電阻性負(fù)載單相橋式全控整流電路

1、電力電子技術(shù)電阻性負(fù)載單相橋式全控整流電路設(shè)計(jì)與仿真摘 要本次課程設(shè)計(jì)主要是對電阻性負(fù)載單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)與仿真。首先對單相全控橋式整流電路的整體設(shè)計(jì)，包括主電路，輔助電路，保護(hù)電路。主電路中包括電路參數(shù)的計(jì)算，器件的選型；輔助電路中包括驅(qū)動(dòng)電路、觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)；保護(hù)電路包括過電壓保護(hù)，過電流保護(hù)，電壓上升率抑制，電流上升率抑制。之后就對整體電路進(jìn)行MATLAB仿真，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析與總結(jié)。關(guān)鍵字:電阻性；單相橋式；全控整流；MATLAB仿真引 言整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備，整流電路的應(yīng)用十分廣泛。在整流電路的設(shè)計(jì)過程

2、中，需要對設(shè)計(jì)電路及有關(guān)參數(shù)選擇是否合理、效果好壞進(jìn)行驗(yàn)證。如果通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，需要經(jīng)過反復(fù)多次的元件安裝、調(diào)試、重新設(shè)計(jì)等步驟，這樣使得設(shè)計(jì)耗資大，效率低，周期長。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為電力電子電路的設(shè)計(jì)和分析提供了嶄新的方法，可以使復(fù)雜的電力電子電路、系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)變得更加容易和有效。MATLAB是一種計(jì)算機(jī)仿真軟件，它是以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序計(jì)算語言。Simulink是基于框圖的仿真平臺(tái)，它掛接在MATLAB環(huán)境上，以MATLAB的強(qiáng)大計(jì)算功能為基礎(chǔ)，用直觀的模塊框圖進(jìn)行仿真和計(jì)算。其中的電力系統(tǒng)(Power System)工具箱是專用于RLC電路、電力電子電路、電機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)和電力

3、系統(tǒng)仿真用的模型庫。它具有豐富的器件模型和齊全的分析功能，且操作方便。隨著對仿真和程序設(shè)計(jì)通用性及可視化需求的日益增加，MATLAB的圖形用戶界面(GUI)應(yīng)用也越來越廣泛，功能越來越強(qiáng)大。141. 設(shè)計(jì)目的及任務(wù)1.1設(shè)計(jì)目的利用電力電子技術(shù)中所學(xué)的知識(shí)對電阻性負(fù)載單相橋式全控整流電路進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，并利用MATLAB軟件中的Simulink進(jìn)行了電氣仿真，對所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)證。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)完成電阻性負(fù)載單相橋式全控整流電路電路仿真，并分別驗(yàn)證觸發(fā)角=60°時(shí)直流電壓、直流電流交流電壓、交流電流和晶閘管T1兩端電壓的波形。1、電源電壓：交流電壓220v，頻率50Hz2、輸出功

4、率：500w 3、移相范圍0°180°4、輸出整流電壓在0150V連續(xù)可調(diào)仿真時(shí)間0.01，仿真算法ode23tb，最大步長1e-5。2. 設(shè)計(jì)原理2.1電阻性負(fù)載工作原理 電阻性負(fù)載單相橋式全控整流電路如圖表1所示。電路由四個(gè)晶閘管和負(fù)載電阻Rd組成。晶閘管V1和V4組成一對橋臂，V2和V3組成另一對橋臂。圖表 1電阻性負(fù)載定向橋式全控整流電路及波形1、 在正半波的（0-）區(qū)間：晶閘管VT1、VT4承受正壓，但無觸發(fā)脈沖。四個(gè)晶閘管都不通。假設(shè)四個(gè)晶閘管的漏電阻相等，則=1/。2、 在正半波的時(shí)刻：觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導(dǎo)通。電流沿aVT1RVT4bVT3的二次繞組

5、a流通，負(fù)載上有電壓和電流輸出，兩者波形相位相同且uT1.4=0。此時(shí)電源電壓反向施加到晶閘管VT2、VT3上，使其承受反壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，則=1/2。晶閘管VT1、VT4直導(dǎo)通到t=為止，此時(shí)因電源電壓過零，晶閘管陽極電流下降為零而關(guān)斷。3、 在負(fù)半波的（-+）區(qū)間：晶閘管VT2、VT3承受正壓，因無觸發(fā)脈沖，VT2、VT3處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)，=1/2。4、 在負(fù)半波的時(shí)刻：觸發(fā)晶閘管VT2、VT3，元件導(dǎo)通，電流沿bVT3RVT2aVT4的二次繞組b流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)載電阻上，負(fù)載上有輸出電壓和電流，且波形相位相同。此時(shí)電源電壓反向加到晶閘管VT1、VT4上，使其承受反

