器件，具有3个PN结，其结构和电路符号如图2-1所示。其中，最外层的P区和N区分别引出两个电极，称为阳极A和阴极K，中间的P区引出控制极（或称门极）。 图2-1 晶闸管的结构及电气符号2.1.2晶闸管的工作原理晶闸管组成的实际电路如图2-2所示。图2-2 组成的实际电路图为了说明晶闸管的工作原理，可将其看成NPN和PNP两个三极管相连，用三极管的符号来表示晶闸管的等效电路，如图2-3所示。图2-3 晶闸管双晶体管模型其工作过程如图2-4所示。当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UZ而控制极K不加电压时，中间的PN结处于反向偏置，管子不导通，处于关断状态。图2-4 晶闸管工作原理当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UA，且控制极G和阴极K之间也加正向电压UG时，外层靠下的PN结处于导通状态。若V2管的基极电流为IB2，则集电极电流Ic2为2IB2，V1管的基极电流IB1等于Vz管的集电极电流，因而V2的集电极电流Icl为l2，该电流又作为V2管的基极电流，再一次进行上述的放大过程，形成正反馈。在很短的时间（一般几微秒）两只二极管均进入饱和状态，使晶闸管完全导通。当晶闸管完全导通后，控制极就失去了控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。此对管子压降很小，一般为0. 61.2 V，电源电压几乎全部加在负载电阻R上，晶闸管中有电流流过，可达几十至几千安。要想关断晶闸管，必须将阳极电流减小到不能维持正反馈过程，当然也可以将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极之间加一反向电压。综上所述，可得如下结论：1) 晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向导通必须具有一定的条件：阳极加正向电压，同时控制极也加正向触发电压（实际工作中，控制极加正触发脉冲信号）。2) 晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用。要使晶闸管重新关断，必须做到以下两点之一：一是将阳极电流减小到小于维持电流IH；二是将阳极电压减小到零或使之反向。2.1.3晶闸管的伏安特性晶闸管的导通和截止这两个工作状态是由阳极电压、阳极电流及控制极电流决定的，而这几个量又是互相有联系的，在实际应用上常用实验曲线来表示它们之间的关系，这就是晶闸管的伏安特性曲线，其伏安特性曲线如图1-5所示，可分为正向特性和反向特性曲线两部分。图2-5 晶闸管的伏安特性1) 晶闸管的正向特性当UO时对应的特性曲线为正向特性。由图2-5可知，晶闸管的正向特性分为关断状态OA段和导通状态BC段。当控制极电流IG=0时，逐渐增加阳极电压U，观察阳极电流I的变他情况。开始时，三个PN结只有一个导通，晶闸管处于关断状态，只有很小的正向漏电流。当电压增加到正向转折电压U=UBO时，晶闸管突然导通，进入伏安特性的BC段。此时晶闸管可通过较大的电流，而管压降很小。在晶闸管导通后，若减小正向电压，则正向电流就逐渐减小。当电流小到某一数值时，晶闸管又从导通状态转为阻断状态，这时所对应的最小电流称为维持电流IH。从图2-5的晶闸管的正向伏安特性曲线可见，当阳极正向电压高于转折电压时，元件将导通。但是这种导通方法很容易造成晶闸管的不可恢复性击穿而使元件损坏，在正常工作时是不采用的。晶闸管的正常导通受控制极电流IG的控制，为了正确使用晶闸管，必须了解其控制极特性。当控制极加正向电压时，控制极电路就有电流IG，晶闸管容易导通，其正向转折电压降低，特性曲线左移。控制极电流越大，正向转折电压越低。改变控制极电流IG，控制极电流越大(IGlIG20)，转折电压UBO就越低。2) 晶闸管的反向特性当U/2时,负载电流不连续,而且输出电压的平均值接近于零,因此这种电路控制角的移相范围是0/2。2.3 相控触发电路设计2.3.1 相控触发电路工作原理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。触发电路对其产生的触发脉冲要求： 1) 触发信号可为直流、交流或脉冲电压。2) 触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。3) 触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。4) 触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。2.3.2相控触发芯片的选择相控触发电路芯片选择KJ004集成触发电路芯片构成的集成触发器KJ004可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。触发器KJ004引脚图如图2-10所示。图2-10 KJ004引脚图触发器KJ004管脚功能如表1-1所示。表1-1 触发器KJ004管脚功能表功 能输出空锯齿波形成-Vee(1k)空地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输出+Vcc引线脚号12345678910111213141516单结晶体管触发电路由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，相控触发电路如图2-11所示。图2-11 相控触发电路图2.4 保护电路设计1) 过电流保护电路设计当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路，驱动、触发电路或控制电路发生故障，外部出现负载过载；直流侧短路，可逆传动系统产生逆变失败以及交流电源电压过高或过低均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。2) 过电压保护电路设计设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，因此，必须对电力电子装置进行适当的过电压保护。过流、过压保护电路如图2-12所示。