电力电子课程设计 单相半控桥式晶闸管整流电路(电阻负载)

1 电气工程学院电气工程学院 电力电子电力电子 课程设计课程设计 设计题目 设计题目 单相半控桥式晶闸管整流电路 电阻负载 学学 号 号 xxxxxxxx 姓姓 名 名 xxxxxx 同同 组组 人 人 xxxxxxxxxxxx 指导教师 指导教师 xxxxxx 设计时间 设计时间 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 设计地点 设计地点 电气学院实验中心 2 电力电子 课程设计成绩评定表 姓 名 学 号 课程设计题目 单相半控桥式晶闸管整流电路 电阻负载 课程设计答辩或提问记录 成绩评定依据 课程设计预习报告及方案设计情况 30 课程设计考勤情况 15 课程设计调试情况 30 课程设计总结报告与答辩情况 25 最终评定成绩 以优 良 中 及格 不及格评定 指导教师签字 年 月 日 3 电力电子电力电子 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 一 课程设计题目 一 课程设计题目 单相半控桥式晶闸管整流电路 电阻负载 二 课程设计要求二 课程设计要求 1 根据具体设计课题的技术指标和给定条件 独立进行方案论证和电路设计 要求概念清 楚 方案合理 方法正确 步骤完整 2 查阅有关参考资料和手册 并能正确选择有关元器件和参数 对设计方案进行仿真 3 完成预习报告 报告中要有设计方案 设计电路图 还要有仿真结果 4 进实验室进行电路调试 边调试边修正方案 5 撰写课程设计报告 最终的电路图 调试过程中遇到的问题和解决问题的方法 三 进度安排三 进度安排 1 时间安排 序 号内 容学时安排 天 1方案论证和系统设计1 2完成电路仿真 写预习报告1 3电路调试2 4写设计总结报告与答辩1 合 计5 设计调试地点 电气楼 410 2 执行要求 课程设计共5个选题 每组不得超过2人 要求学生在教师的指导下 独力完成所设计 的详细电路 包括计算和器件选型 严禁抄袭 严禁两篇设计报告雷同 4 摘要摘要 本次课程设计的题目为 单相半控桥式晶闸管整流电路 其中负载为纯电 阻负载 电路设计的主要参数及要求 1 电源电压 交流 100V 50Hz 2 输 出功率 500W 3 移相范围 0 180 对于单相半控桥式晶闸管整流电路 电阻负载 其电路设计的主要功能为 单相桥式半控整流电路的工作特点是晶闸管触发导通 而整流二极管在阳 极电压高于阴极电压时自然导通 单相桥式半控整流电路在纯电阻负载电流连续时 当相控角 180 时 由于二极管的单相导电性 电路无法实现 逆变 输出电压为零 关键词 单相半控桥式晶闸管整流电路 纯电阻负载 相控角调节 Abstract ABSTRACT Curriculum design topics single phase half controlled bridge thyristor rectifier circuit where the load is purely resistive load The main parameters and requirements of the circuit design 1 the power supply voltage AC 100V 50Hz output power 500W 2 3 the phase shift range 0 180 For the single phase half controlled bridge thyristor rectifier circuit resistive load the main function of the circuit design Characteristics of single phase bridge half controlled rectifier circuit is triggered thyristor turn on and rectifier diode is higher than that of cathode voltage in the anode voltage natural conduction Single phase bridge half controlled rectifier circuit load current is continuous in the pure resistance while the mouldings 180 because the phase conductivity diode the circuit can not be achieved inverter output voltage to zero KEYWORDS Single phase half controlled bridge thyristor