单相桥式全控整流电路设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 单相桥式全控整流电路设计单相桥式全控整流电路设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 2014 12 29 2015 1 9 本科生课程设计 论文 i 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 自动 化 学 号学生姓名专业班级 课程设计 论文 题 目 单相桥式全控整流电路 课程设计 论文 任务 课题完成的功能 设计任务及要求 技术参数课题完成的功能 设计任务及要求 技术参数 实现功能实现功能 整流电路是讲交流电能供给直流用电设备 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 设计任务及要求设计任务及要求 1 确定系统设计方案 各器件选型 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 技术参数技术参数 单相电网 220 伏 50hz 电阻性负载 r 0 8 0 60 组感性负载 r 0 8 l 0 02h 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 各参数的计算 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 本科生课程设计 论文 ii 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 本科生课程设计 论文 iii 摘 要 整流电路按组成的器件不同 可分为不可控 半控与全控三种 利用晶闸管半导体 器件构成的主要有半控和全控整流电路 按电路接线方式可分为桥式和零式整流电路 按交流输入相数又可分为单相 三相整流电路 本设计设计的是单相桥式全控整流电路 该电路由单相输入 驱动电路 主电路 保护电路组成 主电路由全桥整流电路组成 驱动电路由 tca785 芯片组成锯齿波移相 触发电路 保护电路由阻容保护电路以及快速熔断器组成过压及过流保护 负载电路为 电阻及阻感性负载 本设计正是结合了 matlab 仿真软件对单相桥式全控整流电路进行分 析 关键词 单相桥式 全控 整流 本科生课程设计 论文 iv 目 录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 第第 2 2 章章 课程设计的方案课程设计的方案 2 2 2 1 概述 2 2 2 系统组成总体结构 2 第第 3 3 章章 电路设计电路设计 3 3 3 1 整流电路工作原理 3 3 2 主电路电路图 3 3 3 驱动电路设计 3 3 3 1 触发电路设计要求 3 3 3 2 tca785 锯齿波移相触发电路 4 3 4 保护电路设计 5 3 4 1 过压保护电路 5 3 4 2 过电流保护电路 6 3 5 晶闸管的选择及参数计算 6 第第 4 4 章章 仿真设计仿真设计 1010 4 1 仿真软件说明 10 4 2 仿真模型搭建 10 第第 5 5 章章 仿真分析仿真分析 1212 5 1 仿真参数设置 12 5 1 1 电阻性负载 12 5 1 2 阻感性负载 15 第第 6 6 章章 课程设计总结课程设计总结 1919 参考文献参考文献 2020 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 电力电子技术是一门新兴技术 它是由电力学 电子学和控制理论三个学科 交叉而成的 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 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 电气机车 磁悬浮列车等 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 整流电路按组成的器件不同 可分为不可控 半控与全控三种 利用晶闸管 半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路 按电路接线方式可分为桥式和零 式整流电路 按交流输入相数又可分为单相 多相 主要是三相 整流电路 正 是因为整流电路有着如此广泛的应用 因此整流电路的研究无论在是从经济角度 还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的 单相桥式可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 在设计单相桥式可控整流电路时 从总 电路电路出发根据负载择优选着方便的同步触发电路 并逐一设置各种保护电路 使电路安全有效的运行 最终达到整流的目的 本设计正是结合了matlab仿真软 件对单相桥式全控整流电路进行分析 本科生课程设计 论文 2 第 2 章 课程设计的方案 2 1 概述 本次设计主要是综合应用所学知识 