单相桥式全控整流电路(完整).docx

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）辽 宁 工 业 大 学 电力电子技术 课程设计（论文）题目： 单相桥式全控整流电路设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化131班 学 号： 130302012 学生姓名： 宫会彬 指导教师： （签字）起止时间：2016.01.04-2016.01.15本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号130302012学生姓名宫会彬专业班级自动化131班课程设计（论文）题目单相桥式全控整流电路设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能整流电路是将交流电能变成直流电供给直流用电设备，在生产实际中，用于电阻加热炉、电解、电镀中，这类负载属于电阻类负载。设计任务及要求1、确定系统设计方案，各器件的选型;2、设计主电路、控制电路、保护电路；3、各参数的计算；4、建立仿真模型，验证设计结果;5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数单相电网220v，50hz； 电阻性负载: r=0.6，=0，=60； 电阻-电感负载：r=0.6，l=0.01h，=30，=60；进度计划1、 布置任务，查阅资料，系统功能分析，确定系统方案（2天）2、 各电路的设计，各参数计算（3天）3、 仿真分析与研究（3天）4、 撰写、打印设计说明书（1天）5、 答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要单相桥式全控整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其效率高原理及结构简单在单相整流电路中应用较多。本文以单相桥式全控整流电路为研究对象，介绍了单相桥式全控整流电路的工作原理，从总电路电路出发选择适当的晶闸管触发电路，并设计保护电路使电路安全有效的运行，最终达到整流的目的。并对matlab中电力电子仿真所需要的电力系统模块做了简要的说明，在此基础上运用matlab软件中simlink模块对主电路的仿真进行了设计，实现了对单相桥式全控整流电路的仿真，并对仿真结果进行分析。关键词：单相桥式全控整流；仿真；matlab目 录第1章 绪论11.1 电力电子技术11.2 整流电路的应用与发展1第2章 课程设计的方案22.1 概述22.2 系统组成总体结构2第3章 电路设计33.1 主电路设计33.1.1 整流电路参数计算:33.1.2 晶闸管的选取43.1.3 变压器的选取53.2 控制电路的设计53.3 保护电路的设计73.3.1 过电压保护电路83.3.2 过电流保护电路9第4章 仿真设计104.1 仿真软件说明104.2 仿真模型搭建104.3 仿真分析12第5章 课程设计总结16参考文献17iv第1章 绪论1.1 电力电子技术电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、pwm控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。1.2 整流电路的应用与发展 在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备电力电子器件的发展对电力电子的发展起着决定性的作用，因此不管是整流 器还是电力电子技术的发展都是以电力电子器件的发展为纲的，1947年美国贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一次革命；1957年美国通用公司研制了第一个晶闸管，标志着电力电子技术的诞生；70年代后期，以门极可关断晶闸管（gto）、电力双极型晶体管（bjt）和电力场效应晶体管（power-mosfet）为代表的全控型器件迅速发展，把电力电子技术推上一个全新的阶段；80年代后期，以绝缘极双极型晶体管（igbt）为代表的复合型器件异军突起，成为了现代电力电子技术的主导器件。另外，采用全控型器件的电路的主要控制方式为pwm脉宽调制式，后来，又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（pic）,随着全控型电力电子器件的发展，电力电电路的工作频率也不断提高。同时。电力电子器件的开关损耗也随之增大，为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开关（zvs）和零电流开关（zcs）把电力电子技术和整流电路的发展推向了新的高潮。第2章 课程设计的方案2.1 概述单相桥式全控整流电路是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。这次课程设计设计的是单相桥式全控整流电路，与单相半波可控整流电路相比，其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，电源利用率高，应用范围广。2.2 系统组成总体结构根据本设计任务要求，给出整流电路的系统总体结构框图如下图2.1所示。本次设计的单相桥式全控整流电路主要由触发电路、过流保护电路、过压保护电路和整流主电路组成。主电路主要由4个晶闸管组成，触发电路是对整流主电路中的晶闸管进行脉冲触发，过流保护电路与过压保护电路主要是对整流电路进行过压与过流保护，使电路安全有效的运行，最终达到整流的目的。交流输入过电流保护电路整流主电路过压保护电路触发电路输出图2.1 系统总体结构框图第3章 电路设计3.1 主电路设计单相桥式全控整流电路的主电路是由vt1,vt2,vt3,vt4四个晶闸管组成，其中晶闸管vt1,vt2为一组桥臂，晶闸管vt3,vt4为另一组桥臂。vt1和vt4的脉冲触发相同，vt2和vt3脉冲触发相同。如图3.1所示。