rectifier circuit pure resistive load adjust phase mouldings 5 目录目录 第一章 系统方案设 计 1 一 主电路方案设 计 1 1 1 主电路方案论 证 1 1 2 主电路结构及其工作原 理 2 1 3 参数计 算 3 1 4 主电路器件选 用 3 二 控制电路方案设 计 4 2 1 触发控制电路方 案 4 2 1 1 方案 一 4 2 1 2 方案 6 二 5 第二章 仿 真 8 一 主电路仿 真 8 1 1 仿真设 置 8 1 2 仿真结 果 10 二 控制电路仿 真 11 2 1 方案一仿 真 11 2 2 方案二仿 真 13 2 2 1 各部分电路分析与仿 真 14 2 2 2 输出控制信号仿 真 17 第三章 电路调 7 试 19 一 实物制 作 19 二 实际控制信号测 量 20 2 1 电路各组成部分输出波 形 20 2 2 控制信号输出波 形 21 第四章 结 论 24 第五章 心得体会与建 议 25 参考文 献 26 附录 1 元器件清 单 27 1 第一章第一章 系统方案设计系统方案设计 一 主电路方案设计一 主电路方案设计 1 1 主电路方案论证主电路方案论证 方案一方案一 单相半控桥式整流电路 含续流二极管 单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单 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 如图 1 1 图图 1 11 1 含续流二极管含续流二极管 方案二方案二 单相半控桥式整流二极管 不含续流二极管 不含续流二极管的电路具有自续流能力 但一旦出现异常 会导致 一只晶 闸管与两只二极管之间轮流导电 其输出电压失去控制 这种情况称之为 失控 失控时的的输出电压相当于单相半波不可控整流时的电压波形 在失控情况下 工作的晶闸管由于连续导通很容易因过载而损坏 因为半导体本身具有续流作用 半控电路只能将交流电能转变为直流电能 而直流电能不能返回到交流电能中去 即能量只能单方向传递 如图 1 2 图图 1 21 2 不含续流二极管不含续流二极管 2 经过比较本设计选择方案一含续流二极管的单相半控桥式整流电路能更好的 达到设计要求 1 2 主电路结构及其工作原理主电路结构及其工作原理 单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单 调整方便 使用元件少等优点 但却有整流电压脉动大 输出整流电流小的缺点 其使用的电路图如下图 2 1 所 示 图图 1 31 3 主体电路结构原理图主体电路结构原理图 在交流输入电压 u2 的正半周 a 端为正 时 Th1 和 D1 承受正向电压 这 时如对晶闸管 Th1 引入触发信号 则 Th1 和 D1 导通电流的通路为 u2 Th1 R D1 u2 这时 Th2 和 D1 都因承受反向电压而截至 同样 在电压 u2 的负半周时 Th2 和 D2 承受正向电压 这时 如对晶闸管 Th2 引入触发信号 则 Th2 和 D2 导通 电流的通路为 u2 Th2 R D2 u2 这时 Th1 和 D1 处于截至状态 显然 与单相半波整流相比较 桥式整流电 路的输出电压的平均值要大一倍 即 输出电压的平均值 0 9 1 2cos 2 输出电流的平均值 0 9 1 cos 2 3 1 3 参数计算参数计算 输出电压平均值 0 9 2 1 cos 2 输出电流平均值 流过晶闸管电流有效值 2 交流侧相电流的有效值 2 续流管电流有效值 1 4 主电路器件选用 主电路器件选用 由已知条件可知 U1 100V Po 500W 移相范围 0 180 假设 R 1 25 0 可得 25 20 输出电压有效值 2 25 所以变压器变比 2 100 25 4 1 变压器选用变压器选用 变压器容量 S 500VA 变比 N2取 4 1 晶闸管选用 考虑裕量 晶闸管选用 考虑裕量 额定电压 2 3 2 2 70 71 106 07 额定电流 4 2 28 28 流过晶闸管电流有效值 10 2 14 14 晶闸管平均电流 有裕量 1 5 2 1 57 13 51 18 02 故选用额定电压为 100V 通态平均电流为 20A 的晶闸管 二 控制电路二 控制电路方案设计方案设计 为保证相控电路的正常工作 很重要的一点是应保证按触发角 a 的大小在正 确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲 2 1 触发控制电路方案触发控制电路方案 对于触发电路通常有如下要求 触发电路输出的脉冲必须具有足够的功率 触发脉冲必须与晶闸管的主电压保持同步 触发脉冲能满足主电路移相范围的要求 触发脉冲要具有一定的宽度 前沿要陡 2 1 1 方案一方案一 单结晶体管自激振荡电路 1 