單相雙半波晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)(阻感負(fù)載)

1、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書班級(jí)電氣本科1301班學(xué)號(hào)1310240006姓名張將銀川能源學(xué)院2015年12月21日目錄設(shè)計(jì)任務(wù)書3前言41.單相雙半波晶閘管整流電路主電路的設(shè)計(jì)51.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(jì)算83.相控觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)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(hù)電路的設(shè)計(jì)114.1過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)114.2 過(guò)電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)115 電路元件的選擇125.1整流元件的選擇125.2保護(hù)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(jié)果的分析157.心得體會(huì)16參考文獻(xiàn)17設(shè)計(jì)任務(wù)書一 設(shè)計(jì)題目： 單相雙半波晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)（阻感負(fù)載）二 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的主要任務(wù)：1. 根據(jù)課程設(shè)計(jì)題目，收集相關(guān)資料，并設(shè)計(jì)出主電路和控制電路；2. 用MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真；3. 撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，并畫出主電路，控制電路的原理圖，說(shuō)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(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，附參考資料。 前言 電力電子技術(shù)通常被分為電力電子器件制造技術(shù)和交流技術(shù)兩個(gè)分支。交流技術(shù)也稱為電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)，它包括用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路和對(duì)這些電路進(jìn)行控制的技術(shù)，以及由這些電路構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。電力電子技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸，電力系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，新能源系統(tǒng)等，在照明，空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展，時(shí)代的進(jìn)步，電力電子技術(shù)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(shù)，它已經(jīng)逐步滲入人們的生活。 在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能

4、的變換或控制任務(wù)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(shí)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(dǎo)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?yàn)樘幚淼碾姽β瘦^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(guān)狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。 電力電子器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，將電力電子器件分為以下幾類：通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)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?hào)既可以

5、控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷的電力電子器件被稱為全控型器件，可以由控制信號(hào)控制其關(guān)斷。也有不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷的電力電子器件，因此也就不需要驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)（阻感負(fù)載）1.單相雙半波晶閘管整流電路主電路的設(shè)計(jì)1.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器。如圖所示為晶閘管的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)。晶閘管內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，分別命名為 四個(gè)區(qū)。區(qū)引出陽(yáng)極A，區(qū)引出陰極K，區(qū)引出門極G。四個(gè)區(qū)形成 三個(gè)結(jié)。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(guò)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(guò)。 晶閘管結(jié)構(gòu)圖形符號(hào) 晶閘管電氣圖形符號(hào) 1.2晶閘管的工作原理 晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來(lái)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(gòu)成的兩個(gè)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(qū)動(dòng)電流，則 流入晶體管 的基極，即產(chǎn)生集電極電流 ，它構(gòu)成晶體管的基極電流，放大成集電極電流 ，又進(jìn)一步增大 的基極電流，如此形成強(qiáng)烈的正反饋，最后 和 進(jìn)入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。此時(shí)如果撤掉外電路注入門極的電流 ，晶閘管由于內(nèi)部已形成了強(qiáng)烈的正反饋會(huì)任然維持導(dǎo)通狀態(tài)。而若要

7、使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽(yáng)極所加的正向電壓，或者給陽(yáng)極施加反壓，或者設(shè)法使流過(guò)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(guān)斷。所以，對(duì)晶閘管的驅(qū)動(dòng)過(guò)程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)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(guò)其門極只能控制其開通，不能控制其關(guān)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(jié)前面介紹的工作原理，可以簡(jiǎn)單歸納晶閘管正常工作時(shí)的特性如下： (1) 當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。 (2) 當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，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(dǎo)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(dǎo)通。(4) 若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。2. 動(dòng)態(tài)特性 晶閘管開通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程的物理機(jī)理很復(fù)雜，其開通過(guò)程描述的是使門極在坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)刻開始受到理想階躍電流觸發(fā)的情況。由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過(guò)程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)的。而關(guān)斷過(guò)程描述的是對(duì)已導(dǎo)通的晶閘管，外電路所加電壓在某一時(shí)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(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪?/p>

9、時(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程。2總電路的設(shè)計(jì)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(hù)電路。輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)變壓器后通過(guò)保護(hù)電路，保證電路出現(xiàn)過(guò)載或短路故障時(shí)，不至于損壞晶閘管和負(fù)載。將經(jīng)變壓和保護(hù)后的信號(hào)輸入整流電路中。另外，選取快速熔斷器做過(guò)流保護(hù)，用RC電路做過(guò)壓保護(hù)，從而利用晶閘管的開關(guān)特性實(shí)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜。而且該電路中只用兩個(gè)晶閘管，但晶閘管承受的最大電壓為 ，且導(dǎo)電回路中只含一個(gè)晶閘管。當(dāng)負(fù)載由電阻和電感組成時(shí)稱為

10、阻感負(fù)載，由于電感儲(chǔ)能，而且儲(chǔ)能不能突變，因此在電感變化時(shí)，電感兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，引起電壓降。負(fù)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(diǎn)。當(dāng)負(fù)載電感量L較小時(shí)，負(fù)載上的電流不連續(xù)；當(dāng)電感L增大時(shí)，負(fù)載上電流不連續(xù)的可能性就會(huì)減?。划?dāng)電感很大，且 遠(yuǎn)大于時(shí)，這種負(fù)載為大電感負(fù)載。此時(shí)大電感阻止負(fù)載中電流的變化，負(fù)載電流連續(xù)時(shí)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(shí)觸發(fā)， 導(dǎo)通，電流經(jīng) ，阻感負(fù)載和T二次側(cè)中心抽頭形成回路，但由于大電感的存在，電壓過(guò)零變負(fù)時(shí)，電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使繼續(xù)導(dǎo)通，直

