單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)(阻感負(fù)載)

1、1 設(shè)計(jì)的基本要求1.1 設(shè)計(jì)的主要參數(shù)及要求： 設(shè)計(jì)要求：1、電源電壓：交流220V/50Hz2、輸出電壓范圍：20V-50V3、最大輸出電流：10A4、具有過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流：12A5、具有穩(wěn)壓功能6、電源效率不低于70%1.2 設(shè)計(jì)的主要功能 單相橋式半控整流電路的工作特點(diǎn)是晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，而整流二極管在陽極電壓高于陰極電壓時(shí)自然導(dǎo)通。單相橋式整流電路在感性負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，當(dāng)相控角<90°時(shí)，可實(shí)現(xiàn)將交流電功率變?yōu)橹绷麟姽β实南嗫卣鳎辉?gt;90°時(shí)，可實(shí)現(xiàn)將直流電返送至交流電網(wǎng)的有源逆變。在有源逆變狀態(tài)工作時(shí)，相控角不應(yīng)過大，以確保不發(fā)生換相（換流）失

2、敗事故。2 系統(tǒng)總體電路的設(shè)計(jì)2.1 方案的選擇我們知道，單相整流電路形式是各種各樣的，可分為單相橋式相控整流電路和單相橋式半控整流電路，整流的結(jié)構(gòu)也是比較多的。因此在做設(shè)計(jì)之前我們確定了此方案： 單相橋式半控整流電路電路簡圖如下： 圖1 單相橋式半控整流電路對每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，相對于全控橋而言少了一個(gè)控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗！如果不加續(xù)流二極管，當(dāng)突然增大至180°或出發(fā)脈沖丟失時(shí)，由于電感儲(chǔ)能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負(fù)載電阻上，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期為ud為零，其平均值保持穩(wěn)

3、定，相當(dāng)于單相半波不可控整流電路時(shí)的波形，即為失控。所以必須加續(xù)流二極管，以免發(fā)生失控現(xiàn)象。2.2 主電路的結(jié)構(gòu)及其工作原理單相半控橋式整流電路帶阻感負(fù)載且有續(xù)流二極管的主電路圖如圖2所示：圖2 單相半控橋式整流主電路圖圖2 有續(xù)流二極管的主電路圖對于帶阻感負(fù)載的單相橋式半控整流電路而言，當(dāng)負(fù)載中電感很大時(shí)，在正半周，觸發(fā)角處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。過零變負(fù)時(shí)，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通但因VT1端電位高于VD2端電位，使得電流從VD4轉(zhuǎn)移至VD2，VD4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)交流源，而是由VT1和VD2續(xù)流，在此階段。在負(fù)半周觸發(fā)角時(shí)刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)

4、通，則向VT1加反壓使其關(guān)斷，經(jīng)VT3和VD2向負(fù)載供電。過零變正時(shí)，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，為0 ，此后重復(fù)以上過程。有續(xù)流二極管時(shí)，續(xù)流過程由完成，在續(xù)流階段晶閘管關(guān)斷，這就避免了某一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通從而導(dǎo)致失控的現(xiàn)象。同時(shí)，續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，少了一個(gè)管壓降，有利于降低損耗。2.3 參數(shù)計(jì)算在單相橋式半控整流電路中：輸出電壓平均值：式中，表示交流輸入電壓有效值，表示晶閘管觸發(fā)角。輸出電流平均值：流過晶閘管電流有效值：計(jì)算負(fù)載R值：當(dāng)為時(shí)，輸出電壓:由可得：3 硬件電路3.1 系統(tǒng)總體原理框圖單相半控橋式整流電路的設(shè)計(jì)，我們首先對電路原理進(jìn)行分析，通過分析

5、，結(jié)合具體的性能指標(biāo)求出相應(yīng)的參數(shù)，然后在Matlab仿真軟件中建立仿真模型，仿真模型采用交流輸入電源，使用晶閘管和二極管作為整流器件，通過不斷仿真、調(diào)試、不斷修改參數(shù)，知道符合正確的參數(shù)要求。其系統(tǒng)原理框圖如下圖3輸入過電流保護(hù)整流主電路過電壓保護(hù)驅(qū)動(dòng)觸發(fā)電路輸出圖3 原理框圖如下3.2 觸發(fā)電路3.2.1 觸發(fā)電路簡介電力電子器件的驅(qū)動(dòng)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(gè)裝置的性能有很大的影響。采用良好的性能的驅(qū)動(dòng)電路?？梢允闺娏﹄娮悠骷ぷ髟诒容^理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，對裝置的運(yùn)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

