單相雙半波整流電路設(shè)計(jì)～小楊(共10頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：?jiǎn)蜗嚯p半波晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：姓 名：時(shí) 間：目 錄11 前 言1專心-專注-專業(yè)單相雙半波晶閘管整流（純電阻負(fù)載）電路的設(shè)計(jì) 摘 要 本課程設(shè)計(jì)是利用電力電子技術(shù)中所學(xué)的知識(shí)，首先通過(guò)第2部分設(shè)計(jì)目的和第3部分設(shè)計(jì)思想對(duì)本課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)劃；通過(guò)第4部分整流電路的方案選擇，把單相橋式全控整流電路方案與單相雙半波可控整流電路方案進(jìn)行了比較，確定選用單相雙半波可控整流電路方案進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)；在第5部分主電路設(shè)計(jì)中，對(duì)電力電子器件所構(gòu)成的單相雙半波可控整流基本電路分主電路、觸發(fā)電路、保護(hù)電路進(jìn)行了描述；在第6部

2、分元件參數(shù)計(jì)算和選擇中，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和分析，并確定了元件型號(hào)；最后利用MATLAB軟件中的Simulink進(jìn)行了電氣仿真，對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)  控制  整流1 前言 電力電子學(xué),又稱功率電子學(xué)(Power Electronics)。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對(duì)電能的變換和控制。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電(高電壓、大電流)或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支，又是電工學(xué)在弱電(低電壓、小電流)或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支，或者說(shuō)是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科學(xué)。電力電子學(xué)是橫跨“電子

3、”、“電力”和“控制”三個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)新興工程技術(shù)學(xué)科。 隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人們對(duì)電路的要求也越來(lái)越高,由于在生產(chǎn)實(shí)際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應(yīng)用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而在許多場(chǎng)合，例如電解、蓄電池的充電、直流電動(dòng)機(jī)等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機(jī)外，最普遍應(yīng)用的是利用各種半導(dǎo)體元件產(chǎn)生直流電。這個(gè)方法中，整流是最基礎(chǔ)的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，把方向和大小交變的電流變換

4、為直流電。整流的基礎(chǔ)是整流電路。 由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能和變換和控制，而構(gòu)成的一門完整的學(xué)科。故其學(xué)習(xí)方法與電子技術(shù)和控制技術(shù)有很多相似之處，因此要學(xué)好這門課就必須做好課程設(shè)計(jì)，因而我們進(jìn)行了此次課程設(shè)計(jì)。又因?yàn)檎麟娐窇?yīng)用非常廣泛，而單相全控橋式晶閘管整流電路又有利于夯實(shí)基礎(chǔ)，故我們選將單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全控整流電路這一課題作為這一課程的課程設(shè)計(jì)的課題。 2 設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)是利用電力電子技術(shù)中所學(xué)的知識(shí)對(duì)單相雙半波整流電路進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，并利用MATLAB軟件中的Simu

5、link進(jìn)行了電氣仿真，對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)使我們充分對(duì)電力電子技術(shù)中各個(gè)電路深入理解，培養(yǎng)我們利用電力電子技術(shù)解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力。同時(shí)提高我們查閱資料、運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助工具繪制原理圖和閱讀原理圖的能力；從而加深對(duì)電力電子知識(shí)的系統(tǒng)掌握，提升動(dòng)手能力，學(xué)會(huì)使用基本的電路仿真軟件，獲得初步的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為我們走出校門從事電力電子技術(shù)的相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。3 設(shè)計(jì)思想（1）分析電力電子技術(shù)所學(xué)各類整流電路的特點(diǎn)、性質(zhì)，并以此提出本設(shè)計(jì)所采用的整流電路設(shè)計(jì)初步方案。（2）確定整體電路的總體設(shè)計(jì)，包括：整流電路供電端的電壓類型、變壓器、整流電路、觸發(fā)電路和最后系統(tǒng)的負(fù)載類型。（3）對(duì)

6、整流模塊電路、觸發(fā)電路等進(jìn)行方案的對(duì)比分析選出所需電路。（4）搭建MATLAN電氣仿真模塊，對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)試。4 整流電路的方案選擇方案一：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐穲D1電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，不用續(xù)流二極管也不會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣、整流效果好、波形平穩(wěn)所以應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問(wèn)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(dòng)小，功率因素高的特點(diǎn)。但是，電路中需要四只晶閘管，且觸發(fā)電路要分時(shí)觸發(fā)一對(duì)晶閘管，電路復(fù)雜，兩兩晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間差用分立元件電路難以控制。圖1 單相

