单相桥式全控整流电路设计

1、电子技术课程设计说明书单相桥式全控整流电路设计学生姓名： 学号：学院：计算机与控制工程学院-专业：电气工程及其自动化-指导教师：李静 李郁峰-2016年 1 月目 录1引言 11.1整流电路 11.2整流电路的发展与应用 12 课程设计目的与要求12.1课程设计目的12.2课程设计的预备知识22.3 课程设计要求23元器件的选择23.1晶闸管23.1.1晶闸管的结构23.1.2晶闸管的工作原理图23.1.3晶闸管的门极触发条件33.1.4晶闸管的主要参数说明33.2 可关断晶闸管44电路的结构与工作原理54.1电路结构54.2 工作原理54.3基本数量关

2、系55 MATLAB仿真65.1 MATLAB软件介绍65.2 系统建模与参数设置65.2.1 仿真图形65.2.2模型参数设置75.3 仿真结果与分析86 结论9参考文献9致 谢9I1引言 1.1整流电路 整流电路是电力电子中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。大多数整流电路由变压器.整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速,发电机的励磁调节,电解,电镀等领域得到广泛应用。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。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中交流成分。变压器设置与否是具体情况而定。变压器的作用是实现

3、交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。可以从各种角度对整流电路进行分类，主要的分类方法有：按组成的期间可分为不可控，半控，全控三种；按电路的结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入详述分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧的方向是单向还是双向，又可分为单拍电路和双拍电路。 1.2整流电路的发展与应用 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。1947年美国贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命；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

4、器件发展迅速，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，电力电子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。2 课程设计目的与要求2.1课程设计目的“电力电子技术”课程设计是在教学及

5、实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。因此，通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：（1）培养综合应用所学知识，并设计出具有电压可调功能的直流电源系统的能力；（2）较全面地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。2.2课程设计的预备知识熟悉电力电子技术课程、电机学课程的相关知识。2.3 课程设计要求1、单相桥式全控整流的设计要求为： 1.电源电压：交流100V/50Hz2.输出功率：500W3.触发角4.反电势、电阻负载，E=75V根据课程设计题目和设计条件

6、，说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。3元器件的选择3.1晶闸管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。3.1.1晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。引出阳极

7、A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。内部结构:四层三个结如图2.23.1.2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1.2(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2.3（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2.1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)模块外形图2.2 晶闸管的内部结构和等效电路3.1.3晶闸管

8、的门极触发条件（1） 晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通； （2）晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；（3）晶闸管一旦导通门极就失去控制作用；（4）要使晶闸管关断，只能使其电流小到零以下。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。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。3.1.4晶闸管的主要参数说明1、额定电压通常取和中较小的，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，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍

9、，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 =（23）：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 2、额定电流又称为额定通态平均电流。其定义是在室温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。：额定电流有效值，根据管子的 换算出， 、 三者之间的关系： (5-2-1)(5-2-2)3.2 可关断晶闸管可关断晶闸管简称GTO可关断晶闸管的工作原理：图3.1GTO的结构、等效电路和图形符号GTO的导通机理与SCR是完全一样的。 GTO

10、一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。 GTO在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。4电路的结构与工作原理4.1电路结构图 4.1 单相桥式全控整流电路(反电势负载)的电路原理图图 4.2 单相桥式全控整流电路(反电势负载)的电路波形4.2 工作原理当整流电压的瞬时值小于反电势E 时，晶闸管承受反压而关断，这使得晶闸管导通角减小。晶闸管导通时，晶闸管关断时，。与电阻负载相比晶

11、闸管提前了电角度停止导电，称作停止导电角。 若<时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟，即=。4.3基本数量关系a.直流输出电压平均值b.输出电流平均值C.流过晶闸管电流有效值整流输出电流有效值：因为P=500W，E=75V，则，所以R=14输出平均电流： 1.79A流过晶闸管的电流平均值：0.89A5 MATLAB仿真5.1 MATLAB软件介绍本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有

12、两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。5.2 系统建模与参数设置5.2.1 仿真图形图 5.1单相桥式全控整流电路(反电势负载)的MATLAB仿真模型5.2.2模型参数设置在此电路中，输入电压的电压设置为100V，频率设置为50Hz，电阻阻值设置为14欧姆，脉冲输入的周期设置为0.02（与输入电压一致周期），触发角分别设置为30°，因为两个晶闸管在对应时刻不断地周期性交替导通，关断，所以脉冲出发周

13、期应相差180°。a.交流电源参数图5.2交流电压源参数设置b.同步脉冲信号发生器参数图5.3触发角为30°时，触发信号参数设置图5.4触发角为210°时，触发信号参数设置c.负载上的参数设置R=10，反电动势U=75Vd.示波器参数示波器八个通道信号从上到下依次是：1.电源电压；2.输入电流；3.触发信号1； 4.触发信号2；5.晶闸管电压；6.流过晶闸管；7.电流负载电流；8.负载两端的电压。5.3 仿真结果与分析图 5.5单相桥式全控整流电路仿真结果(反电势负载)当我们在电阻性负载上面再加一个反电势时，电路中当电枢电感不足够大时，输出电流波形断续，使晶闸管-

14、电动势系统的机械性变软，为此通常在负载回路串接平波电抗器以减小电流脉动，延长晶闸管导通时间，如果电感足够大，电流就能连续。单相全控桥式整流电路主要适用于4KW左右的整流电路，与单相半波可控整流电路相比，整流电压脉动减小，每周期脉动俩次。变压器二次侧流过正反俩个方向的电流，不存在直流磁化，利用率高。6 结论当晶闸管导通时，输出端电压仍是100v，当电流断续，晶闸管阻断时，输出端电压即为反电势电压，因为输出平均电压比电阻负载时高，其输出平均电压为83.97v。经计算得d=，根据设计要求，不满足>d，即晶闸管不可以正常触发导通。参考文献1.王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.20092.李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.20053.洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.20064.钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010致 谢在这次课程设计的撰写中，我得到了许多人的帮助。首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次设计的主要原因，更重要的