單相雙半波晶閘管整流電路的設計(阻感負載)

1、電氣工程及其自動化專業(yè)電力電子技術課程設計任務書班級電氣本科1301班學號1310240006姓名張將銀川能源學院2015年12月21日目錄設計任務書3前言41.單相雙半波晶閘管整流電路主電路的設計51.1 晶閘管的結構51.2晶閘管的工作原理51.3 晶閘管的基本特性62總電路的設計72.1 總電路的原理框圖72.2 主電路原理圖72.3 主電路電路參數(shù)的計算83.相控觸發(fā)電路的設計103.1 相控觸發(fā)電路工作原理103.2 相控觸發(fā)芯片的選擇104.保護電路的設計114.1過電流保護電路設計114.2 過電壓保護電路設計115 電路元件的選擇125.1整流元件的選擇125.2保護元件的選擇

2、136.MATLAB軟件的仿真146.1 MTLAB軟件的介紹146.2 系統(tǒng)建模及電路仿真146.3 系統(tǒng)仿真結果的分析157.心得體會16參考文獻17設計任務書一 設計題目： 單相雙半波晶閘管整流電路的設計（阻感負載）二 設計條件： 1. 電源電壓：交流100V/50Hz 2. 輸出功率： 500W 3. 移相范圍： 0°90°三 設計的主要任務：1. 根據(jù)課程設計題目，收集相關資料，并設計出主電路和控制電路；2. 用MATLAB軟件對設計的電路進行仿真；3. 撰寫課程設計報告，并畫出主電路，控制電路的原理圖，說明其工作原理，以及選擇元件參數(shù)，繪制主電路和觸發(fā)電路的波形

3、，并給出仿真波形，對仿真結果進行分析，附參考資料。 前言 電力電子技術通常被分為電力電子器件制造技術和交流技術兩個分支。交流技術也稱為電力電子器件的應用技術，它包括用電力電子器件構成各種電力變換電路和對這些電路進行控制的技術，以及由這些電路構成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術。電力電子技術的應用十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸，電力系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)，新能源系統(tǒng)等，在照明，空調等家用電器及其他領域中也有著廣泛的應用。隨著社會的發(fā)展，時代的進步，電力電子技術的節(jié)能效果也十分顯著，各行各業(yè)都離不開電力電子技術，它已經逐步滲入人們的生活。 在電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能

4、的變換或控制任務的電路被稱為主電路，電力電子器件是指可以直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。廣義上電力電子器件也可分為電真空器件和半導體器件兩類。電力電子器件所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)。因為處理的電功率較大，為了減少本身的損耗，提高效率，電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。在實際應用當中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。 電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度，將電力電子器件分為以下幾類：通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷的電力電子器件被稱為半控型器件，這類器件主要是指晶閘管及其大部分派生器件?？刂菩盘柤瓤梢?/p>

5、控制其導通，又可以控制其關斷的電力電子器件被稱為全控型器件，可以由控制信號控制其關斷。也有不能用控制信號來控制其通斷的電力電子器件，因此也就不需要驅動電路，這就是電力二極管，又稱為不可控器件。 單相雙半波晶閘管整流電路的設計（阻感負載）1.單相雙半波晶閘管整流電路主電路的設計1.1 晶閘管的結構晶閘管是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器。如圖所示為晶閘管的結構和電氣圖形符號。晶閘管內部是PNPN四層半導體結構，分別命名為 四個區(qū)。區(qū)引出陽極A，區(qū)引出陰極K，區(qū)引出門極G。四個區(qū)形成 三個結。如果正向電壓加到器件上，則處于反向偏置狀態(tài)，器件A,K兩端之間處于阻斷狀態(tài)，只能流過很小的漏電流；如果

6、反向電壓加到器件上，則和 反偏，該器件也處于阻斷狀態(tài)，僅有極小的反向漏電流通過。 晶閘管結構圖形符號 晶閘管電氣圖形符號 1.2晶閘管的工作原理 晶閘管導通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋，如圖所示。若在器件上取一傾斜的截面，則晶閘管可以看作由和構成的兩個晶體管 ，組合而成。如果外電路向門極注入電流 ，也就是注入驅動電流，則 流入晶體管 的基極，即產生集電極電流 ，它構成晶體管的基極電流，放大成集電極電流 ，又進一步增大 的基極電流，如此形成強烈的正反饋，最后 和 進入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管導通。此時如果撤掉外電路注入門極的電流 ，晶閘管由于內部已形成了強烈的正反饋會任然維持導通狀態(tài)。而若要