6、壓而處于關(guān)斷狀態(tài)。晶閘管VT2、VT3一直要導(dǎo)通到為止，此時(shí)電源電壓再次過零，晶閘管陽極電流也下降為零而關(guān)斷。晶閘管VT1、VT4和VT2、VT3在對應(yīng)時(shí)刻不斷周期性交替導(dǎo)通、關(guān)斷。整流輸出電壓的平均值Ud為最小值，=180°；Ud為最大時(shí)，=0°。所以電阻性負(fù)載單相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)，的移相范圍是0°180°。當(dāng)=0°時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通，相當(dāng)于不可控整流，此時(shí)輸出電壓為最大值Ud0，即Ud0=0.9U2在負(fù)載上，輸出電流的平均值和有效值如下式流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半（因?yàn)橐粋€(gè)周期內(nèi)每個(gè)晶閘管只有半個(gè)周期導(dǎo)通），

7、即：3.電路的設(shè)計(jì)3.1主電路的設(shè)計(jì) 3.1.1晶閘管的主要參數(shù)說明：1、額定電壓UTn通常取UDRM和URRM中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 UTn =（23）UTM UTM ：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓 2、額定電流IT(AV) IT(AV) 又稱為額定通態(tài)平均電流。 ITn 額定電流有效值，根據(jù)管子的IT(AV) 換算出，IT(AV) 、 ITM ITn 三者之間的關(guān)系： 3、 維持電流IH 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。維持電流

8、與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關(guān)斷。4、 掣住電流IL 晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)并撤除門極觸發(fā)信號，此時(shí)要維持元件導(dǎo)通所需的最小陽極電流稱為掣住電流。一般掣住電流比維持電流大（24）倍。5、通態(tài)平均管壓降 UT (AV) 。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通的正弦波半個(gè)周期內(nèi)陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.41.2V。6、門極觸發(fā)電流Ig 。在常溫下，陽極電壓為6V時(shí)，使晶閘管能完全導(dǎo)通所用的門極電流，一般為毫安級。7、 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不會(huì)導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。8、 通態(tài)電

9、流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。9、波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，其有效值與平均值Id之比稱為該波形的波形系數(shù)，用Kf表示。 額定狀態(tài)下， 晶閘管的電流波形系數(shù) 3.1.2晶閘管的選型帶電阻負(fù)載時(shí) U2=220V， R=30，=60°，時(shí)，由Ud=0.9U21+cos2=148.5(V)Id=UdR=148.530=5(A)I2=Id=5(A)晶閘管承受的最大反向電壓為2U2=2202=311.12(A)考慮安全裕度，晶閘管的額定電壓為23×311.12=662.3933.36(V)晶閘管的額定電流為IN=Id2=52=3.54(A

10、)考慮安全裕度，晶閘管的額定電流為1.52×3.541.57=3.384.50(A)所以在本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中我選用4個(gè)KP5A的晶閘管，該晶閘管的參數(shù)如下。3.2 輔助電路的設(shè)計(jì)3.2.1驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)對于使用晶閘管的電路，在晶閘管陽極加正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加觸發(fā)電壓，使晶閘管在需要導(dǎo)通的時(shí)刻可靠導(dǎo)通。驅(qū)動(dòng)電路亦稱觸發(fā)電路。根據(jù)控制要求決定晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻，對變流裝置的輸出功率進(jìn)行控制。觸發(fā)電路是變流裝置中的一個(gè)重要組成部分，變流裝置是否能正常工作，與觸發(fā)電路有直接關(guān)系，因此，正確合理地選擇設(shè)計(jì)觸發(fā)電路及其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是保證晶閘管變流裝置安全，可靠，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提。晶閘管觸

11、發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求： 觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。 觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率。 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，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。 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。觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。3.3保護(hù)電路的設(shè)計(jì)在電力電子器件電路中，除了電力電子器件參數(shù)要選擇合適，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓保護(hù)，過電流保護(hù)，du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必不可少的。3.3.1過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)所謂過壓保護(hù)，即指流過晶閘管兩端的電壓值超過晶閘管

12、在正常工作時(shí)所能承受的最大峰值電壓Um都稱為過電壓。1.交流側(cè)過電壓保護(hù)過電壓產(chǎn)生過程：電源變壓器初級側(cè)突然拉閘，使變壓器的勵(lì)磁電流突然切斷，鐵芯中的磁通在短時(shí)間內(nèi)變化很大，因而在變壓器的次級感應(yīng)出很高的瞬時(shí)電壓。保護(hù)方法：阻容保護(hù)2.直流側(cè)過電壓保護(hù)過電壓產(chǎn)生過程：當(dāng)某一橋臂的晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)突然因過載使快速熔斷器熔斷時(shí)，由于直流住電路電感中儲(chǔ)存能量的釋放，會(huì)在電路的輸出端產(chǎn)生過電壓。保護(hù)方法：阻容保護(hù) 圖表 2主電路的過電壓保護(hù)3.3.2過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流現(xiàn)象。過電流分載和短路兩種情況。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器只作為短