电源接通 E 通过 Re 对 C 充电 时间常数为 ReC 2 Uc 增大 达到 UP 单结晶体管导通 C 通 过 R1 放电 3 Uc 减少 达到 Uv 单结晶体管截止 R1 下降 接近于零 4 重复充放电过程 Re 的值不能太大或太小 满足电路振荡的 Re 的取值范围 5 图图 2 12 1 仿真电路图仿真电路图 2 1 2 方案二 方案二 图图 2 22 2 控制电路原理图控制电路原理图 图图 2 32 3 仿真电路图仿真电路图 主要元器件主要元器件 1 LM339 LM339LM339 引脚图引脚图 LM393LM393 引脚图引脚图 6 主要功能 LM339 内部装有四个独立的电压比较器 每个比较器有两个输 入端和一个输出端 两个输入端一个称为同相输入端 用 表示 另一个称 为反相输入端 用 表示 在任意一个输入端加一个固定电压做参考电压 另一端加一个待比较的信号电压 当 端电压高于 端时 输出管截止 相当于输出端开路 当 端电压高于 端时 输出管饱和 相当于输出端 接低电位 LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管 在使用 时输出端到正电源一般须接一只电阻 称为上拉电阻 选 3 15K 选不同阻值 的上拉电阻会影响输出端高电位的值 另外 各比较器的输出端允许连接在一起 使用 由于本次实验过程中 LM339 较为紧缺 所以我们改用 LM393 进行试验 因 为 LM339 与 LM393 的功能与性能较为接近 只是封装稍有不同 2 LM324 主要功能 LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器 V V 为正 负电源端 每一个运算放大器有 3 个引出脚 其中 为两个信号输入端 还有一个为输出端 两个信号输入端中 为反相输 入端 表示运放输出端的信号与该输入端的位相反 为同相输入端 表示 运放输出端的信号与该输入端的相位相同 3 LM555 7 主要功能 LM555 时基电路内部由分压器 比较器 触发器 输出管和放 电管等组成 是模拟电路和数字电路的混合体 其中 6 脚为阀值端 TH 是 上比较器的输入 2 脚为触发端 TR 是下比较器的输入 3 脚为输出端 OUT 有 0 和 1 两种状态 它的状态由输入端所加的电平决定 7 脚为放 电端 DIS 是内部放电管的输出 它有悬空和接地两种状态 也是由输入端 的状态决定 4 脚为复位端 R 5 脚为控制电压端 CV 可以用它来改变上 下触发电平值 8 脚为电源 VCC 1 脚为地 GND 4 74LS08 主要功能 内部有四个独立的逻辑 与 门 14 端为电源端 7 为接地端 各部分电路 各部分电路 图图 2 42 4 同步电路图同步电路图 图图 2 52 5 锯齿波产生电路图锯齿波产生电路图 8 图图 2 62 6 比较电路图比较电路图 图图 2 72 7 多谐振荡电路图多谐振荡电路图 图图 2 82 8 与与 电路电路 图图 具体方案设计与分析请见仿真部分 9 第二章第二章 仿真仿真 一 主电路仿真一 主电路仿真 1 1 仿真设置仿真设置 主电路仿真采用 Matlab 进行 利用 Simulink 中模块所建原理图 参数设置 电源参数设置 10 晶闸管参数设置 二极管参数设置 控制脉冲参数设置 晶闸管 Thyristor1 与晶闸管 Thyristor2 的脉冲相差 180 11 1 2 仿真结果仿真结果 当 0 时 考虑晶闸管与二极管自身的压降 电压最大值约为 98 4V 仿真结果正确 当 30 时 当 90 时 12 当 120 时 当 180 时 二 控制电路仿真二 控制电路仿真 2 1 方案一仿真方案一仿真 主控制电路仿真采用 Multisim 进行 利用 Multisim 中自带模型所建原理图 此控制电路为主电路其中一个晶闸管的控制电路 其调节电位器 Key A 可 调节 脉冲仿真结果如下 13 图中比例为 1V Div 当 0 时 电位器 0 当 30 时 电位器 16 7 当 90 时 电位器 50 当 120 时 电位器 66 7 14 当 180 时 电位器 100 由上图可见 其脉冲波形并不如理想模型 而且在调节电位器时 其 调 节到 0 或者 180 附近时就开始呈现不稳定状态 即 无法稳定实现 0 180 的调节范围 2 2 方案二仿真方案二仿真 主控制电路仿真采用 Multisim 进行 利用 Multisim 中自带模型所建原理图 15 2 2 1 各部分电路分析与仿真 各部分电路分析与仿真 1 同步电路及移相 同步电路及移相 工作原理 利用 LM339 构造同步电路 由 9V 正弦电源与 0V 接地电位进行比 较 当正半周时 端电位比 端电位高 于是 LM339 输出高电平 当负 半周时 端电位比 端电位高 LM339 输出低电位 如此重复 产生于 正弦电源同相的方波 