單相全控橋式晶閘管整流電路的設計(純電阻負載)-課程設計

1、學 號：課程設計題 目學 院專 業(yè)班 級姓 名指導教師2012年12月29日理工大學電力電子技術課程設計說明書課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級：指導教師： 工作單位：題 目: 初始條件：（四）單相全控橋式晶閘管整流電路的設計（純電阻負載） 設計條件：1、電源電壓：交流220V/50Hz2、輸出功率：1000W3、移相范圍0º180º要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、根據(jù)課程設計題目，收集相關資料、設計主電路、控制電路；2、用MATLAB/Simulink對設計的電路進行仿真；3、撰寫課程設計報告畫出主電路、控制

2、電路原理圖，說明主電路的工作原理、選擇元器件參數(shù)，說明控制電路的工作原理、繪出主電路典型波形，繪出觸發(fā)信號（驅動信號）波形，并給出仿真波形，說明仿真過程中遇到的問題和解決問題的方法，附參考資料；4、通過答辯。時間安排：2012.12.24-12.29指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日摘要此次電力電子課程設計，主要是運用MATLAB的simulink仿真功能進行電路仿真設計。首先，通過查閱資料，找到解決辦法。由于所選的電路，在課堂上老師已經(jīng)對其進行過講解，所以，實踐也還是比較順利。依據(jù)課本中學過的理論知識，根據(jù)題目所給的設計要求，進行參數(shù)計算。由于課本上有關于參數(shù)計

3、算的公式，因此參數(shù)設計的過程還算比較容易。理論計算完畢，接下來就是仿真過程了，通過調(diào)用simulink庫中已有元件，連接成仿真電路，由于simulink中有觸發(fā)脈沖，因此免去了觸發(fā)電路的設計，這使得課程設計大大簡化。關鍵詞：電力電子課設，參數(shù)設計，simulink，仿真目錄課程設計任務書I摘要II1單相橋式全控整流電路帶電阻負載理論簡介31.1單相橋式全控整流電路帶電阻負載工作過程簡介31.2單相橋式全控整流電路帶電阻負載工作原理31.3與此次課設相關的部分計算公式32電路設計32.1主電路設計32.2驅動電路設計32.2.1觸發(fā)電路TCA785簡介32.2.2 TCA785的設計特點32.2

4、.3 TCA785的極限參數(shù)32.2.4 TCA785鋸齒波移相觸發(fā)電路32.3保護電路設計32.3.1過電流保護32.3.2電流上升率di/dt的抑制32.3.3電壓上升率du/dt的抑制33運用simulink對電路進行仿真33.1單相橋式全控整流仿真電路圖設計33.2仿真模塊參數(shù)設置33.3仿真輸出圖形34小結與體會35參考文獻318單相全控橋式晶閘管整流電路的設計（純電阻負載）1單相橋式全控整流電路帶電阻負載理論簡介1.1單相橋式全控整流電路帶電阻負載工作過程簡介單相全控橋式整流帶電阻負載電路如圖1所示。圖1 單相全控橋式整流電路在單項橋式全控整流電路中，晶閘管VT1和VT4組成一對橋

5、臂，VT2和VT3 組成另一對橋臂。在u2正半周（即a點電位高于b點電位），若4個晶閘管均不導通，負載電流id為零，ud也為零，VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u2，設VT1和VT4的漏電阻相等，則各承受u2的一半。若在觸發(fā)角處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1、VT4即導通，電流從a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端。當u2為零時，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關斷。 在u2負半周，仍在觸發(fā)延遲角處觸發(fā)VT2和VT3（VT2和VT3的=0處為t=），VT2和VT3導通，電流從電源的b端流出，經(jīng)VT3、R、VT2流回電源a端。到u2過零時，電流又降為零，VT2和VT3關斷。此后又是VT1和