设计单相桥式全控整流电路 并在实践 的基本技能方面进行一次系统的训练 能够较全面地巩固和应用 整流电路 课 程中所学的基本理论和基本方法 并初步掌握单相桥式全控整流电路设计的基本 方法 应用场合 整流电路直流电动机的的调速 发电机的励磁调节 电解 电镀等 领域得到广泛应用 系统功能介绍 整流电路通常由主电路 滤波器和变压器组成 20 世纪 70 年 代以后 主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成 滤波器接在主电路和负载之间 用于滤除脉动直流电压中的交流部分 2 2 系统组成总体结构 主电路由全桥整流电路组成 驱动电路由 tca785 芯片组成锯齿波移相触发 电路 保护电路由阻容保护电路以及快速熔断器组成过压及过流保护 负载电路 为电阻及阻感性负载 图 2 1 系统框图 单相输入保护电路 驱动电路 主电路负载 本科生课程设计 论文 3 第 3 章 电路设计 3 1 整流电路工作原理 在电源电压正半周期间 vt1 vt2 承受正向电压 若在时触发 2 u t vt1 vt2 导通 电流经 vt1 负载 vt2 和 t 二次侧形成回路 但由于大电感的 存在 过零变负时 电感上的感应电动势使 vt1 vt2 继续导通 直到 2 u vt3 vt4 被触发导通时 vt1 vt2 承受反相电压而截止 输出电压的波形出现 了负值部分 在电源电压负半周期间 晶闸管 vt3 vt4 承受正向电压 在时 2 u t 触发 vt3 vt4 导通 vt1 vt2 受反相电压截止 负载电流从 vt1 vt2 中换流 至 vt3 vt4 中在时 电压过零 vt3 vt4 因电感中的感应电动势一直 2 t 2 u 导通 直到下个周期 vt1 vt2 导通时 vt3 vt4 因加反向电压才截止 3 2 主电路电路图 图 3 1 主电路图 3 3 驱动电路设计 3 3 1 触发电路设计要求 晶闸管的型号很多 其应用电路种类也很多 不同的晶闸管型号 应用电路 对触发信号都会有不同的要求 但是 归纳起来 晶闸管触发主要有移相触发 本科生课程设计 论文 4 过零触发和脉冲列调制触发等 不管是哪种触发电路 对它产生的触发脉冲都有 如下要求 1 触发信号为直流 交流或脉冲电压 由于晶闸管导通后 门极触发信号 即失去了控制作用 为了减小门极的损耗 一般不采用直流或交流信号触发晶闸 管 而广泛采用脉冲触发信号 2 触发信号应有足够的功率 触发电压和触发电流 触发信号功率大小是 晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标 由于晶闸管元件门极参数的分散性很 大 且随温度的变化也大 为使所有合格的元件均能可靠触发 可参考元件出厂 的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压 电流值 并有一定的裕量 3 触发脉冲应有一定的宽度 脉搏冲的前沿尽可能陡 以使元件在触发信 号导通后 阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通 普通晶闸管的导通时 间约法为 6 故触发电路的宽度至少应有以上 对于电感性负载 由于 s 6 s 电感会抑制电流的上升 触发脉冲的宽度应更大一些 通常为 0 5至 1 此msms 外 某些具体电路对触发脉冲宽度会有一定的要求 如三相全控桥等电路的触发 脉冲宽度要大于 60 或采用双窄脉冲 3 3 2 tca785 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 力电子设备中触发晶闸管或晶体管 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 tca785 外围电路如图 3 2 所示 本科生课程设计 论文 5 图 3 2 触发电路图 锯齿波斜率由电位器 rp1 调节 rp2 电位器调节晶闸管的触发角 交流电 源采用同步变压器提供 同步变压器与整流变压器为同一输入 根据 tca785 能 可靠地对同步交流电源的过零点进行识别 从而可保证触发脉冲与晶闸管的阳极 电压保持同步 3 4 保护电路设计 相对于电机和继电器 接触器等控制器而言 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 必须充分发 挥器件应有的过载能力 因此 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 4 1 过压保护电路 电源侧过电压电力电子设备一般都经变压器与交流电网连接 电源变压器的 绕组与绕组 绕组与地中间都存在着分布电容 如图 3 3 所示 图 3 3 分布电容 电力电子装置中可能发生的过压分为外因过电压和内因过电压两类 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 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因 包括 操作过 电压 雷击过电压 