6、，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(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通，習(xí)慣上稱為觸發(fā)控制。提供這個(gè)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(gè)晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻，是晶閘管裝置中不可缺少的一個(gè)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(diǎn)是應(yīng)保證觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。3.2.2 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)要求晶閘管的型號很多，其應(yīng)用電路種類也很多，不同的晶閘管型號，應(yīng)用電路對觸發(fā)信號都會(huì)有不同的要求。但是，歸納起來，晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)，過零觸發(fā)和脈沖

7、列調(diào)制觸發(fā)等。不管是哪種觸發(fā)電路，對它產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖都有如下要求：1、觸發(fā)信號為直流、交流或脈沖電壓，由于晶閘管導(dǎo)通后，門極觸發(fā)信號即失去了控制作用，為了減小門極的損耗，一般不采用直流或交流信號觸發(fā)晶閘管，而廣泛采用脈沖觸發(fā)信號。2、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)信號功率大小是晶閘管元件能否可靠觸發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。由于晶閘管元件門極參數(shù)的分散性很大，且隨溫度的變化也大，為使所有合格的元件均能可靠觸發(fā)，可參考元件出廠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄來設(shè)計(jì)觸發(fā)電路的輸出電壓、電流值，并有一定的裕量。 3、觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈搏沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)信號導(dǎo)通后，陽極電流能迅速

8、上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。普通晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間約法為6，故觸發(fā)電路的寬度至少應(yīng)有以上，對于電感性負(fù)載，由于 電感會(huì)抑制電流的上升，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)更大一些，通常為0.5至1，此外，某些具體電路對觸發(fā)脈沖寬度會(huì)有一定的要求，如三相全控橋等電路的觸發(fā)脈沖寬度要大于60°或采用雙窄脈沖。為了快速而可靠地觸發(fā)大功率晶閘管，常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加一個(gè)強(qiáng)觸發(fā)脈沖，強(qiáng)觸發(fā)脈沖的電流波形如圖4-1所示。強(qiáng)觸發(fā)電流的幅值可達(dá)到最大觸發(fā)電流的5倍。前沿約為幾。圖4 強(qiáng)觸發(fā)電流波形4、觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖稱相范圍必須滿足電路要求。為保證控制的規(guī)律性，要求晶閘管在每個(gè)陽極電壓周期都在相

9、同控制角觸發(fā)導(dǎo)通，這就要求脈沖的頻率必須與陽極電壓同步。同時(shí)，不同的電路或者相同的電路在不同的負(fù)載、不同的用途時(shí)，要求的變化的范圍（移相范圍）亦即觸發(fā)脈沖前沿與陽極電壓的相位變化范圍不同，所用觸發(fā)電路的脈沖移相范圍必須滿足實(shí)際的需要。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路如下圖5所示圖5 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路圖4 電路元件的選擇4.1 變壓器的選擇電源電壓：220V/50Hz，輸出電壓：20V-50V，輸出電流：10A，設(shè)R=5。變壓器一、二次側(cè)電流： Ud=50v , P=I R, Id=10AU1/U2=220/100=11/5, N1/N2=11/5 I2=5id/6=25/3A變壓器容量計(jì)算：S=U1I1=

10、10025/3=11/5=833.33kv.A變壓器型號的選擇：N1:N2=11/5, S=833.33kv.A4.2 晶閘管元件的選擇1、晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實(shí)際流過管子電流最大有效值 ，即 =1.57> 或 > (2-7)考慮（1.52）倍的裕量： (2-8)此外，還需注意以下幾點(diǎn)：當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值。當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值。關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。2、晶閘管的額定電壓晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓乘以（23）倍的安全裕量，即可確定晶閘管的額

11、定電壓：(23)(23)(622933) (2-9)取800V。由以上分析計(jì)算知選取晶閘管的型號為。3、晶閘管的具體參數(shù)額定通態(tài)平均電流（IT（AV）：1A;斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（UDRM）:500V;反向重復(fù)峰值電壓（URRM）:1800V;斷態(tài)重復(fù)平均電流（IDR（AV）:6mA;反向重復(fù)平均電流（IRR（AV）:6mA;門極觸發(fā)電流（IGT）:60mA;門極觸發(fā)電壓（UGT）:1.8V;斷態(tài)電壓臨界上升率（du/dt）:50V/uS維持電流（IH）：60mA;額定結(jié)溫（TjM）：1105 仿真波形圖5.1 仿真電路圖與仿真波形仿真電路圖如圖6所示：圖6 仿真電路圖仿真電路各元件參數(shù)設(shè)置：1、