图3.1 主电路在电源电压u2正半周期间，vt1、vt4承受正向电压，若在触发角处给vt1、vt4加触发脉冲，vt1、vt4导通，电流从电源a端经vt1、负载、vt4流回电源b端。当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，vt1和vt4关断。在电源电压u2负半周期间，仍在触发延迟角处触发vt2和vt3， vt2和vt3导通，电流从电源b端流出，经过vt3、r1、vt2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，vt2和vt3关断。此后又是vt1和vt4导通，如此循环的工作下去。电阻性负载的移相范围是0到180，阻感性负载的移相范围是0到90。3.1.1 整流电路参数计算:1. 在电阻负载下，整流输出电压的平均值为： ud=12u2sintdt=221+cos2=0.9u21+cos2 (3-1)由设计任务电阻r=0.6，=60，在u2=110v时输出电压平均值ud可由下式可求得。ud=0.9u21+cos602=0.91101+122=132v2.整流输出电流平均值为：id=udr=22u2r1+cos2=0.9u2r1+cos602=123.75a2. 变压器二次电流有效值i2： i2=1(2u2rsint)2d(t)=u2r1sin2+-=164.44a3.1.2 晶闸管的选取晶闸管（thyristor）是晶体闸流管的简称，又被称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅，为半控型电力电子器件；1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是pnpn四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管的主要参数如下：额定电压utn在选用晶闸管时，额定电压是正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压: utn=(23)utm （3-2） utm为工作电路中加在晶闸管上的最大瞬时电压。额定电流ivtivt又称为额定通态平均电流。定义是在室温40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值不大于额定电流的有效值,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。将变压器副边电压有效值u2定为110v，则触发角=60，晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为22u2和2u2。晶闸管承受最大正向电压为：utm=2u2=2110v=155.56v考虑到安全裕量，故晶闸管额定电压为： utn=(23)utm=23155.56v=311.12v466.68v流过晶闸管电流有效值最大为：ivtmax=u2r2=1100.62=129.64a晶闸管额定电流为： in=1.52ivtmax1.57=123.85a165.15a通过以上计算得知，可以取晶闸管额定电压为500v，额定电流为170a。3.1.3 变压器的选取变压器是一种静止的装置，它是依靠磁耦合的作用，将一种等级的电压与电流转换为另一种等级的电压与电流，起着传递电能的作用。单相桥式全控整流电路带电阻负载，由以上可知变压器二次电流有效值i2，故变压器容量至少为:s=u2i2=110164.44=18088va 故变压器容量至少为18088va。3.2 控制电路的设计根据设计的任务要求晶闸管触发电路采用了由kj042和kj004组成的单相全桥触发线路。如图3.2所示图3.2 控制电路kj004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。kj004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,kj004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。kj042脉冲列调制形成器主要适用于作可控硅三相桥式全控整流电路的脉冲列调制源，同样也适用于三相半控、单相全控、单相半控线路中作脉冲列调制源。电路具有脉冲占空比可调性好、频率调节范围宽、触发脉冲上升沿可与同步调制信号同步等优点。该触发电路设计中，通过kj004和kj042集成触发器控制晶闸管vt1 、vt2、vt3和vt4的导通与截止，使vt1和vt4同时导通，vt2和vt3同时导通，同时两路导通相差180度。kj004 器件恰好输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。器件kj004和kj042的引脚图如图3.3所示。图3.3 kj004与kj042引脚图各引脚说明如下表3.1、3.2所示：表3.1 kj004引脚说明功 能输出空锯齿波形成-vee地同步输入综合比较微分阻容封锁调制+vcc引脚号1、152、6、103、4578911、1213、1416表3.2 kj042引脚说明功 能输出空a相输入b相输入c相输入地反馈环形震荡震荡反馈+vcc引脚号72、6、10、12、1431311845913.3 保护电路的设计电力电子器件承受过电流和过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏，但又不能完全根据装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，为了充分发挥器件应有的过载能力。保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的重要环节。3.3.1 过电压保护电路该电路中变压器为降压型，即电源电压u高于变压器次级电压。电源开关断开时，初、次级绕组均无电压，绕组间分布电容电压也为0，当电源合闸时，由于电容两端电压不能突变，电源电压通过电容加在变压器次级，使得变压器次级电压超出正常值，它所连接的电力电子设备将受到过电压的冲击。