《电力电子技术》课程设计-单相半控桥式晶闸管整流电路的设计.doc

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: 单相半控桥式晶闸管整流电路的设计（带续流二极管）（阻感负载）初始条件：1、电源电压：交流100V/50Hz 2、输出功率：500W 3、移相范围0180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； 5、通过答辩。时间安排：2012.12.24-12.29指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书摘要单向桥式半控整流电路实际上是由单相桥式全控电路简化而来的。在单相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有两个晶闸管，即用两个晶闸管同时导通以控制导电的回路。但实际上为了对每个导电回路进行控制，只需要一个晶闸管就行了，另一个晶闸管可以用二级管代替，从而得到单向半控桥式整流电路。除了用二极管代替晶闸管以外，该电路在实际应用中需加设续流二极管，以避免可能发生的失控现象。实际运行中，若无续流二极管，则当突然增大至或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使成为正弦半波，即半周期为正弦，另外半周期为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，称为失控。有续流二极管时，续流过程由完成，在续流阶段晶闸管关断，这就避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。总的来说，单相桥式半控整流电路具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，而且不会导致失控显现，续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。关键词：单相 半控 续流二极管 目录1系统总体设计12主电路设计22.1主电路结构及其工作原理22.2参数计算33元器件选择34控制电路设计54.1同步电路54.2锯齿波形成电路64.3移相控制电路74.4脉冲形成电路85波形仿真86心得体会167参考文献171系统总体设计电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件作为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。，广义上人们往往将主电路以外的电路都归为控制电路，从而粗略的说，电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。另外，主电路中的电压和电流一般都比较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流。在单相半控桥式晶闸管整流电路中，系统由主电路和控制电路组成。系统原理框图如图1所示。单相半控桥式整流主电路交流输入输出符合要求的电压控制电路图1系统原理框图2主电路设计2.1主电路结构及其工作原理单相半控桥式整流电路带阻感负载且有续流二极管的主电路图如图2所示：图2单相半控桥式整流主电路图对于带阻感负载的单相桥式半控整流电路而言，当负载中电感很大时，在正半周，触发角处给晶闸管VT1加触发脉冲，经VT1和VD4向负载供电。过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通但因VT1端电位高于VD2端电位，使得电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经交流源，而是由VT1和VD2续流，在此阶段。在负半周触发角时刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使其关断，经VT3和VD2向负载供电。过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，为0 ，此后重复以上过程。有续流二极管时，续流过程由完成，在续流阶段晶闸管关断，这就避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。2.2参数计算在单相桥式半控整流电路中：输出电压平均值：式中，表示交流输入电压有效值，表示晶闸管触发角。输出电流平均值：流过晶闸管电流有效值：计算负载R值：当为时，输出电压:由可得：3元器件选择由于单相桥式半控整流电路主要电力电子器件是晶闸管，所以选取元器件时主要考虑晶闸管的参数及选取原则。晶闸管的主要参数如下：（1）电压定额断态重复峰值电压断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压（见图3）。国标规定重复频率为50Hz，每次持续时间不超过10ms。规定断态重复峰值电压为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）的90%。断态不重复峰值电压应低于正向转折电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压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（见图3）。规定反向重复电压为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）的90%。反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。通态（峰值）电压这是晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的和中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2到3倍。图3晶闸管的伏安特性（2）电流定额通态平均电流国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是标称其额定电流的参数。同电力二极管的正向平均电流一样，这个参数是按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。因此在使用时同样应像电力二极管那样，按照实际波形的电流与晶闸管所允许的最大正玄半波电流（其平均值即通态平均电流）所造成的发热效应相等（即有效值相等）的原则来选取晶闸管的此项电流定额，并应留有一定的裕量。一般取其通态平均电流为按此原则所得计算结果的1.5到2倍。例如，需要某晶闸管实际承担的某波形电流有效值为400A，则可选取额定电流（通态平均电流）为400A/1.57=255A的晶闸管（根据正弦半波波形平均值与有效值之比为1:1.57），再考虑裕量，比如将计算结果放大到2倍左右，则可选取额定电流500A的晶闸管。维持电流维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。