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 包 括 换向过电压和关断过电压 为使元件免受换向过电压的危害一般在元件的两 端并联 rc 电容 电路图如图 3 4 所示 本科生课程设计 论文 6 主电路 图 3 4 晶闸管的过电压保护电路 3 4 2 过电流保护电路 vt r c 电力电子电路运行不正常或发生故障时 可能会发生过电流 过电流分为过 载和短两种情况 可采用多种保护措施 其中快速熔断器 直流快速断路器和过 电流继电器式较为常见的措施 对于晶闸管初开通时引起的较大 可在晶闸 di dt 管的阳极回路串联入电感进行抑制 对于整流桥内部原因引起的过流可以采用接 入快速熔断器进行保护 如图 3 5 所示 图 3 5 晶闸管的过电流保护电路 3 5 晶闸管的选择及参数计算 1 晶闸管的介绍 晶管又称为晶体闸流管 可控硅整流 silicon controlled rectifier scr 开 辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 20 世纪 80 年代以来 开始被 性能更好的全控型器件取代 能承受的电压和电流容量最高 工作可靠 以被广 泛应用于相控整流 逆变 交流调压 直流变换等领域 成为功率低频 200hz 本科生课程设计 论文 7 以下 装置中的主要器件 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型 普通晶闸管 广义上讲 晶闸管还包括其许多类型的派生器件 2 晶闸管的结构 晶闸管是大功率器件 工作时产生大量的热 因此必须安装散热器 外行 螺栓型和平板型两种封装 引出阳极 a 阴极 k 和门极 或称栅极 g 三个联接端 对于螺栓型封装 通常螺栓是其阳极 能与散热器紧密联接且安装方便平板 型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间 内部结构 四层三个结如图 3 6 所示 图3 6 晶闸管的外形 内部结构 电气图形符号和模块外形 a 晶闸管外形 b 内部结构 c 电气图形符号 d 模块外形 3 晶闸管的工作原理图 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 7 晶闸管的内部结构和等效电路 本科生课程设计 论文 8 晶闸管的驱动过程更多的是称为触发 产生注入门极的触发电流 的电路 称为门极触发电路 也正是由于能过门极只能控制其开通 不能控制其关断 晶 闸管才被称为半控型器件 其他几种可能导通的情况 1 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 2 阳极电压上升率 du dt 过高 3 结温较高 4 光直接照射硅片 即光触发 光控晶闸管 只有门极触发是最精确 迅速而可靠的控制手段 2 参数计算及器件选择 1 纯电阻负载时 由图知晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 和和 整流电压平均值为 3 1 vu220 2 0 v198 d u 60 v 5 148 d u 向负载输出的直流电流平均值为 3 2 vu220 2 0 ai 5 247 d 60 ai625 185 d 流过晶闸管的电流平均值 3 3 0 ai t 75 123 d 60 ai t 813 92 d 流过晶闸管的电流有效值为 3 4 0 ait45 124 2 2 2 u 2 2u 2 cos1 9 0 2 cos122 dsin2 1 2 2 2 u u ttuud 2 cos1 9 0 2 cos122 22 r u r u r u i d d 2 cos1 45 0 2 1 2 r u ii ddt 2sin 2 1 2 d sin 2 2 1 2 2 2 r u tt r u it 本科生课程设计 论文 9 60 ait47 196 变压器二次侧电流有效值与输出直流电流有效值i相等 为 2 i 3 5 有上两式得 3 6 不考虑变压器的损耗时 要求变压器的容量为 22i us 2 阻感负载时 整流电压平均值为 3 7 vu220 2 30 v47 171 d u 60 v99 d u 晶闸管承受的最大正反向电压均为 晶闸管导通角 与 无关 均为 180 其电流平均值和有效值分别为 3 8 4 2 元件型号选择 1 变压器 t 的变比为 1 1 2 晶闸管的选取 晶闸管承受的最大正反向电压为 vuum311220 22 2 故晶闸管的额定电压为 v 933 6223 2 mn uu 流过每个晶闸管的电流的有效值为 aii dvt 7 702 晶闸管的额定电流为 aii vtn 4 141 05 1062 5 1 3 快速熔断器选择 快速熔断器可以安装在直流侧 交流侧和直接与晶闸管串联 接阻感负载的单相全控桥电路 通过晶闸管的有效值为 2sin 2 1 sin 2 1 2 2 2 2 r u tdt r u ii iit 2 1 cos9 0cos 22 dsin2 1 222d uuttuu 2 2u ddt 2 1 