7、使晶閘管關斷，必須去掉陽極所加的正向電壓，或者給陽極施加反壓，或者設法使流過晶閘管的電流降低到接近于零的某一數(shù)值以下，晶閘管才能關斷。所以，對晶閘管的驅動過程更多的是稱為觸發(fā)，產生注入門極的觸發(fā)電流 的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于通過其門極只能控制其開通，不能控制其關斷，晶閘管才被稱為半控型器件。晶閘管的雙晶體管模型 晶閘管的工作原理圖1.3 晶閘管的基本特性 1. 靜態(tài)特性 總結前面介紹的工作原理，可以簡單歸納晶閘管正常工作時的特性如下： (1) 當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。 (2) 當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。

8、 (3) 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通。(4) 若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。2. 動態(tài)特性 晶閘管開通和關斷的動態(tài)過程的物理機理很復雜，其開通過程描述的是使門極在坐標原點時刻開始受到理想階躍電流觸發(fā)的情況。由于晶閘管內部的正反饋過程需要時間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不可能是瞬時的。而關斷過程描述的是對已導通的晶閘管，外電路所加電壓在某一時刻突然由正向變?yōu)榉聪虻那闆r。由于外電路電感的存在，原處于導通狀態(tài)的晶閘管當外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪?/p>

9、時，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程。2總電路的設計2.1 總電路的原理框圖 如圖所示 ， 總電路主要由四部分組成，其中有電源，整流電路，觸發(fā)電路和保護電路。輸入的信號經過變壓器后通過保護電路，保證電路出現(xiàn)過載或短路故障時，不至于損壞晶閘管和負載。將經變壓和保護后的信號輸入整流電路中。另外，選取快速熔斷器做過流保護，用RC電路做過壓保護，從而利用晶閘管的開關特性實現(xiàn)該電路的功能。 總電路的原理框圖2.2 主電路原理圖單向雙半波可控整流電路中變壓器為二次繞組帶中心抽頭，結構較復雜。而且該電路中只用兩個晶閘管，但晶閘管承受的最大電壓為 ，且導電回路中只含一個晶閘管。當負載由電阻和電感組成時稱為

10、阻感負載，由于電感儲能，而且儲能不能突變，因此在電感變化時，電感兩端將產生感應電動勢，引起電壓降。負載中電感量的大小不同，整流電路的工作情況及輸出 的波形具有不同的特點。當負載電感量L較小時，負載上的電流不連續(xù)；當電感L增大時，負載上電流不連續(xù)的可能性就會減小；當電感很大，且 遠大于時，這種負載為大電感負載。此時大電感阻止負載中電流的變化，負載電流連續(xù)時可看作一條水平直線。 主電路原理圖如圖所示，在電源電壓正半周期間，晶閘管 承受正向電壓， 承受反向電壓。若在 t=時觸發(fā)， 導通，電流經 ，阻感負載和T二次側中心抽頭形成回路，但由于大電感的存在，電壓過零變負時，電感上的感應電動勢使繼續(xù)導通，直

11、到被觸發(fā)時，承受反相電壓而截至。在電源電壓負半周期間，晶閘管承受正向電壓，在 時觸發(fā)，導通，反向截至，負載電流從 中換流至中。在 t=2 時,電壓過零，因電感 L 中的感應電動勢一直導通，直到下一個周期導通時。只有當 時，負載電流才連續(xù)，當> 時，負載電流不連續(xù)，而且輸出電壓的平均值接近于零，因此該電路控制角的移相范圍是0。 2.3 主電路電路參數(shù)的計算 (1)在阻感負載下電流連續(xù)，整流輸出電壓的平均值為： = 由設計要求可知：輸出功率P=500W，U2=100V,則輸出電壓平均值的最大值為： =100×0.9×1=90（V）所以，當在0 范圍內變化時，整流器可在04

12、5 V 范圍內取值。(2) 整流電流輸出平均值為： (3)在一個周期內每組晶閘管各導通180度，兩組輪流導通，整流變壓器二次電流是正，負對稱的方波，電流的平均值 和有效值 相等，其波形系數(shù)為1。流過每個晶閘管的電流平均值 與有效值 分別為: (4)晶閘管在導通時管壓降 ,故其波形為與橫軸重合的直線段，和加正向電壓，但觸發(fā)脈沖還沒到時間，已導通，把整個電壓加到或上，則每個元件承受的最大可能的正向電壓等于 ；和反向截止時漏電流為零，只要另一組晶閘管導通，也就把整個電壓加到或上，故兩個晶閘管承受的最大反向電壓也為。 3.相控觸發(fā)電路的設計 3.1 相控觸發(fā)電路工作原理 晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)，過零