与结温有关，结温越高，则越小。擎柱电流擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常约为的2至4倍。浪涌电流浪涌电流是指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。浪涌电流有上下两个级，这个参数可以作为设计保护电路的依据。根据以上叙述，可得到晶闸管额定电压：晶闸管额定电流：4控制电路设计控制电路由五个基本环节：同步环节、锯齿波的形成、脉冲移相、脉冲的形成与放大。下面分别介绍。4.1同步电路同步环节电路如图4所示。在锯齿波同步的触发电路中，触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关Q2管来控制的。Q2由导通变截止期间产生锯齿波，Q2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，Q2开关的频率就是锯齿波的频率。要使出发脉冲与主电路电源同步，使Q2的开关频率与主电路电源频率同步就可达到。同步信号由同步变压器得到，其与主电路电源的频率相同且相位关系确定。电路由R1、C1、D1、D2、和Q1组成。在电源电压负半周下降段时，D1导通，C1端电压随电源电压变化，Q1金吒管基极为方向偏置，Q1截止。电源电压进入负半周上升段时，D1截止，电源经过R1为C1反向充电，因选取的时间常数较大，uc1上升缓慢，当上升到大约1.4V时，Q1从截止状态转为导通状态，uc1钳位。直至再次过零变负，重复上述过程。图4 同步电路、锯齿波形成电路4.2锯齿波形成电路锯齿波形成电路如图4所示。其组成电路是由Q1、Q2、Q3、R3、R5、C2、RV1、D3组成，其中Q1、RV1、D3组成恒流源，Q3、R5为射极输出器。当Q1导通时，电容C2经过R3迅速放电，Uc2近于零。在Q1转为截止时，恒流源给电容uc2充电，则电容两端电压线性增长，知道Q1再次饱和导通，C2放电为止。同步开关Q1周期性变化时，C2端形成一锯齿波。锯齿波是由开关Q1管控制。锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压以及Q1管的开关频率决定，锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点，斜由RV1调节，锯齿波宽度即Q1截止状态持续的时间，取决于充电时间常数。4.3移相控制电路移相控制电路如图5所示。移相控制电路由Q3、Q4组成，移相控制有三个信号：偏置电压、锯齿波、控制电压。三个信号叠加控制Q4。通过调节偏置电压使形成的电压在控制角为90度时过零。图5移相控制电路4.4脉冲形成电路脉冲形成电路如图6所示。电路由Q4、Q5组成脉冲形成环节，Q6、Q7组成脉冲放大环节。控制电压加在Q4基极上。当偏移电压、锯齿波和控制电压叠加为反向时，Q4截止，Q5饱和导通，Q6、Q7处于截止状态，无脉冲输出，电容C3充电，充满电后电容两端电压接近2E（30V）；当偏移电压、锯齿波和控制电压叠加为正向时，Q4导通，C3端电位由E（15V）下降到1V左右，Q5基极电位下降到-2E，Q5立即截止。Q5集电极电位由-E上升到2.1V，Q6、Q7导通输出脉冲。图6脉冲形成电路5波形仿真仿真电路图如图7所示：图7 仿真电路图（1）当触发角时的波形仿真图如图8所示：图8 触发角时的波形仿真图如图8所示，第一通道是输出电流的波形，第二通道是输出电压的波形，第三通道是交流源的波形，第四、第五通道分别是VT1、VT3的出发信号的波形。由于续流二极管的存在，在交流电源电压的负半周时的输出电压与在交流电压源的正半周时的输出电压波形相同。由于带的是阻感负载，其对电路中电流的变化有抗拒作用，即延迟了晶闸管的触发信号，所以触发信号到来时，输出波形并不会立即产生变化，而是延迟一段时间后才变为正弦波形。由于负载中所带电感较大（1H），所以输出电流波形近似稳定，接近于一条直线。以下分别是、时的波形仿真图。（2）当触发角时的波形仿真图如图9所示：图9触发角时的波形仿真图如图9所示，第一通道是输出电流的波形，第二通道是输出电压的波形，第三通道是交流源的波形，第四、第五通道分别是VT1、VT3的出发信号的波形。由于续流二极管的存在，在交流电源电压的负半周时的输出电压与在交流电压源的正半周时的输出电压波形相同。由于带的是阻感负载，其对电路中电流的变化有抗拒作用，即延迟了晶闸管的触发信号，所以触发信号到来时，输出波形并不会立即产生变化，而是延迟一段时间后才变为正弦波形。由于负载中所带电感较大（1H），所以输出电流波形近似稳定，接近于一条直线。触发角，所以输出电压波形比电源电压延迟相位。（3）当触发角时的波形仿真图如图10所示：图10当触发角时的波形仿真图如图10所示，第一通道是输出电流的波形，第二通道是输出电压的波形，第三通道是交流源的波形，第四、第五通道分别是VT1、VT3的出发信号的波形。由于续流二极管的存在，在交流电源电压的负半周时的输出电压与在交流电压源的正半周时的输出电压波形相同。由于带的是阻感负载，其对电路中电流的变化有抗拒作用，即延迟了晶闸管的触发信号，所以触发信号到来时，输出波形并不会立即产生变化，而是延迟一段时间后才变为正弦波形。由于负载中所带电感较大（1H），所以输出电流波形近似稳定，接近于一条直线。触发角，所以输出电压波形比电源电压延迟相位。（4）当触发角时的波形仿真图如图11所示：图11当触发角时的波形仿真图如图11所示，第一通道是输出电流的波形，第二通道是输出电压的波形，第三通道是交流源的波形，第四、第五通道分别是VT1、VT3的出发信号的波形。由于续流二极管的存在，在交流电源电压的负半周时的输出电压与在交流电压源的正半周时的输出电压波形相同。由于带的是阻感负载，其对电路中电流的变化有抗拒作用，即延迟了晶闸管的触发信号，所以触发信号到来时，输出波形并不会立即产生变化，而是延迟一段时间后才变为正弦波形。由于负载中所带电感较大（1H），所以输出电流波形近似稳定，接近于一条直线。触发角，所以输出电压波形比电源电压延迟相位。（5）当触发角时的波形仿真图如图12所示：图12触发角时的波形仿真图如图12所示，第一通道是输出电流的波形，第二通道是输出电压的波形，第三通道是交流源的波形，第四、第五通道分别是VT1、VT3的出发信号的波形。由于续流二极管的存在，在交流电源电压的负半周时的输出电压与在交流电压源的正半周时的输出电压波形相同。由于带的是阻感负载，其对电路中电流的变化有抗拒作用，即延迟了晶闸管的触发信号，所以触发信号到来时，输出波形并不会立即产生变化，而是延迟一段时间后才变为正弦波形。由于负载中所带电感较大（1H），所以输出电流波形近似稳定，接近于一条直线。触发角，所以输出电压波形比电源电压延迟相位。（6）当触发角时的波形仿真图如图13所示：图13触发角时的波形仿真图如图12所示，第一通道是输出电流的波形，第二通道是输出电压的波形，第三通道是交流源的波形，第四、第五通道分别是VT1、VT3的出发信号的波形。由于续流二极管的存在，在交流电源电压的负半周时的输出电压与在交流电压源的正半周时的输出电压波形相同。由于带的是阻感负载，其对电路中电流的变化有抗拒作用，即延迟了晶闸管的触发信号，所以触发信号到来时，输出波形并不会立即产生变化，而