《电力电子技术》课程设计-单相双半波晶闸管整流电路设计(纯电阻负载.doc

学 号： 0121011360301课 程 设 计题 目单相双半波晶闸管整流电路的设计（纯电阻负载）学 院自动化学院专 业自动化班 级自动化1003班姓 名指导教师2012年12月29日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目:：单相双半波晶闸管整流电路的设计（纯电阻负载） 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 日目 录摘 要11整流电路供电方案的选择21.1单相桥式全控整流电路21.2单相双半波可控整流电路22单相双半波晶闸管整流电路主电路设计32.1 总电路的原理框图32.2晶闸管工作原理32.3变压器参数计算52.3.1变压器二次侧电压的计算52.3.2变压器一 、二次侧电流的计算52.3.3变压器容量的计算52.3.4变压器型号的选择53电路设计63.1主电路原理图63.3保护电路原理图及工作原理83.3.1过电流保护83.3.2过电压保护83.4总电路原理图94电路元件的选择104.1 整流元件的选择104.1.1整流元件中电压、电流最大值的计算104.1.2整流元件型号的选择104.2保护元件的选择114.2.1变压器二次侧熔断器的选择114.3相控触发芯片的选择115波形绘制与仿真125.1理论波形的绘制125.2 MATLAB仿真13心得及体会16参考文献17本科生课程设计成绩评定表18武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书摘 要 电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。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。由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好课程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛，而单相全控桥式晶闸管整流电路又有利于夯实基础，故我们将单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。关键词：电力电子技术 控制 整流1整流电路供电方案的选择1.1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1.2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。2单相双半波晶闸管整流电路主电路设计2.1 总电路的原理框图图2 总电路的原理框图该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。在电路中还加了防雷击的保护电路。然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。在电路中,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护,而过压保护则采用RC电路。整流部分电路则是根据题目的要求，我们选择学过的单相全波整流电路。该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能。单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大，而且由于是直接触发电路它的结构比较简单。一方面是方便我们对设计电路中变压器型号的选择。 2.2晶闸管工作原理晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极，如图6.0(左)所示。由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图6.0（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。图3 晶闸管的内部结构和等效电路一个PNPN四层结构的两端器件，可以看成电流放大系数分别为和的和晶体管，其中结为共用集电结。当器件加正向电压时。正偏结注入空穴经过区的输运，到达集电极结（）空穴电流为；而正偏的结注入电子，经过区的输运到达结的电流为。由于结处于反向，通过结的电流还包括自身的反向饱和电流。晶闸管导通与关断两个状态是由阳极电压、阳极电流和门极电流共同决定的。通常用伏安特性曲线来描述它们之间的关系，如图所示。 图4 晶闸管的伏安特性曲线当晶闸管加正向电压时，和正偏，反偏，外加电压几乎全部降落在结上，结起到阻断电流的作用。随着的增大，只要，通过阳极电流都很小，因而称此区域为正向阻断状态。当增大超过以后，阳极电流突然增大，特性曲线过负阻过程瞬间变到低电压、大电流状态。晶闸管流过由负载决定的通态电流，器件压降为1V左右，特性曲线CD段对应的状态称为导通状态。通常将及其所对应的称之为正向转折电压和转折电流。晶闸管导通后能自身维持同态，从通态转换到断态，通常是不用门极信号而是由外部电路控制，即只有当电流小到称为维持电流的某一临界值以下，器件才能被关断。当晶闸管处于断态（）时，如果使得门极相对于阴极为正，给门极通以电流，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压以及转电流都是的函数，越大，越小。如图3所示，晶闸管一旦导通后，即使去除门极信号，器件仍然然导通。当晶闸管的阳极相对于阴极为负，只要，很小，且与基本无关。但反向电压很大时（），通过晶闸管的反向漏电流急剧增大，表现出晶闸管击穿，因此称为反向转折电压和转折电流。2.3变压器参数计算2.3.1变压器二次侧电压的计算电源电压交流100/50Hz，输出功率：500W，移相范围：0至180。设R=1.25 , =0 P=U/R，Ud =25V2.3.2变压器一 、二次侧电流的计算P=IdR，Id=20A U1/Ud=100/25，N1/N2=4/1，I1=Id/4=5 A2.3.3变压器容量的计算S=UI=1005=0.5kVA 2.3.4变压器型号的选择N1:N2=4：1; S=0.5Kva3电路设计3.1主电路原理图单相全波整流电路如图5所示，波形图如图6所示。图5 单相全波整流电路图6 波形图根据波形图可知，单相全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出电压相同。 输出平均电压=Usintd(t)=U=0.9 U 流过负载的电流为：I= 二极管所承受的最大反向电压为：=2U 单相全波整流电路的脉动系数s与单相桥式整流电路相同： s=2/3=0.67 在单相全波整流电路的变压器中，只有交流电流流过;而在半波和桥式整流电路中，均有直流分量流过。