6、VT4導通，如此循環(huán)的工作下去，整流電壓ud和晶閘管VT1、VT4兩端的電壓波形如下圖（2）所示。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為2和U2。由于在整流電路的正負半周都有整流輸出電流流過負載，故該電路為全波整流。在U2一個周期內(nèi)，整流電壓波形脈動兩次，脈動次數(shù)多于半波整流電路，故該電路屬于雙脈波整流電路。變壓器二次繞組中，正負兩個半周電流方向相反且波形對稱，平均值為零，及直流分量為零，如圖2所示，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器繞組利用率較高。1.2單相橋式全控整流電路帶電阻負載工作原理單相橋式全控整流電路帶電阻負載工作波形如圖2所示。圖2 單相橋式全控整流電路帶電阻負載工作波形第1階段

7、（0t1）：這階段u2在正半周期，a點電位高于b點電位晶閘管VT1和VT2方向串聯(lián)后于u2連接，VT1承受正向電壓為u2/2，VT2承受u2/2的反向電壓；同樣VT3和VT4反向串聯(lián)后與u2連接，VT3承受u2/2的正向電壓，VT4承受u2/2的反向電壓。雖然VT1和VT3受正向電壓，但是尚未觸發(fā)導通，負載沒有電流通過，所以Ud=0，id=0。 第2階段（t1 ）：在t1 時同時觸發(fā)VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向電壓而導通，有電流經(jīng)a點VT1RVT3變壓器b點形成回路。在這段區(qū)間里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。由于VT1和VT3導通，忽略管壓降，uVT1=uVT2

8、=0，而承受的電壓為uVT2=uVT4=u2。 第3階段（t2 ）：從t=開始u2進入了負半周期，b點電位高于a點電位，VT1和VT3由于受反向電壓而關斷，這時VT1VT4都不導通，各晶閘管承受u2/2的電壓，但VT1和VT3承受的事反向電壓，VT2和VT4承受的是正向電壓，負載沒有電流通過，ud=0，id=i2=0。 第4階段（t2 ）：在t2 時，u2電壓為負，VT2和VT4受正向電壓，觸發(fā)VT2和VT4導通，有電流經(jīng)過b點VT2RVT4a點，在這段區(qū)間里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。由于VT2和VT4導通，VT2和VT4承受u2的負半周期電壓，至此一個周期工作完

9、畢，下一個周期，充復上述過程，單項橋式整流電路兩次脈沖間隔為180°。1.3與此次課設相關的部分計算公式整流電壓的平均值：(1)=0時，0.9U2。180.時，?？梢?，角的移相范圍為180.。向負載輸出的直流電流平均值為：(2)晶閘管VT1、VT4和 VT2、VT3輪流導電，流過晶閘管的平均電流只有輸出直流電流平均值的一半，即：(3)負載兩端電壓的有效值為： U (4)為選擇晶閘管、變壓器容量、導線截面積等額定值，需要考慮發(fā)熱問題，為此需要計算電流有效值。流過晶閘管的電流有效值為： (5)變壓器二次電流有效值I2與輸出直流電流有效值I相等，為： (6)2電路設計2.1主電路設計題目所

10、給參數(shù)要求：功率1000W，電壓220V由 得到：流過負載的電流有效值為=4.5A (7) 負載的功率等于負載兩端的電壓有效值與流過負載電流的有效值的乘積：=(8)當=0時，電阻R取得最大值，此時，（8）式可改寫為： (9)由（9）式得：=48.4 (10)由（5）式來計算流過晶閘管電流的有效值： (11)由流過晶閘管電流的有效值來確定晶閘管的額定電流：（12）加在晶閘管兩端的電壓最大值為，取2倍的安全余量：（13）2.2驅動電路設計電力電子器件的驅動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用良好的性能的驅動電路?？梢允闺娏﹄娮?/p>