图2-12 过流、过电压保护电路图3、电路参数及元件选择3.1主电路电路参数计算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P=500W,电感L=1000mH，U2=25V，则输出电压平均值的最大值可由下式可求得。Ud=0.9*25*1=22.5V （3-1）可见，当在范围内变化时，整流器可在022.5V范围内取值。2) 整流输出电流平均值为： Id=P/Ud=22.22A (3-2)3) 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I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：=1/2Id=11.11A (3-3)=1/Id=15.71A (3-4)4) 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。3.2电路元件的选择3.2.1整流元件的选择由于单相双半波整流带阻性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。晶闸管的主要参数如下：1) 额定电压UNVT 断态重复峰值电压UDRM是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的峰值电压。反向重复峰值电压URRM是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压要留有一定裕量，应为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 UNVT （23）2U2 （3-1）UNVT ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 UNVT =(2-3)2U2=（282.8-424.3）V2) 额定电流INVT考虑安全裕量，INVT=3.2.2保护元件的选择变压器二次侧熔断器采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。3）快熔的值应小于被保护器件的允许值。4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。4、 MATLAB仿真4.1 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，MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意，主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。MATLAB是用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。4.2系统建模及电路仿真4.2.1仿真参数设置 触发脉冲参数设置如下图所示:其中将周期（period）设置为0.02触发脉冲宽度（pulse width）设置为5相位滞后（phase delay）脉冲一触发角可设为A=0-0.01之间的任意数，脉冲二的触发角为B=A+0.01，他们之间的对应关系如下：触发角相位滞后换算公式00相位滞后=(触发角/180)0.01300.0017600.0033900.0051200.00671500.00831800.01负载参数设置主电路为电阻电感负载，R=1.25，确定阻抗角为30 ，由公式计算可得L=0.007H。电源参数设置电源电压设为110V，频率设为50Hz,相位角设为0，采样时间设为0。变压器设置 （5）仿真器设置为便于观察波形，将仿真时间设为0.06（三个周期）仿真算法（solver）设为ode23t，其他参数设为默认，设置好后的参数如下图所示： 4.2.2仿真仿真电路如图4-1所示。图4-1 仿真电路图电路仿真波形如下：1) 当=0时，仿真波形如图4-2所示 图4-2 =0时，仿真波形图2) 当=30时，仿真波形如图4-3所示。 图4-3 =30时，仿真波形图3) 当=60时，仿真波形如图4-4所示。图4-4 =60时，仿真波形图4) 当=90时，仿真波形如图4-5所示。 图4-5 =90时，仿真波形图4.3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4-2、图4-3、图4-4、图45分别是单相双半波晶闸管整流电路仿真模型在分别为0、30、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。5、心得体会这次电力电子课程设计，不仅对课堂上的知识很好的温习了，还加强了我的动手、思考和解决问题的能力。通过参加这次电力电子的课程设计，我学到了很多无法在课堂上学到的知识。在课堂上我们学习的都是理论知识，而课程设计是锻炼我们把那些理论运用到我们实际的生活中。此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了单相双半波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。作为一名学习电气自动化的大三学生，我觉得能做类似的课程设计师十分有意义的，而且是十分必要的。这几天的课程设计让我明白理论知识运用到实践中来有一定的难度，但现实生活中却无处不体现了电力电子知识。这次课程设计运用了一些学习软件，让我了解并深入的明白了这些软件的用途。在这次课程设计过程中，碰到的难题就是对晶闸管的相关参数的计算，因为在学习中没能很好的系统的总结晶闸管相关知识。在整个课程设计中贯穿的计算过程没能很好的把握。在今后要认真学习，对电力电子课程进行补充。为以后的工作做铺垫，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子技术这门课程，把以前一些没弄懂的问题基本掌握了。6、参考文献1 王兆安,黄俊.电力电子技术M(第4版).北京：机械工业出版社，20002 浣喜明，姚为正.电力电子技术M.北京：高等教育出版社，2004.128-1453 王兆安,黄俊.电力电子技术M(第5版).北京：机械工业出版社，2009.19-944 陆秀令,张振飞.电力电子技术实验指导书M.衡阳：湖南工学院电气与信息工程系，2010.10-185 周渊深. 电力电子技术与MATLAB仿真M.北京：中国电力出版社，2006.188-27824