7、橋式全控整流電路方案二：?jiǎn)蜗嚯p半波可控整流電路圖2單相雙半波可控整流電路又稱單相全波可控整流電路。該電路的變壓器是帶中心抽頭，在u2正半周期T1工作，變壓器二次繞組上半部分流過(guò)電流。u2負(fù)半周期，T2工作，變壓器二次繞組下半部分流過(guò)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(wèn)題。當(dāng)接其他負(fù)載時(shí)，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(chǎng)合作電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)）。圖2 單相全波可控整流電路綜合上述，比較兩電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用單相全波可控整流電

8、路作為主電路。 5 主電路設(shè)計(jì)5.1 總電路的原理和框圖總電路框圖如圖3所示：100V的交流電源變壓器整流電路純電阻負(fù)載觸發(fā)電路圖3 總電路框圖該電路主要由四部分構(gòu)成，分別為電源，整流電路，觸發(fā)電路和過(guò)電保護(hù)電路構(gòu)成。輸入的電壓經(jīng)變壓器變壓后通過(guò)過(guò)電保護(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。在電路中還加了防雷擊的保護(hù)電路。然后將經(jīng)變壓和保護(hù)后的電壓輸入整流電路中。 在電路中,過(guò)電保護(hù)部分我們分別選擇的快速熔斷器做過(guò)流保護(hù),而過(guò)壓保護(hù)則采用RC電路。整流部分電路則是根據(jù)題目的要求，我們選擇學(xué)過(guò)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(kāi)關(guān)特

9、性實(shí)現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ?。單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路的移相范圍變化較大，而且是直接觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。另外，方便設(shè)計(jì)電路中變壓器型號(hào)的選擇5.2 相控觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過(guò)零觸發(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：  觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。 觸發(fā)信號(hào)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(yáng)極電流能迅速上升超過(guò)掣住電流而維持導(dǎo)通。 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。 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路：?jiǎn)谓Y(jié)晶體管

10、構(gòu)成的觸發(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，脈沖前沿徒等優(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。其原理圖如圖4所示。圖4 相控觸發(fā)電路原理圖5.3 保護(hù)電路(1)過(guò)電流保護(hù) 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)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；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)電流保護(hù)。 (2)過(guò)電壓保護(hù) 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

11、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)電壓保護(hù)。圖5 過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)電路原理圖6 元件參數(shù)計(jì)算和選擇6.1變壓器參數(shù)計(jì)算(1)變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算 電源電壓交流100/50Hz，輸出功率：500W，移相范圍：0°至180°。 設(shè) 則據(jù)： 得：Ud =25V (2)變壓器一 、二次側(cè)電流的計(jì)算 (3)變壓器容量的計(jì)算 (4)變壓器型號(hào)的選擇 6.2 晶閘管參數(shù)計(jì)算與選擇晶閘管的主要參數(shù)如下：(1)額定電壓 斷態(tài)重復(fù)峰值電

12、壓：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)加在器件上的峰值電壓。 反向重復(fù)峰值電壓：反向重復(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)加在器件上的反向峰值電壓。 通常取和中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作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(2)額定電流晶閘管的選擇原則：(1)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)考慮（1.52）倍的安全裕量。在本設(shè)計(jì)中選用2個(gè)KP20-2的晶閘管.6.3變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇

13、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(guò)電流保護(hù)措施。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮： (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。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(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。 因?yàn)榫чl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。7 MATLAB仿真圖6 MATLAB

14、仿真電路圖中pulse generation產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)更改其中的phase delay調(diào)整相角，示波器scope記錄各處產(chǎn)生的電壓、電流和功率波形。仿真結(jié)果：圖7 當(dāng)時(shí)，仿真波形結(jié)果圖中Vi為交流電源端電壓，V0為負(fù)載電壓，I為負(fù)載端電流，P為輸出功率。      當(dāng)時(shí)，仿真波形如下所示。在觸發(fā)延遲角到來(lái)前，V0為負(fù)載電壓為0。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來(lái)后，VT1晶閘管兩端承受反向電壓，此時(shí)VT2晶閘管導(dǎo)通加在負(fù)載上，實(shí)現(xiàn)雙半波整流輸出。其他階段類似。圖8 當(dāng)時(shí)，仿真波形結(jié)果圖9 當(dāng)時(shí)，仿真波形結(jié)果圖10 當(dāng)時(shí)，仿真波形結(jié)果當(dāng)時(shí)，電源電壓始終加在晶閘管兩端，輸出端電壓恒為0，電路中至始至終沒(méi)有形成電流。  綜合以上，對(duì)電路中的單個(gè)晶閘管進(jìn)行分析可知，當(dāng)0<<180°時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)，前半波觸發(fā)角到來(lái)前，由VT2晶閘管承受電源電壓，觸發(fā)脈沖到來(lái)后，VT1晶閘管導(dǎo)通，電源電壓幾乎完全加在輸出端，后半個(gè)周期后，由VT1晶閘管承受電源電壓，觸發(fā)脈沖到來(lái)后，VT2晶閘管導(dǎo)通。當(dāng)180°后，電路在整個(gè)周期都