單相雙半波晶閘管整流電路設(shè)計(純電阻負(fù)載)

.1 單相雙半波晶閘管整流電路供電方案的選擇1.1 單相橋式全控整流電路此電路對每個導(dǎo)電回路進行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個半周電流方向相反且波形對稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率也高。并且單相橋式全控整流電路具有輸出電流脈動小，功率因素高的特點。但是，電路中需要四只晶閘管，且觸發(fā)電路要分時觸發(fā)一對晶閘管，電路復(fù)雜，兩兩晶閘管導(dǎo)通的時間差用分立元件電路難以控制。1.2 單相雙半波可控整流電路單相雙半波可控整流電路又稱單相全波可控整流電路。此電路變壓器是帶中心抽頭的，在u2正半周T1工作，變壓器二次繞組上半部分流過電流。u2負(fù)半周，VT2工作，變壓器二次繞組下半部分流過反方向的電流。單相全波可控整流電路的U d波形與單相全控橋的一樣，交流輸入端電流波形一樣，變壓器也不存在直流磁化的問題。當(dāng)接其他負(fù)載時，也有相同的結(jié)論。因此，單相全波與單相全控橋從直流輸入端或者從交流輸入端看均是一致的。適用于輸出低壓的場合作電流脈沖大（電阻性負(fù)載時）。在比較兩者的電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點以后決定選用單相全波可控整流電路作為主電路。具體供電方案電源電壓：交流100V/ 50Hz1.3 變壓器相關(guān)參數(shù)的計算電源電壓交流100/ 50Hz ，輸出功率：500W，移相范圍：0 -180。設(shè)R=1.25 , =0P=Ud/R U d =25V變壓器一 、二次側(cè)電流P=IdR Id=20A U1/Ud=100/25 N1/N2=4/1 I1=Id/4=5 A變壓器容量S=U1i1=1005=0.5kVA 變壓器型號的選擇N1:N2=4：1 S=0.5kVA2 單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計2.1 主電路原理框圖及原理圖系統(tǒng)原理方框圖如圖所示：該電路主要由四部分構(gòu)成，分別為電源，過電保護電路，整流電路和觸發(fā)電路構(gòu)成。輸入的信號經(jīng)變壓器變壓后通過過電保護電路，保證電路出現(xiàn)過載或短路故障時，不至于傷害到晶閘管和負(fù)載。在電路中還加了防雷擊的保護電路。然后將經(jīng)變壓和保護后的信號輸入整流電路中。整流電路中的晶閘管在觸發(fā)信號的作用下動作，以發(fā)揮整流電路的整流作用。在電路中,過電保護部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護,而過壓保護則采用RC電路。這部分的選擇主要考慮到電路的簡單性，所以才這樣的保護電路部分。整流部分電路則是根據(jù)題目的要求，我們選擇學(xué)過的單相全波整流電路。該電路的結(jié)構(gòu)和工作原理是利用晶閘管的開關(guān)特性實現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ?。觸發(fā)電路是由設(shè)計題目而定的，題目要求了用單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路。單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路的移相范圍變化較大，而且由于是直接觸發(fā)電路它的結(jié)構(gòu)比較簡單。一方面是方便我們對設(shè)計電路中變壓器型號的選擇。系統(tǒng)原理圖如圖所示：由原理圖得相應(yīng)的波形圖如下：波形圖根據(jù)圖中(b)可知，單相全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出電壓相同。 (1) 輸出平均電壓為： （1-1）(2)流過負(fù)載的平均電流為： （1-2）(3)二極管所承受的最大反向電壓為： （1-3）(4)單相全波整流電路的脈動系數(shù)s與單相橋式整流電路相同： （1-4）在單相全波整流電路的變壓器中，只有交流電流流過;而在半波和橋式整流電路中，均有直流分量流過。單相全波整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和橋式整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源中。 2.2 相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求： 觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路：由單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸發(fā)電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強、溫度補償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應(yīng)用。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如圖5.0所示。2.3 相控觸發(fā)芯片的選擇 相控觸發(fā)電路芯片選擇KJ004集成觸發(fā)電路芯片構(gòu)成的集成觸發(fā)器KJ004可控硅移相電路可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中,作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。器件輸出兩路相差180度的移相脈沖,可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低,有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點。3 電路元件的選擇整流元件的選擇由于單相雙半波整流帶阻性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。3.1 晶閘管工作原理晶閘管由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個電極，如圖3.0(左)所示。由于具有擴散工藝，具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可以等效成如圖3.0（右）所示的兩個晶閘管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。圖3.0 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路一個PNPN四層結(jié)構(gòu)的兩端器件，可以看成電流放大系數(shù)分別為和的和晶體管，其中結(jié)為共用集電結(jié)。當(dāng)器件加正向電壓時。正偏結(jié)注入空穴經(jīng)過區(qū)的輸運，到達集電極結(jié)（）空穴電流為；而正偏的結(jié)注入電子，經(jīng)過區(qū)的輸運到達結(jié)的電流為。由于結(jié)處于反向，通過結(jié)的電流還包括自身的反向飽和電流。晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷兩個狀態(tài)是由陽極電壓、陽極電流和門極電流共同決定的。通常用伏安特性曲線來描述它們之間的關(guān)系，如圖6.3所示。圖3.1 晶閘管的伏安特性曲線當(dāng)晶閘管加正向電壓時，和正偏，反偏，外加電壓幾乎全部降落在結(jié)上，結(jié)起到阻斷電流的作用。隨著的增大，只要，通過陽極電流都很小，因而稱此區(qū)域為正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)增大超過以后，陽極電流突然增大，特性曲線過負(fù)阻過程瞬間變到低電壓、大電流狀態(tài)。晶閘管流過由負(fù)載決定的通態(tài)電流，器件壓降為1V左右，特性曲線CD段對應(yīng)的狀態(tài)稱為導(dǎo)通狀態(tài)。