在进行电源拉闸断电是也会造成过电压，在通电的状态将电源开关断开使激磁电流从一定得数值迅速下降到0，由于激磁电感的作用电流的剧烈变化将产生较大的感应电压，因为电压为ldi/dt，在电感一定得情况下，电流的变换越大，产生的过电压也越大。这个电压的大小与拉闸瞬间电流的参数值有关，在正弦电流的最大值时断开电源，产生的di/dt最大，过电压也就越大。可见，合闸时出现的过电压和拉闸时出现的过电压其产生的机理是完全不同的。对于以上过电压，我们可以采用阻容保护，保护电路如下图3.4所示：图3.4过电压保护同理晶闸管过电压保护，也可采用阻容式保护方法，给每个晶闸管并联一个rc串联回路。如下图3.5所示。图3.5阻容式保护3.3.2 过电流保护电路过电流保护电路电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值，即为过电流。过电流有过载和短路两种情况。在该电路的过电流保护中均采用熔断器，给每个晶闸管串连一个熔断器。虽然这样所用熔断器较多，但由于流过晶闸管的电流有效值相对于负载电流有效值和电源二次侧电流有效值来说较小，等价条件下产生热量最少，同时熔断器价格很便宜，故这样设计过电流保护电路比较经济。电路原理图如下图3.6所示。图中f1,f2,f3,f4为熔断器。图3.6过电流保护第4章 仿真设计4.1 仿真软件说明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的最突出的特点就是简洁。matlab用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了c和fortran语言的冗长代码。matlab给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境。功能强劲的工具箱是matlab的一重大特色。matlab包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱能用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，如control、toolbox、signal processing toolbox、communication toolbox等。这些工具箱都是由该领域内的学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。simulink是matlab中的一种可视化仿真工具， 是一种基于matlab的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(gui) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作 就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。4.2 仿真模型搭建在电力电子设计过程中利用matlab来进行仿真建模分析有很大的好处，它不但非常方便而且能够在很大程度范围内减少因设计问题而造成的浪费。这里的仿真主要是运用matlab软件中的simulink工具。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、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。分别如下图4.1、4.2所示为电阻负载的的仿真模型和阻感负载的仿真模型。图4.1电阻负载的的仿真模型图4.2阻感负载的的仿真模型4.3 仿真分析根据本次设计的任务要求，分别设置晶闸管vt1、vt4和vt2、vt3脉冲触发器的触发角和脉冲周期。设置方法如下图4.3、4.4所示。图4.3晶闸管vt1,vt4的脉冲触发设置图4.4晶闸管vt2,vt3的脉冲触发设置本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真start time设为0，stop time设为2s。设置方法如下图4.5所示。图4.5仿真参数设置根据任务要求设置电阻负载参数和阻感负载参数，分别如下图4.6、4.7所示。图4.6电阻负载参数设置图4.7阻感负载参数设置电阻负载，r=0.6，=60时的波形，如下图4.8所示。图4.8电阻负载波形图阻感负载，r=0.6，l=0.01h，=60和=30时的波形，分别如下图4.9、4.10所示。图4.9阻感负载=60波形图图4.10阻感负载=30波形图由以上波形图可以看出单相桥式全控整流电路在电阻负载工作时电压和电流波形相同且为断续状态，在u2一个周期内，整流电压电流波形脉动2次。在阻感负载情况下时与电阻负载时不同，当u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管vt1和vt4中仍有电流流过，并不关断。电感的存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波的作用，使电流波形波动减小且连续。根据触发角度的不同电压和电流的波动大小也有变化。第5章 课程设计总结通过这次对单相桥式全控整流电路的课程设计，让我对整流电路有了更加清晰的认识，同时也对触发电路和保护电路也有了更深刻的认识，同时我也学会了用一些基本元部件进行建模的基本方法，加深了对课本知识的进一步理解。同时这次课程设计应用到matlab软件，设计时借助matlab软件进行系统模型仿真，进一步熟悉了matlab语言及其应用，用该软件对该电路进行分析，大大简化了计算和绘图步骤。同时该次课程设计，还用到了altium designer软件进行原理图的绘制，是我跟家熟练地掌握了altium designer绘图的技巧。书写课程设计说明书时使用office word软件，使我掌握了许多关于office word编辑和排版技巧，提高了自身对一些基本软件的应用技能。总之，这次课程设计不仅增加了我的知识