单相桥式半控整流电路2课程设计.doc

课程设计题目： 单相桥式半控整流电路2 学 生： 余青林 学 号： 201306010425 院 （系）： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 陈景文 2015年 12 月 25 日目 录1 课程设计的目的与要求11.1 引言11.2 课程设计的目的11.3 课程设计的内容和要求12 课程设计方案选择12.1 整流电路12.2 元器件的选择32.2.1 晶闸管33 单相桥式半控整流电路设计63.1 电路结构与工作原理63.1.1 电路结构63.1.2 工作原理63.2 两种PISM图及不同负载时的波形图73.2.1 电感较大（100000H）的PISM图73.2.2 电感较小（0.010H）的PISM图103.3 基本数量关系及计算134 结果分析145 心得体会14参考文献161 课程设计的目的与要求1.1 引言电力电子技术是弱电控制强电的方法和手段，是当代高新技术发展的重要内容，也是支持电力系统技术革命发展的重要基础，并节能降耗、增产节约提高生产效能的重要技术手段。微电子技术、计算机技术以及大功率电力电子技术的快速发展，极大地推动了电工技术、电气工程和电力系统的技术发展和进步。 电力电子器件是电力电子技术发展的基础。正是大功率晶闸管的发明，使得半导体变流技术从电子学中分离出来，发展成为电力电子技术这一专门的学科。电力电子技术的应用领域已经深入到国民经济的各个部门，包括钢铁、冶金、化工、电力、石油、汽车、运输以及人们的日常生活。功率范围大道几千兆瓦的高压直流输电，小到一瓦的手机充电器，电力电子技术随处可见。电力电子技术在电力系统中的应用也有长足的发展，电力电子装置与传统的机械式开关操作设备相比有动态响应快，控制方便，灵活的特点，能够显著而改善电力系统的特性，在提高系统稳定、降低运行风险、节约运行力。1.2 课程设计的目的“电力电子技术”课程设计是在教学和实验的基础上，结合课程中所学理论知识，得到深化和提高。因此，通过电力电子技术课程设计以达到以下目的：1） 培养综合应用所学的知识，并设计处具有电压可调功能的直流电源系统的能力；2） 较全面的巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握整流电路设计的基本方法；3） 培养独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；4） 培养分析、总结及撰写技术报告的能力。1.3 课程设计的内容和要求在理解单相桥式半控整流电路（二极管在一个桥臂）电路工作原理的基础上，设计出单相桥式半控整流电路带电阻和电感（取较大和较小电感各一个）负载时的电路原理图，使用PSIM软件对所设计的电路带不同负载的情况下晶闸管取不同的触发角（要求=和各取一个角度）进行仿真，分别获得的波形，并对所给出的角度计算上述数值。2 课程设计方案选择2.1 整流电路1单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就不会有不同的特点。而负载性质又分为带电阻性负载、电阻-电感性负载和反电动势负载时的工作情况。单相桥式半控整流电路（电阻负载 有续流二极管），电路简图如2-1图 2-1该电路在实际应用中需要加设续流二极管，以避免可能可能发生的失控现象。实际运行中，若没有续流二极管，则当突然增大至180或者触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通或者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。单相桥式半控整流电路（电感负载 无续流二极管），电路简图如2-2图 2-2该电路没有续流二极管。相当于用图2-2中的来代替续流二极管来实现续流的功能。故图2-2电路，不会出现失控。且续流期间导电回路只有一个压降管，少了一个压降管，有利于降低损耗。12.2 元器件的选择2.2.1 晶闸管晶闸管又称晶体闸流管，可控硅整流管。其广泛的应用，开辟了电力电子技术迅速发展的时代。被用于相控整流、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。晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流；它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。晶闸管，以前被简称为可控硅；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。 1） 晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须装散热器。引出阳极A、阴极K和门极G三个联接端。内部结构：四层三个结如图2-3图 2-32） 晶闸管的工作原理晶闸管由四层半导体（）组成，形成三个结()、()、()，并分别从引入A、G、K三个电极，如图2-4（左）。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2-4（右）图示的两个晶闸管和组成的等效电路。11图 2-43）晶闸管工作的条件a） 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态,这就是晶闸管的闸流特性,即可控特性.b） 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用c） 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。 d） 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态.。4） 晶闸管的基本特性a） 静态特性静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。