单相全波整流电路的总体性能优于单相半波和桥式整流电路，故广泛应用于直流电源中。 3.2 相控触发电路原理图及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： 触发信号可为直流、交流或脉冲电压。触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。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。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。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，电路图如图所示。 图7 相控触发电路原理图3.3保护电路原理图及工作原理3.3.1过电流保护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。3.3.2过电压保护设备在运行过程中，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，如图3.4所示。图8 过流、过电压保护电路3.4总电路原理图图9 总电路原理图4电路元件的选择4.1 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。4.1.1整流元件中电压、电流最大值的计算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 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峰值电压。反向重复峰值电压URRM 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。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 UNVT ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 UNVT =(2-3)2U2=（141.4-212.1）V通过晶闸管的电流的平均值IvT(AV) （2）额定电流INVT Ivt(AV)=Id/2=10AIm=IVt(AV)=31.4A4.1.2整流元件型号的选择晶闸管的选择原则：所选晶闸管电流有效值IVT大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。2.选择时考虑（1.52）倍的安全裕量。即/1.57=（19.1-25.5）A INVT =20A 则晶闸管的额定电流为INVT=20A.在本次设计中选用2个KP20-2的晶闸管.4.2保护元件的选择4.2.1变压器二次侧熔断器的选择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。因为晶闸管的额定电流为20A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为30A。4.3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。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1 23 45 6789101112131415165波形绘制与仿真5.1理论波形的绘制图10 理论输出波形 图11 理论触发信号波形 在Vg到来前，Ud两端的电压为0；Vg 到来后，电源电压加在输出端上，其值近乎等于Ud。在U2正半周，VT1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向的电流。由波形可知，单相全波可控整流电路的Ud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，有相同的结论。因此，单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。但是：单相半波可控整流电路中只用两个晶闸管，比单相桥式可控整流电路少两个；相应地，晶闸管的门极驱动电路也少两个。但是在单相全波可控整流电路中，晶闸管承受的最大反向电压为2U2，是单相全控桥式整流电路的两倍。单相全波可控整流电路中，到点回路只含一个晶闸管，比单相桥少一个，因而管压降也少一个。从以上考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。这也是这次电路选择单相全波可控整流电路的原因。5.2 MATLAB仿真图12 MATLAB中的电路模型图中pulse generation产生脉冲信号，通过更改其中的phase delay调整相角，示波器scope记录各处产生的电压波形。图13 当=60时，仿真波形结果 图中U2为二次侧两端电压，Vg为触发脉冲电压，Ud为电阻两端（即输出端）电压，Thyristor为VT1晶闸管两端电压。 当=60时，仿真波形如上所示。在触发延迟角到来前，Ud两端电压为0，电源电压完全施加于晶闸管两端，该段晶闸管中没有电流形成。当触发脉冲到来后，晶闸管两端电压几乎为0，此时电源电压完全加在负载上。半个周期后，电源电压反向，晶闸管承受反压而关断，电源电压都加在晶闸管两端，输出端电压为0。图14 当=120时，仿真波形结果 当=120时，仿真波形如上所示。在触发延迟角到来前，Ud两端电压为0，电源电压完全施加于VT1晶闸管两端，电路中没有电流形成。当触发脉冲到来后，VT1晶闸管两端电压几乎为0，此时电源电压完全加在负载上。半个周期后，电源电压反向，晶闸管承受反压而关断，电源电压都加在晶闸管两端，输出端电压为0。和=60时相比，电源电压完全加在VT1晶闸管两端的时间更长，晶闸管导通的时间更短。图15 当=180时，仿真波形结果当=180时，电源电压始终加在晶闸管两端，输出端电压恒为0，电路中至始至终没有形成电流。综合以上，对电路中的单个晶闸管进行分析可知，当0180时，在一个周期内，触发角到来前，由晶闸管承受电源电压，触发脉冲到来后，电源电压几乎完全加在输出端，半个周期后，由晶闸管承受反压，电路关断。当180后，电路在整个周期都处于关断状态，电源电压完全由晶闸管承担。得出结论，的移相范围为0180。心得及体会一直以来动手能力不强都是包括我在内的许多在校大学生的很多缺陷，对将理论知识应用于实践的恐惧，对日新月异的科技发展无法运用的迷茫，这一切在开始时都困扰着我。但是，看再多的范本如果不亲自动手都不会有进步，与其把希望寄托在