13、觸發(fā)和脈沖列調制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產生 的觸發(fā)脈沖要求： （1） 觸發(fā)信號可為直流，交流或脈沖電壓。 （2） 觸發(fā)信號應有足夠的功率。 （3）觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流能迅速上升超過擎住電流而維持導通。（4）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。3.2 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)電路使用于單向，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，可以方便的構成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具有

14、輸出負載能力大，移相性能好，正負半周脈沖相位均衡性好，移相范圍寬，對同步電壓要求低，有脈沖列調制輸出端等功能與特點。 單結晶體管觸發(fā)電路由單結晶體管構成，該觸發(fā)電路具有簡單，可靠，抗干擾能力強，溫度補償性能好，脈沖前沿陡等優(yōu)點，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應用。它由自激震蕩，同步電源，移相，脈沖形成等部分組成相控觸發(fā)電路如圖所示 相控觸發(fā)電路圖4.保護電路的設計 4.1過電流保護電路設計 當電力電子變流裝置內部某些器件被擊穿或短路，驅動觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障，外部出現(xiàn)負載過載；直流側短路，可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產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

15、出現(xiàn)過電流。因此，必須對電力電子裝置進行適當?shù)倪^流保護。 4.2 過電壓保護電路設計 設備在運行過程中，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?shù)倪^壓保護。過流，過壓的保護電路圖如下 過流 過壓保護電路圖5 電路元件的選擇 5.1整流元件的選擇 晶閘管的主要參數(shù)1 電壓定額 (1) 斷態(tài)重復峰值電壓 是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。 (2) 反向重復峰值電壓 是在門極斷路而結溫為額的值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。(3) 通態(tài)(峰值)電壓 是晶閘管通以某一

16、規(guī)定倍數(shù)的額度通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。2 電流定額 (1) 通態(tài)平均電流 晶閘管在環(huán)境溫度為40攝氏度和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 （2）維持電流 是指晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。 （3）擎住電流 是晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流。（4）浪涌電流 是指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。3 動態(tài)參數(shù) （1 開通時間 和關斷時間 （2）斷態(tài)電壓臨界上升率 是指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上升率。（

17、3）通態(tài)電流臨界上升率 是指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 晶閘管的選擇原則：(1) 所選擇的晶閘管電流有效值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=（1.52）負載電流連續(xù)時,整流電壓平均值可按下式計算: 輸出電流波形因電感很大，平波效果很好而呈一條水平線。兩組晶閘管輪流導電，一個周期中各導電180度，且與無關，變壓器二次繞組中電流的波形是對稱的正，負方波。負載電流的平均值和有效值相等，其波形系數(shù)為1.在這種情況下：當時，；當時，,其移相范圍為90度。晶閘管承通常取和中較小的，再取靠近標準的電壓等級作

18、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: （23）2 工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓 :=(2-3)2=（282.8-424.3）額定電流:考慮安全裕量，=2.50A 5.2保護元件的選擇 變壓器二次側熔斷器采用快速熔斷器，這是電力電子裝置中最有效，應用最廣的一種過電流保護措施。在選擇時應考慮以下幾點： （1）電壓等級應根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定； （2）電流容量應按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結形式確定?？烊垡话闩c電力半導體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側交流母線

19、或直流母線中。 （3）快熔的值應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，應考慮其時間電流特性。6.MATLAB軟件的仿真 6. 1 MTLAB軟件的介紹 MATLAB軟件是矩陣實驗室之意，主要用于方便矩陣的存取，其基本元素是無須定義維數(shù)的矩陣。MATLAB是用于算法開發(fā)，數(shù)據(jù)可視化，數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和Simulink兩大部分。 Simulink 是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可以構造出復雜的系統(tǒng)

20、。Simulink具有適應面廣，結構和流程清晰及仿真精細，貼近實際，效率高，靈活等優(yōu)點，Simulink現(xiàn)已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。 6.2 系統(tǒng)建模及電路仿真 最后，利用所建模型和設置的參數(shù)進行仿真，電路仿真圖如下 電路仿真圖電路仿真波形如下：（1） 當=0時，仿真波形如下圖所示（2）當=60時，仿真波形如下圖所示（3）當=90時，仿真波形如下圖所示6.3 系統(tǒng)仿真結果的分析單相雙半波晶閘管整流電路仿真結果如上圖所示，分別為0°，60°，90°時的輸出曲線。通過對上圖中的仿真波形的分析和對比，結合資料中的理論知識，可以看出它非常接近理論分析的波形。7.心得體會通過此次對于單相雙半波晶閘管整流電路的設計，我又從中學到了不少。對于老師曾在課堂上講過的知識又加深了記憶，而且通過實際的操作，我的動手能力也有所提高。與以前相比，可以更好的將理論與實踐相結合，培養(yǎng)把知識運用到實踐中的能力。 但是，在整個設計過程中，我也遇