11、器件工作在比較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，對裝置的運行效率，可靠性和安全性都有很大的意義。對于相控電路這樣使用晶閘管的場合，在晶閘管陽極加上正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上觸發(fā)電壓，晶閘管才能從截止轉變?yōu)閷?，習慣上稱為觸發(fā)控制。提供這個觸發(fā)電壓的電路稱為晶閘管的觸發(fā)電路。它決定每一個晶閘管的觸發(fā)導通時刻，是晶閘管裝置中不可缺少的一個重要組成部分。晶閘管相控整流電路，通過控制觸發(fā)角的大小即控制觸發(fā)脈沖起始位來控制輸出電壓的大小，為保證相控電路的正常工作，很重要的一點是應保證觸發(fā)角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。2.2.1觸發(fā)電路TCA785簡介此處，驅動電路采用了

12、德國西門子公司的集成觸發(fā)電路TCA789，其管腳圖如圖3所示。圖3 TCA789管腳圖各引腳的名稱、功能及用法如下：  引腳16(VS)：電源端。使用中直接接用戶為該集成電路工作提供的工作電源正端。  引腳1(OS)：接地端。應用中與直流電源VS、同步電壓VSYNC及移相控制信號V11的地端相連接。  引腳4(Q1)和2(Q2)：輸出脈沖1與2的非端。該兩端可輸出寬度變化的脈沖信號，其相位互差180°，兩路脈沖的寬度均受非脈沖寬度控制端引腳13(L)的控制。它們的高電平最高幅值為電源電壓VS，允許最大負載電流為10mA。若該

13、兩端輸出脈沖在系統(tǒng)中不用時，電路自身結構允許其開路。  引腳14(Q1)和15(Q2)：輸出脈沖1和2端。該兩端也可輸出寬度變化的脈沖，相位同樣互差180°，脈沖寬度受它們的脈寬控制端引腳12(C12)的控制。兩路脈沖輸出高電平的最高幅值為5VS。  引腳13(L)：非輸出脈沖寬度控制端。該端允許施加電平的范圍為-0.5V5VS，當該端接地時，Q1、Q2為最寬脈沖輸出，而當該端接電源電壓VS時，Q1、Q2為最窄脈沖輸出。  引腳12(C12)：輸出Q1、Q2脈寬控制端。應用中，通過一電容接地，電容C12的電容量范圍為1504

14、700pF，當C12在1501000pF范圍內(nèi)變化時，Q1、Q2輸出脈沖的寬度亦在變化，該兩端輸出窄脈沖的最窄寬度為100s，而輸出寬脈沖的最寬寬度為2000s。引腳11(V11)：輸出脈沖Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流電壓輸入端。應用中，通過輸入電阻接用戶控制電路輸出，當TCA785工作于50Hz，且自身工作電源電壓Vs為15V時，則該電阻的典型值為15k，移相控制電壓V11的有效范圍為0.2VVs-2V，當其在此范圍內(nèi)連續(xù)變化時，輸出脈沖Q1、Q2及Q1，Q2的相位便在整個移相范圍內(nèi)變化，其觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻為：trr=(V11R9C10)/(VREFK)式中 R9、C10、VREF分

15、別為連接到TCA785引腳9的電阻、引腳10的電容及引腳8輸出的基準電壓；K常數(shù)。  為降低干擾，應用中引腳11通過0.1F的電容接地，通過2.2F的電容接正電源。  引腳10(C10)：外接鋸齒波電容連接端。C10的實用范圍為500pF1F。該電容的最小充電電流為10A。最大充電電流為1mA，它的大小受連接于引腳9的電阻R9控制，C11兩端鋸齒波的最高峰值為VS-2V，其典型后沿下降時間為80s。  引腳9(R9)：鋸齒波電阻連接端。該端的電阻R9決定著C10的充電電流，其充電電流可按下式計算：I10=VREFK/R9 &