将 LM339 的输入端电源反接 通过 LM339 进行移相 输出与输入正弦波相位 差 180 的方波 如下图所示 2 锯齿波产生电路 锯齿波产生电路 工作原理 当 1 中输出为负电平时 三极管截止 由放大器虚地的概念 LM324 的负输入端接近为零 负电平通过电阻 R1 对电容 C1 反向充电 使 b 点电 压从零电位随时间按斜率线性上升 一直充到低电平 tL结束为止 因为积分 器输出电压 在此处 Ui 12V Uo 5V tL 10ms 由此式理论 1 1 16 计算得到 R1C1 0 024s 经过实验的不断调试 最后得出了来的结果是 R1 51k C1 470F R1C1 0 02397s 可知与理论计算的结果非常接近 当 1 中输 出为高电平时 驱动三极管导通 由于三极管导通压降很小 电容 C1通过并联 在其上的三极管迅速放电 直至下降到 0 电位为止 然后一直维持为低电平 直到下个负电平又使其反向充电 于是形成了图中所示的锯齿波 3 比较电路 比较电路 工作原理 再次利用 LM339 构成比较电路 比较信号为上一部分输出的锯齿 波和一个可调的 0 5V 直流电源 当 端电位比 端电位高时 LM339 输 出高电平 当 端电位比 端电位高 LM339 输出低电位 如此重复 产 生于另一个方波信号 通过改变电位器 R4 的大小 可以改变输入 端的参考 电压的值 从而改变输出方波的上升沿 调节范围从 0 180 4 多谐振荡器电路 多谐振荡器电路 工作原理 此电路由 555 和其周围的电阻 电容构成的多谐振荡器 产生一 些列的高频脉冲列 接通电源瞬间 电容 3 上没有电荷 此时 THR 0V 所 c u 17 以 H T 管截止 经 R1 R2 对 C 充电 随着时间的推 0 u DD U 3109 CRR 充 移 THR TRI 逐渐升高 当该电位达到 2 3 时 由 H 变为 L T 管由截 c u DD U 0 u 止变为导通 此后 C 经过 T 管放电 为 T 管导通电阻 310 CRR 放 R THR TRI 逐渐下降 当该电位下降到 3 时 有 L 突变为 H T 管由导通 c u DD U 0 u 变为截止 此后 C 又充电 电路重复上述过程 进入下一个周期 如此周而复始 电路便处于振荡状态 输出周期性的矩形脉冲 工作波形如上图所示 如果忽略 T 管的导通电阻则可以求得 3109 7 0CRRtH 310 7 0CRtL 5 逻辑 逻辑 与与 电路电路 工作原理 利用 74ls08D 的 与 门 将第 3 与 4 电路输出的波形进 行 与 运算 即可产生我们需要的触发脉冲 18 2 2 2 输出控制信号仿真 输出控制信号仿真 当 0 时 电位器 100 当 60 时 电位器 66 7 当 90 时 电位器 50 19 当 150 时 电位器 16 7 当 180 时 电位器 0 由上图可知 其调相范围为 0 180 输出脉冲波形完整且稳定 符合要 求 因此 综合上述两种方案的仿真结果可得出 方案二相比于方案一更为合适 20 第三章第三章 电路电路调试调试 一 实物制作一 实物制作 本次试验主要制作控制电路部分 实物如下图 经实际调整 我们对电路中的一些原件参数进行调整 将锯齿波产生电路图中的电容调整为 C 2 2 F 与 LM324 引脚 2 所连接的 电阻调整为 R 10 4k 21 二 实际控制信号测量二 实际控制信号测量 2 1 电路各组成部分输出波形电路各组成部分输出波形 锯齿波产生电路输出波形 比较电路输出波形 22 多谐振荡器电路输出波形 2 2 控制信号输出波形控制信号输出波形 当 0 时 电位器 100 23 当 90 时 电位器 50 当 150 时 电位器 16 7 24 当 180 时 电位器 0 由上图可知 其调相范围为 0 180 输出脉冲波形完整且稳定 符合要 求 同时 我们进行调试时候发现 由于锯齿波波形不够理想 导致出现当 180 时 脉冲信号才能完全去除 25 第四章第四章 结论结论 本次课程设计的题目为 单相半控桥式晶闸管整流电路 其中负载为纯电阻 负载 电路设计的主要参数及要求 1 电源电压 交流 100V 50Hz 2 输出功 率 500W 3 移相范围 0 180 在进行实物制作时 完成了控制电路的制作 即实现了题目中的移相范围 0 180 方案设计与仿真分析所得的电路与仿真结果 在实际制作时需要不断进行调 整才能真正运行 26 第五章第五章 心得体会与建议心得体会与建议 此次课程设计的课题是 单相半控桥式整流电路的设计 纯电阻负载 我 们的主要任务是对其触发电路进行设计和制作 然后连接主电路进行试验 这次 课设我们遇到了不少的问题和困难 但在老师的指导下 我们一一突破 顺利将 课题完成 下面对这次课程设计进行自我总结 1 对示波器的运用不够熟悉 在对电路进行检测的时候我发现自己对总是 要花费很长的时间才能将示波器中的波形调稳定 说