12、單相交流電源。峰值電壓設(shè)置為141V，頻率設(shè)置50Hz。2、二極管和晶閘管為默認(rèn)的參數(shù)。3、設(shè)置觸發(fā)器的周期與電壓周期一致，為0.02S，通過設(shè)置觸發(fā)時(shí)間來控制輸出電壓與電流的波形。4、設(shè)置負(fù)載電阻為100歐。經(jīng)過以上參數(shù)整定后，整個(gè)系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，現(xiàn)給出所有輸出結(jié)果。其仿真波形如下：當(dāng)觸發(fā)角為30°，波形如圖7所示:圖7 觸發(fā)角為30°的波形當(dāng)觸發(fā)角為90°時(shí)，波形如圖8所示:圖8 觸發(fā)角為90°的波形當(dāng)觸發(fā)角為120°時(shí)，波形如圖9所示:圖9 觸發(fā)角為120°的波形5.2 仿真結(jié)果分析 仿真得到的第一個(gè)波形為單相交流輸入電

13、壓波形，可以看出在觸發(fā)角不同時(shí)，輸入電壓不變。第二個(gè)波形為觸發(fā)脈沖，在一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)相差180°的觸發(fā)脈沖。第三個(gè)波形為流過某一個(gè)晶閘管的電流波形，可以看出每個(gè)晶閘管都只在半個(gè)周期內(nèi)能導(dǎo)通且電流隨觸發(fā)角不同而不同。第四個(gè)波形為輸出電流波形。第五個(gè)波形為輸出電壓波形，可以看出輸出電流波形與輸出電壓波形形狀一樣。單相交流電在經(jīng)過整流之后變成直流電，輸出電壓波形與電流波形相同。由于有反電勢的存在，使晶閘管提前了點(diǎn)角度30停止導(dǎo)電。結(jié)束語本文分析了單相半控橋式整流電路的基本原理、工作特性。通過本課程設(shè)計(jì)，我受益匪淺。熟悉和掌握整流電路基本工作原理及參數(shù)計(jì)算方法。掌握晶閘管在相關(guān)電路中的工作

14、特點(diǎn)，并能根據(jù)設(shè)計(jì)要求，正確計(jì)算晶閘管參數(shù)，合理選擇晶閘管型號。了解常用晶閘管觸發(fā)電路的特點(diǎn)，并能根據(jù)實(shí)際電路選擇合理的觸發(fā)電路形式。對常用的晶閘管保護(hù)電路具有一定的分析和設(shè)計(jì)能力。具有初步發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題的能力。本文采用simulink仿真，使我對simulink的用法更加熟悉了，為我以后熟練的使用該軟件奠定了基礎(chǔ)。在這次設(shè)計(jì)過程中，體現(xiàn)出自己單獨(dú)設(shè)計(jì)的能力以及綜合運(yùn)用知識的能力，體會(huì)了學(xué)以致用、突出自己勞動(dòng)成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時(shí)學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。在理論聯(lián)系實(shí)際、綜合分析、理論計(jì)算、歸納整理和實(shí)驗(yàn)研究等方面得到綜合訓(xùn)練和提高，培養(yǎng)了獨(dú)立解決實(shí)際問題和從事

15、科學(xué)研究的初步能力。能夠初步建立正確的設(shè)計(jì)思想，熟悉工程設(shè)計(jì)的一般順序、規(guī)范和方法，可培養(yǎng)了嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)，樹立正確的全局觀點(diǎn)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至畢業(yè)后向工程技術(shù)人員過渡打下基礎(chǔ)。致 謝本課題在選題及進(jìn)行過程中得到了王翠老師的悉心指導(dǎo)以及同學(xué)的熱心幫助。在這里特意感謝在課程設(shè)計(jì)中幫助過我的老師和同學(xué)。在上課的時(shí)候由于王老師的指導(dǎo)才讓我現(xiàn)在完成本次課程感覺不那么困難。王老師盡職盡責(zé)、踏實(shí)堅(jiān)韌的工作精神，將使我終生受益。再多華麗的言語也顯蒼白。在此，謹(jǐn)向王老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。感謝在本次課程設(shè)計(jì)中給予我很多幫助。同時(shí)也感謝劉爽同學(xué)，感謝他在制作文檔時(shí)給予我無私的幫助。感謝我的室友，是他們讓我一直堅(jiān)持不放棄。通過這次課程設(shè)計(jì)，深刻地認(rèn)識到學(xué)好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，并且檢驗(yàn)了我的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次的課程設(shè)計(jì)中對于知識的運(yùn)用和銜接還不是很熟練，但是我將在以后的學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這將近一個(gè)月的課程設(shè)計(jì)是對過去所學(xué)知識的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過程，為今后的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。當(dāng)然由于自身水平有限，設(shè)計(jì)中一定存在很多不足之處，敬請老師對我提出批評與指正。參考文獻(xiàn)1.康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）.北京：高等教育出版社，20052.周克寧.電力電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20043.陳堅(jiān).電力電子學(xué).北京：