16、#160;連接于引腳9的電阻亦決定了引腳10鋸齒波電壓幅度的高低，鋸齒波幅值為： V10=VREFK/(R9C10) ，電阻R9的應用范圍為3300k。  引腳8(VREF)：TCA785自身輸出的高穩(wěn)定基準電壓端。負載能力為驅動10塊CMOS集成電路，隨著TCA785應用的工作電源電壓VS及其輸出脈沖頻率的不同，VREF的變化范圍為2.83.4V，當TCA785應用的工作電源電壓為15V，輸出脈沖頻率為50Hz時，VREF的典型值為3.1V，如用戶電路中不需要應用VREF，則該端可以開路。  引腳7(QZ)和3(QV)：TCA785輸出的兩個邏輯脈沖信

17、號端。其高電平脈沖幅值最大為VS-2V，高電平最大負載能力為10mA。QZ為窄脈沖信號，它的頻率為輸出脈沖Q2與Q1或Q1與Q2的兩倍，是Q1與Q2或Q1與Q2的或信號，QV為寬脈沖信號，它的寬度為移相控制角+180°，它與Q1、Q2或Q1、Q2同步，頻率與Q1、Q2或Q1、Q2相同，該兩邏輯脈沖信號可用來提供給用戶的控制電路作為同步信號或其它用途的信號，不用時可開路。  引腳6(I)：脈沖信號禁止端。該端的作用是封鎖Q1、Q2及Q1、Q2的輸出脈沖，該端通常通過阻值10k的電阻接地或接正電源，允許施加的電壓范圍為-0.5VVS，當該端通過電阻接地，且該端電壓低于

18、2.5V時，則封鎖功能起作用，輸出脈沖被封鎖。而該端通過電阻接正電源，且該端電壓高于4V時，則封鎖功能不起作用。該端允許低電平最大灌電流為0.2mA，高電平最大拉電流為0.8mA。引腳5(VSYNC)：同步電壓輸入端。應用中需對地端接兩個正反向并聯(lián)的限幅二極管，該端吸取的電流為20200A，隨著該端與同步電源之間所接的電阻阻值的不同，同步電壓可以取不同的值，當所接電阻為200k時，同步電壓可直接取AC220V。2.2.2TCA785的設計特點TCA785的基本設計特點有：能可靠地對同步交流電源的過零點進行識別，因而可方便地用作過零觸發(fā)而構成零點開關；它具有寬的應用范圍，可用來觸發(fā)普通晶閘管、快

19、速晶閘管、雙向晶閘管及作為功率晶體管的控制脈沖，故可用于由這些電力電子器件組成的單管斬波、單相半波、半控橋、全控橋或三相半控、全控整流電路及單相或三相逆變系統(tǒng)或其它拓撲結構電路的變流系統(tǒng)；它的輸入、輸出與CMOS及TTL電平兼容，具有較寬的應用電壓范圍和較大的負載驅動能力，每路可直接輸出250mA的驅動電流；其電路結構決定了自身鋸齒波電壓的范圍較寬，對環(huán)境溫度的適應性較強，可應用于較寬的環(huán)境溫度范圍(-25+85°C)和工作電源電壓范圍(-0.5+18V)。2.2.3TCA785的極限參數(shù)電源電壓：+818V或±49V；移相電壓范圍：0.2VVS-2V;輸出脈沖最大寬度：1

20、80°；最高工作頻率：10500Hz；高電平脈沖負載電流：400mA；低電平允許最大灌電流：250mA；輸出脈沖高、低電平幅值分別為VS和0.3V；同步電壓隨限流電阻不同可為任意值；極限工作頻率：10500Hz；工作溫度范圍：工業(yè)品 -25+85。2.2.4TCA785鋸齒波移相觸發(fā)電路由于TCA785自身的優(yōu)良性能，決定了它可以方便地用于主電路為單個晶閘管或晶體管，單相半控橋、全控橋和三相半控橋、全控橋及其它主電路形式的電力電子設備中觸發(fā)晶閘管或晶體管，進而實現(xiàn)用戶需要的整流、調(diào)壓、交直流調(diào)速、及直流輸電等目的。西門子TCA785觸發(fā)電路，它對零點的識別可靠，輸出脈沖的齊整度好，移