11、到被觸發(fā)時(shí)，承受反相電壓而截至。在電源電壓負(fù)半周期間，晶閘管承受正向電壓，在 時(shí)觸發(fā)，導(dǎo)通，反向截至，負(fù)載電流從 中換流至中。在 t=2 時(shí),電壓過(guò)零，因電感 L 中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一直導(dǎo)通，直到下一個(gè)周期導(dǎo)通時(shí)。只有當(dāng) 時(shí)，負(fù)載電流才連續(xù)，當(dāng)> 時(shí)，負(fù)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(jì)算 (1)在阻感負(fù)載下電流連續(xù)，整流輸出電壓的平均值為： = 由設(shè)計(jì)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(dāng)在0 范圍內(nèi)變化時(shí)，整流器可在04

12、5 V 范圍內(nèi)取值。(2) 整流電流輸出平均值為： (3)在一個(gè)周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通180度，兩組輪流導(dǎo)通，整流變壓器二次電流是正，負(fù)對(duì)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(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值 與有效值 分別為: (4)晶閘管在導(dǎo)通時(shí)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(méi)到時(shí)間，已導(dǎo)通，把整個(gè)電壓加到或上，則每個(gè)元件承受的最大可能的正向電壓等于 ；和反向截止時(shí)漏電流為零，只要另一組晶閘管導(dǎo)通，也就把整個(gè)電壓加到或上，故兩個(gè)晶閘管承受的最大反向電壓也為。 3.相控觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) 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(guò)零

13、觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對(duì)其產(chǎn)生 的觸發(fā)脈沖要求： （1） 觸發(fā)信號(hào)可為直流，交流或脈沖電壓。 （2） 觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率。 （3）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(yáng)極電流能迅速上升超過(guò)擎住電流而維持導(dǎo)通。（4）觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)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(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(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具有

14、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(duì)同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路由單結(jié)晶體管構(gòu)成，該觸發(fā)電路具有簡(jiǎn)單，可靠，抗干擾能力強(qiáng)，溫度補(bǔ)償性能好，脈沖前沿陡等優(yōu)點(diǎn)，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應(yīng)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(hù)電路的設(shè)計(jì) 4.1過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì) 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(dòng)觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障，外部出現(xiàn)負(fù)載過(guò)載；直流側(cè)短路，可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生逆變失敗以及交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低均能引起裝置或其他元件的電流超過(guò)正常工作電流，即

15、出現(xiàn)過(guò)電流。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)流保護(hù)。 4.2 過(guò)電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì) 設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過(guò)電壓和雷擊過(guò)電壓的侵襲。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過(guò)電壓出現(xiàn)。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)壓保護(hù)。過(guò)流，過(guò)壓的保護(hù)電路圖如下 過(guò)流 過(guò)壓保護(hù)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(fù)峰值電壓 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。 (2) 反向重復(fù)峰值電壓 是在門極斷路而結(jié)溫為額的值時(shí)，允許重復(fù)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(shí)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(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)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(dǎo)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(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)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(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。3 動(dòng)態(tài)參數(shù) （1 開通時(shí)間 和關(guān)斷時(shí)間 （2）斷態(tài)電壓臨界上升率 是指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)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(wú)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(guò)的最大電流有效值。 (2) 選擇時(shí)考慮（1.52）倍的安全裕量。即=1.57=（1.52）負(fù)載電流連續(xù)時(shí),整流電壓平均值可按下式計(jì)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(dǎo)電，一個(gè)周期中各導(dǎo)電180度，且與無(wú)關(guān)，變壓器二次繞組中電流的波形是對(duì)稱的正，負(fù)方波。負(fù)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(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，,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(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作

18、為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓要留有一定裕量，應(yīng)為正常工作時(shí)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(shí)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(hù)元件的選擇 變壓器二次側(cè)熔斷器采用快速熔斷器，這是電力電子裝置中最有效，應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施。在選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： （1）電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來(lái)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?？烊垡话闩c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

19、或直流母線中。 （3）快熔的值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許值。 （4）為保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)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(shí)驗(yàn)室之意，主要用于方便矩陣的存取，其基本元素是無(wú)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(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)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(gè)動(dòng)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(wú)需大量書寫程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可以構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)

20、。Simulink具有適應(yīng)面廣，結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)，貼近實(shí)際，效率高，靈活等優(yōu)點(diǎn)，Simulink現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。 6.2 系統(tǒng)建模及電路仿真 最后，利用所建模型和設(shè)置的參數(shù)進(jìn)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(dāng)=0時(shí)，仿真波形如下圖所示（2）當(dāng)=60時(shí)，仿真波形如下圖所示（3）當(dāng)=90時(shí)，仿真波形如下圖所示6.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果的分析單相雙半波晶閘管整流電路仿真結(jié)果如上圖所示，分別為0°，60°，90°時(shí)的輸出曲線。通過(guò)對(duì)上圖中的仿真波形的分析和對(duì)比，結(jié)合資料中的理論知識(shí)，可以看出它非常接近理論分析的波形。7.心得體會(huì)通過(guò)此次對(duì)于單相雙半波晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)，我又從中學(xué)到了不少。對(duì)于老師曾在課堂上講過(guò)的知識(shí)又加深了記憶，而且通過(guò)實(shí)際的操作，我的動(dòng)手能力也有所提高。與以前相比，可以更好的將理論與實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)把知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中的能力。 但是，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我也遇