这里阳极伏安特性和门极伏安特性。i 阳极伏安特性晶闸管的阳极特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电流之间的关系曲线，如图2-5图 2-5正向阻断高阻区；负阻区；正向导通低阻区；反向阻断高阻区阳极伏安特性可以划分为两个区域：第一象限为正向特性区，第三象限为反向特性区。第一象限的正向特性又可以分为正向阻断状态及正向导通状态。ii 门极伏安特性晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结，门极伏安特性就是指这个PN51结上正向的门极电压与门极电流之间的关系。由于这儿结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来表示所有的门极伏安特性。如图2-6阴影部分所示。图 2-6b） 动态特性晶闸管常用语低频的相控电力电子电路中，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格的考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。i 开通特性晶闸管由截止转为导通的过程称为开通过程，如图2-7给出了晶闸管开通特性。在晶闸管处于正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间，延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。图 2-7ii 关断特性通过采用外加反压的方法来将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。要关断已经导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就是要使各层区内的载流子消失，使原件对正向阳极电压回复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，方向电流达到最大值后，在朝反向1快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。3 单相桥式半控整流电路设计3.1 电路结构与工作原理3.1.1 电路结构图 3-1 3.1.2 工作原理假设电路工作于稳态。在正半周，触发角wt=处，给晶闸管加触发脉冲，经和向负载供电。过零变负时，因电感作用使电流连续，继续导通。且负载电流流经和串联成的等效续流桥臂，使桥路直流输出只有1V左右的压降，迫使晶闸管与二极管串联电路中的电流减小到维持电流以下，使晶闸管关断。不会出现失控现象（即a点电位低于b点电位，使得电流从转移至，关断）。电流不再流经变压器二次绕组，而是由和续流。此阶段，忽略期间的通态，则，不像全控桥电路那样出现为负的情况。在负半周wt=+时刻，触发使其导通，则承受反压而关断，经和向负载供电。11过零变正时，重复上述过程。3.2 两种PISM图及不同负载时的波形图3.2.1 电感较大（100000H）的PISM图1） 触发角=30时波形图触发角=30时的波形触发角=30时的波形触发角=30时的波形11触发角=30时的波形触发角=30时的波形触发角=30时的波形2）触发角=90时波形图触发角=90时的波形171触发角=90时的波形触发角=90时的波形触发角=90时的波形触发角=90时的波形触发角=90时的波形1713.2.2 电感较小（0.010H）的PISM图1）触发角=30时波形图触发角=30时的波形触发角=30时的波形触发角=30时的波形171触发角=30时的波形触发角=30时的波形触发角=30时的波形2） 触发角=90时波形图触发角=90时的波形171触发角=90时的波形触发角=90时的波形触发角=90时的波形触发角=90时的波形171触发角=90时的波形3.3 基本数量关系及计算1） 直流输出电压平均值 （1-1）=0时，=0.9;=180时，=0。可见，角的移相范围为180。向负载输出的直流电流平均值为 （1-2）管子、和、轮流导电，流过管子的电流平均值只有输出电流平均值的一半，即 = （1-3）流过晶闸管的电流有效值为 （1-4）2） 电阻R=10,设=100V,当=30时，代入上述公式96.94v171AA3） 电阻R=10,设=100V,当=90时，代入上述公式4 结果分析通过PISM仿真出的波形基本与理论结果相符合。实现了课程设计需要达到的基本功能。但存在一定的波形失真。通过对较大电感和较小电感PISM图得到的波形图的比较，发现大电感对电路的波形有很大的的影响。通过理论上的计算和实际结果的比较，确定大电感时，各波形更易出现失真。5 心得体会本次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识。尤其是在书中介绍不完全的部分。要完成这次课程设计，仅仅靠书本上的知识是远远不够的，所以我查阅了一些关于电力电子技术的书籍，并且也通过网络查到了很多有关电力电子的知识。对于课程设计的内容，首先要做的是对设计内容的理论有所理解，在理论充分理解的基础上，才能做好这个课程设计，才能设计出性能良好的电路。设计过程中，我明白了整流电路，尤其是单相桥式半控整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。这次课设不是我设计时间最长的一次，却是收获最大的一次。刚拿到题目的时候觉得很简单，但做的过程中困难重重，如仿真时候晶闸管、触发脉冲和示波器的参数设置，这次课程设计使我明白了理论与实践之间的遥远。以及将理论用于实践，再结合实际结果分析总结的重要性。另外通过这次课程设计，我对文档的编排有了更深的掌握，这对于以后的毕业设计以及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时，我也在复习1一些电力电子这门课程的一些知识。把以前的一些没学懂的问题，学懂了。所以