21、相范圍寬；同時它輸出脈沖的寬度可人為自由調(diào)節(jié)。西門子TCA785外圍電路如圖4所示。 圖4 TCA785鋸齒波移相觸發(fā)電路原理圖2.3保護電路設計電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓、過電流、du/dt保護和di/dt保護也是必要的。2.3.1過電流保護快速熔斷器的斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側、交流側和直接與晶閘管串聯(lián)。 接阻感負載的單相全控橋電路，通過晶閘管的有效值選取RLS-4快速熔斷器，熔體額定電流4A。2.3.2電流上升率di/dt的抑制晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域

22、，局部電流密很大，然后以0.1mm/s的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，若晶閘管開通時電流上升率di/dt過大，會導致PN結擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如圖5所示：圖5 電感抑制電路2.3.3電壓上升率du/dt的抑制加在晶閘管上的正向電壓上升率du/dt也應有所限制,如果du/dt過大，由于晶閘管結電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴重時引起晶閘管誤導通。為抑制du/dt的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。如圖6所示：圖6 阻容吸收電路3運用simulin

23、k對電路進行仿真3.1單相橋式全控整流仿真電路圖設計電阻負載的單相橋式全控整流仿真電路圖如圖7所示。在示波器的五個波形中，第一個的波形表示的是晶閘管VT1的電流ivt1，第二個是晶閘管VT1的電壓uvt1，第三個表示的是負載電阻上的電流id， 第四個表示的是二次側繞組的電流i2，第五個是負載電阻上的電壓ud。下面將分析延遲角分別為0°、30°、60°、90°、150°時的波形變化。圖7 電阻負載的單相橋式全控整流仿真電路圖3.2仿真模塊參數(shù)設置1. 交流電源參數(shù)設置圖8 交流電源參數(shù)設置 圖8 交流電源的設置對交流電，電壓“Peak ampli

24、tude”為峰值，設為311V，“Phase”為0d，其頻率“Frequency”設置為50Hz，周期T=1/f=1/50=0.02s。2. 脈沖信號發(fā)生器參數(shù)設置圖9 脈沖信號發(fā)生器參數(shù)設置“pulse type”設置為Time based，“Time”設置為Use simulation time，“Amplitude”設置為1.0，“Period”設置為0.02，“Pulse Width”設置為10，Pulse 參數(shù)對話框，其中相位延遲Phase delay的設置，按關系t=T/360°計算。對交流電T=0.02s，pulse2的相位比pulse1延遲0.01s。具體設置如表1所

25、示。表1 脈沖信號相位延遲參數(shù)設置Pulse1(s)Pulse2(s)000.01300.001670.01167600.003330.01333900.0050.0151500.008330.018331800.010.023. 電流表參數(shù)設置圖10電流測量參數(shù)設置“Output signal”設置為complex。4. 電壓表參數(shù)設置圖11 電壓測量“Output signal”設置為complex。5. 晶閘管參數(shù)設置晶閘管參數(shù)按默認設置3.3仿真輸出圖形1 =0°時的仿真輸出波形如圖12所示。圖12=0°時的仿真輸出波形如圖2 =30°時的仿真輸出波形如圖

26、13所示。圖13 =30°時的仿真輸出波形如圖3 =60°時的仿真輸出波形如圖14所示。圖14 =60°時的仿真輸出波形如圖4 =90°時的仿真輸出波形如圖15所示。圖15=90°時的仿真輸出波形如圖5 =150°時的仿真輸出波形如圖16所示。圖16=150°時的仿真輸出波形如圖6 =180°時的仿真輸出波形如圖17所示。圖17 =180°時的仿真輸出波形如圖由仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，當輸入交流電壓為220V，50Hz時，觸發(fā)角可以在0º到180º變化，且隨著的增大，輸出電壓的平均值Ud逐漸降低，當=180º時，Ud降為了零。在=0º時，由仿真輸出電壓波形可以求得此時輸出電壓的有效值U=220V，此時的輸出功率達到最大