13、路時(shí)的部分區(qū)斷的保護(hù)，直流快速斷路器在電子電力動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器在過載時(shí)動(dòng)作。熔斷器是最簡單的過電流保護(hù)元件，但最普通的熔斷器由于熔斷特性不合適，很可能在晶閘管燒壞后熔斷器還沒有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過電流可及時(shí)熔斷起到保護(hù)作用。最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過快熔電流和晶閘管的電流相同，所以對元件的保護(hù)作用最好。3.3.3電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù)1、電流上升率的抑制晶閘管初開通時(shí)電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以0.1mm/s的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面，若晶閘管開通時(shí)電流上升率過大，會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，必

14、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。如下圖表3所示:圖表 3串聯(lián)電感抑制回路2、電壓上升率的抑制加在晶閘管上的正向電壓上升率dV/dt也應(yīng)有所限制,如果過大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實(shí)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(yán)重時(shí)引起晶閘管誤導(dǎo)通。為抑制的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。如圖表4所示：圖表 4并聯(lián)R-C阻容吸收回4. MATLAB仿真設(shè)計(jì)4.1建立主電路的仿真模型在SimPower-Systems的“Electrical Sources”庫中選擇交流電壓源模塊，將對話框中將幅

15、值設(shè)為“220*sqrt（2）”V，頻率為50Hz；然后在“Power Electronics”庫中選擇“Universal Sources”模塊，在其對話框中選擇橋臂數(shù)為2，器件為晶閘管，即可完成單相橋式電路；在“Elements”庫中選擇串聯(lián)RLC支路模塊。將各模塊按主電路相連接，則完成了仿真模型的主電路部分圖表 5主電路各模型圖4.2建立控制電路的仿真模型在Simulink的“Sources”庫中選擇兩個(gè)“Pulse Generator”模塊，在其對話框中設(shè)置幅值為1，周期為0.02秒，占空比為10%。若觸發(fā)角為，則兩個(gè)模塊需分別設(shè)滯后為*0.02/360和*0.02/360+0.01。

16、圖表 6控制部分仿真模型圖4.3建立觀測及分析部分的仿真模型在“Extra Library”中“Measurements”子庫的“Mean Value”模塊，用于測量平均值，模塊中基波頻率為50Hz。圖表 7觀察及分析部分仿真模型圖4.4總設(shè)計(jì)圖圖表 8單相橋式全控電路仿真模型圖5. 分析仿真結(jié)果將仿真時(shí)間設(shè)為0.01，選擇ode23tb仿真算法，最大步長設(shè)為1e-5.將串聯(lián)RLC支路模塊的電阻設(shè)為30，去掉電容電感，當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)分析： =60°，實(shí)際值Ud=148.2V；理論值Ud=148.5V；實(shí)測值和理論值非常接近，誤差極小，產(chǎn)生的誤差

17、可能是計(jì)算問題。基本符合單相橋式全控整流電路各電流電壓的理論波形。圖表9為觸發(fā)角為60°時(shí)的直流電壓和電流情況，圖表10為交流電壓和電流的情況，圖表11為晶閘管T1所承受的電壓，與圖表一中b圖一致，此時(shí)，直流電壓平均值為148.2V。輸出整流電壓在0150V連續(xù)可調(diào)。圖表 9電阻負(fù)載時(shí)直流電壓和電流波形圖表 10電阻負(fù)載時(shí)交流電壓和電流波形圖表 11電阻負(fù)載時(shí)晶閘管T1的電壓波形設(shè)計(jì)總結(jié) 通過學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)這門課，我掌握了有關(guān)近現(xiàn)代的電力電子器件的基本原理和功能。隨著科技的不斷發(fā)展，電力電子在我們?nèi)粘Ｉ钪性絹碓街匾?在這次的課程設(shè)計(jì)中，我對電力電子的相關(guān)知識(shí)有了更全面，更深刻的

18、了解和掌握。設(shè)計(jì)過程中有許多地方都很困難，經(jīng)過詢問同學(xué)以及上網(wǎng)查閱相關(guān)資料使我增長了知識(shí)，開闊了視野，最終發(fā)現(xiàn)動(dòng)手設(shè)計(jì)是一種可以把理論與知識(shí)結(jié)合的很好的學(xué)習(xí)方法。 這次單相全控橋式整流電路的設(shè)計(jì)使我加深了對整流電路的理解，也對電力電子該課程產(chǎn)生了濃烈的興趣。整流電路的設(shè)計(jì)方法多種多樣，且根據(jù)負(fù)載的不同，又可以設(shè)計(jì)出很多不同的電路。其中單相全控橋式整流電路其負(fù)載我們用的多的主要是電阻型、帶大電感型，接反電動(dòng)勢型。它們各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。 在老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下，我加以自己不懈的努力、執(zhí)著的追求順利完成了這次課程設(shè)計(jì)。由于水平有限，設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)步驟比較簡單，希望老師能批評指正，謝謝老師。參考文獻(xiàn)1 王兆安，劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù). 5 版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.52 王興貴，陳偉，張巍. 現(xiàn)代電力電