ii ddt 707 0 2 1 iii aii dvt 7 702 本科生课程设计 论文 10 快速熔断器的额定电流 ail100 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 本科生课程设计 论文 11 第 4 章 仿真设计 4 1 仿真软件说明 simulink 是 matlab 软件最重要的组件之一 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 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 simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具 对各种时变系统 包括通讯 控制 信号处理 视频处理和图像处理系统 simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计 仿真 执行 和测试 构架在 simulink 基础之上的其他产品扩展了 simulink 多领域建模功能 也提 供了用于设计 执行 验证和确认任务的相应工具 simulink 与 matlab 紧密 集成 可以直接访问 matlab 大量的工具来进行算法研发 仿真的分析和可视 化 批处理脚本的创建 建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义 4 2 仿真模型搭建 根据设计的总电路图 在 simulink 仿真软件中选择相应的元件 得到仿真电 路图如图 4 1 所示 本科生课程设计 论文 12 图 4 1 仿真模型图 1 单相交流电源 在电路中之具有单一的交流电压 在电路中产生所需电压 电流 电压以一定的频率岁时间变化 在该电路中用以产生 220v 交流电压 2 晶闸管 晶闸管 thyristor 是晶体闸流管的简称 又可称做可控硅整流器 以前被简称为可控硅 晶闸管是 pnpn 四层半导体结构 它有三个极 阳极 阴 极和门极 3 脉冲触发器 通过控制触发角的大小控制触发脉冲起始相位来控制输出 电压的大小 本科生课程设计 论文 13 第 5 章 仿真分析 5 1 仿真参数设置 5 1 1 电阻性负载 1 0 8 0r 1 脉冲触发器参数设置 幅值 20 周期 0 02 脉冲宽度 20 相位延迟 触 发角 360 0 02 图 5 1 参数设置 2 仿真波形 图 5 2 电流波形 本科生课程设计 论文 14 图 5 3 电压波形 2 60 8 0r 1 脉冲触发器参数设置 幅值 20 周期 0 02 脉冲宽度 20 相位延迟 触发角 360 0 02 图 5 4 参数设置 本科生课程设计 论文 15 2 仿真波形 图 5 5 电流波形 图 5 6 电压波形 本科生课程设计 论文 16 5 1 2 阻感性负载 1 30 8 0r 02 0 l 1 脉冲触发器参数设置 幅值 20 周期 0 02 脉冲宽度 20 相位延迟 触 发角 360 0 02 图 5 7 参数设置 2 仿真波形 图 5 8 电流波形 本科生课程设计 论文 17 图 5 9 电压波形 2 60 8 0r 02 0 l 1 脉冲触发器参数设置 幅值 20 周期 0 02 脉冲宽度 20 相位延迟 触发角 360 0 02 图 5 10 参数设置 本科生课程设计 论文 18 2 仿真波形 图 5 11 电流波形 图 5 12 电压波形 1 波形分析 由图 5 2 5 6 所示 在电源电压正半周期 晶闸管 tv1 和 tv4 承受正 2 u 向电压 在时施加触发信号 cp1 使晶闸管 tv1 和 tv4 导通 则电源电压 本科生课程设计 论文 19 通过 tv1 和 tv4 加至负载上 晶闸管 vt1 两端的电压近视为 0 忽略管压降 当电源电压过零变负时 晶闸管承受反压关断 波形图不连续 由图 5 8 5 12 所示 在电源电压正半周期 晶闸管 tv1 和 tv4 承受正 2 u 向电压 在时施加触发信号 cp1 使晶闸管 tv1 和 tv4 导通 则电源电压 通过 tv1 和 tv4 加至负载上 晶闸管 vt1 两端的电压近视为 0 忽略管压降 当电源电压过零变负时 由于电感的存在 vt1 和 vt4 仍继续导通 负载电 流和电压连续 2 数据分析 1 电阻性负载 1 0 实际值 198 069 理论值 198 实测值和理论值非常接近 d u d u 误差极小 产生的误差可能是计算问题 2 60 实际值 140 056 理论值 140 实测值和理论值非常接 d u d u 近 误差极小 2 阻感性负载 1 30 实际值 141 58v 理论值 141 47v 实测值和理论值非 d u d u 常接近 误差极小 2 60 实际值 99 18v 理论值 99v 实测值和理论值非常接近 d u d u 误差极小 由此分析 单相桥式全控整流电流可以较准确地得到所需要的直流电压 但 是其整流的范围较小 精度较低 在直流电动机的的调速 发电机的励磁调节 电解 电镀等领域得到广泛应用 本科生课程设计 论文 20 第 6 章 课程设计总结 本设计设