通常將及其所對應(yīng)的稱之為正向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。晶閘管導(dǎo)通后能自身維持同態(tài)，從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)，通常是不用門極信號而是由外部電路控制，即只有當(dāng)電流小到稱為維持電流的某一臨界值以下，器件才能被關(guān)斷。當(dāng)晶閘管處于斷態(tài)（）時，如果使得門極相對于陰極為正，給門極通以電流，那么晶閘管將在較低的電壓下轉(zhuǎn)折導(dǎo)通。轉(zhuǎn)折電壓以及轉(zhuǎn)電流都是的函數(shù)，越大，越小。如圖3所示，晶閘管一旦導(dǎo)通后，即使去除門極信號，器件仍然然導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管的陽極相對于陰極為負(fù)，只要，很小，且與基本無關(guān)。但反向電壓很大時（），通過晶閘管的反向漏電流急劇增大，表現(xiàn)出晶閘管擊穿，因此稱為反向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。3.2 整流元件中電壓、電流最大值的計算晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UNVT （1） 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的峰值電壓。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM 反向重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通常取UDRM和URRM中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓要留有一定裕量，應(yīng)為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 UNVT （23）2U2 （3-1） UNVT ：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓 UNVT =(2-3)2U2=（141.4-212.1）V （3-2）通過晶閘管的電流的平均值IvT(AV) 額定電流INVT Ivt(AV)=Id/2=10A （3-3）Im=IVt(AV)=31.4A （3-4）3.3 整流元件型號的選擇晶閘管的選擇原則：1 所選晶閘管電流有效值IVT大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。2 選擇時考慮（1.52）倍的安全裕量。即/1.57=（19.1-25.5）A （3-5） INVT =20A 則晶閘管的額定電流為INVT=20A.在本次設(shè)計中選用2個KP20-2的晶閘管.4 保護元件的選擇4.1 變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護措施。在選擇快熔時應(yīng)考慮：1 電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。2 電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。快熔一般與電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。3 快熔的值應(yīng)小于被保護器件的允許值、4 為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性。因為晶閘管的額定電流為20A,快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為30A。4.2 晶閘管保護電路的選擇1 過電流保護當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負(fù)載過載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變失敗；以及交流電源電壓過高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必須對電力電子裝置進行適當(dāng)?shù)倪^電流保護。2 過電壓保護設(shè)備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設(shè)備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。因此，必須對電力電子裝置進行適當(dāng)?shù)倪^電壓保護。4.3 保護電路原理圖及工作原理圖4.0 過流、過電壓保護電路晶閘管的保護電路，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護電路，檢測設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。5 MATLAB仿真5.1 MATLAB簡介 MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面。接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。5.2 MATLAB仿真圖如圖5-1所示圖5-1 仿真原理圖5.3 結(jié)果及分析1）當(dāng)a= 時，仿真波形如下所示：分析：由公式得理論值：Ud=22.5VId=Ud/R=22.5/1.25=18A，而由波形所得測量值的幅值ud=24.5V,代入上公式的Ud=22.3V,誤差百分?jǐn)?shù)：U%=(22.5-22.3)/22.5=0.89% 誤差分析：可能是在波形上讀數(shù)時有誤差或是圖中其他元器件的影響而出現(xiàn)了誤差。2）當(dāng)a= 時，仿真波形如下所示：分析：由公式得理論值：Ud=19.21V，Id=Ud/R=19.21/1.25=15.36A,而由波形所得測量值的幅值ud=25V,代入上公式的Ud=19.21V，誤差百分?jǐn)?shù)：U%=(19.21-19.21)/19.21=0,誤差分析：數(shù)值上沒誤差，但波形圖不是突變的，可能是誤差或是圖中其他元器件帶感性的影響而出現(xiàn)了誤差。3）當(dāng)a= 時，仿真波形如下所示：分析：由公式得理論值：Ud=11.25V，Id=Ud/R=11.25/1.25=9A,而由波形所得測量值的幅值ud=23V,代入上公式的Ud=10.35V,誤差百分?jǐn)?shù)：U%=(11.25-10.35)/11.25=8%誤差分析：可能是在波形上讀數(shù)時有誤差或是圖中其他元器件的影響而出現(xiàn)了誤差。4）當(dāng)a= 時，仿真波形如下所示：分析：由公式得理論值：Ud=1.50V，Id=Ud/R=1.50/1.25=1.2A,而由波形所得測量值的幅值ud=8V,代入上公式的Ud=1.4V,誤差百分?jǐn)?shù)：U%=(1.5-1.3)/1.5=6%誤差分析：可能是在波形上讀數(shù)時有誤差或是圖中其他元器件的影響而出現(xiàn)了誤差總結(jié)：通過這次選擇對單相雙半波整流電路的設(shè)計，使我加深了對整流電路的理解，同時也提高了我的動手能力。 當(dāng)我們設(shè)計一個電路時，首先應(yīng)該要了解相關(guān)的理論知識，這樣才能設(shè)計出更好的電路。在整流電路設(shè)計中，我們需要首先選擇好開關(guān)器件的選擇和觸發(fā)電路，因為這對整個設(shè)計很重要，是我們設(shè)計好這個電路的關(guān)鍵。開關(guān)器件和觸發(fā)電路選擇好了，對整流電路的性能指標(biāo)影響很大。 在這次課程設(shè)計過程中，也碰到了一些難題，像晶閘管的選擇及相關(guān)參數(shù)的計算，由于在平時沒特別注意這一方面，所以對晶閘管不是特別理解。在整個課程設(shè)計中貫穿的計算過程沒能很好的把握。但在同學(xué)之間的相互