電力電子課程設計 單相半控橋式晶閘管整流電路電阻負載

1、電氣工程學院 電力電子 課程設計設計題目： 單相半控橋式晶閘管整流電路（電阻負載） 學號： xxxxxxxx 姓 名： xxxxxx 同 組 人： xxxxxxxxxxxx 指導教師： xxxxxx 設計時間： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 設計地點： 電氣學院實驗中心 電力電子 課程設計成績評定表姓 名 學 號課程設計題目： 單相半控橋式晶閘管整流電路（電阻負載）課程設計答辯或提問記錄：成績評定依據(jù)：課程設計預習報告及方案設計情況（30）：課程設計考勤情況（15）：課程設計調試情況（30）：課程設計總結報告與答辯情況（25）：最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）指導

2、教師簽字： 年 月 日 電力電子 課程設計任務書學生姓名： 指導教師： 一、課程設計題目： 單相半控橋式晶閘管整流電路（電阻負載）二、課程設計要求1. 根據(jù)具體設計課題的技術指標和給定條件，獨立進行方案論證和電路設計，要求概念清楚、方案合理、方法正確、步驟完整；2. 查閱有關參考資料和手冊，并能正確選擇有關元器件和參數(shù)，對設計方案進行仿真；3. 完成預習報告，報告中要有設計方案，設計電路圖，還要有仿真結果；4. 進實驗室進行電路調試，邊調試邊修正方案；5. 撰寫課程設計報告最終的電路圖、調試過程中遇到的問題和解決問題的方法。三、進度安排1時間安排序 號內 容學時安排（天）1方案論證和系統(tǒng)設計1

3、2完成電路仿真，寫預習報告13電路調試24寫設計總結報告與答辯1合 計5設計調試地點：電氣樓4102執(zhí)行要求課程設計共5個選題，每組不得超過2人，要求學生在教師的指導下，獨力完成所設計的詳細電路（包括計算和器件選型）。嚴禁抄襲，嚴禁兩篇設計報告雷同。摘要本次課程設計的題目為：單相半控橋式晶閘管整流電路，其中負載為純電阻負載。電路設計的主要參數(shù)及要求：1、電源電壓：交流100V/50Hz；2、輸出功率：500W；3、移相范圍：0º-180º。對于單相半控橋式晶閘管整流電路（電阻負載），其電路設計的主要功能為：單相橋式半控整流電路的工作特點是晶閘管觸發(fā)導通，而整流二極管在陽極電

4、壓高于陰極電壓時自然導通。單相橋式半控整流電路在純電阻負載電流連續(xù)時，當相控角<180°時，可實現(xiàn)將交流電功率變?yōu)橹绷麟姽β实南嗫卣?，同時，調節(jié)觸發(fā)電路，可改變觸發(fā)角進行調壓；在>180°時，由于二極管的單相導電性，電路無法實現(xiàn)逆變，輸出電壓為零。關鍵詞：單相半控橋式晶閘管整流電路、純電阻負載、相控角調節(jié) AbstractABSTRACT：Curriculum design topics: single-phase half-controlled bridge thyristor rectifier circuit, where the load is pur

5、ely resistive load. The main parameters and requirements of the circuit design: 1, the power supply voltage: AC 100V/50Hz, output power: 500W; 2; 3, the phase shift range: 0 º 180 º.For the single phase half controlled bridge thyristor rectifier circuit (resistive load), the main function

6、of the circuit design:Characteristics of single phase bridge half controlled rectifier circuit is triggered thyristor turn-on, and rectifier diode is higher than that of cathode voltage in the anode voltage natural conduction.Single phase bridge half controlled rectifier circuit load current is cont

7、inuous in the pure resistance, while the mouldings <180 °, can realize the phase control rectifier, AC power into DC power at the same time, adjusting trigger circuit, which can change the trigger angle regulator; when >180 °, because the phase conductivity diode, the circuit can not

8、 be achieved inverter, output voltage to zero.KEYWORDS：Single phase half controlled bridge thyristor rectifier circuit, pure resistive load, adjust phase mouldings 目錄 第一章 系統(tǒng)方案設計····················

9、83;······································1一、主電路方案設計··········

10、;················································11.1 主電路方案論

11、證··················································

12、;····11.2 主電路結構及其工作原理···········································&

13、#183;··21.3 參數(shù)計算·············································

14、3;··············31.4 主電路器件選用·································

15、3;····················3二、控制電路方案設計····························

16、;····························42.1 觸發(fā)控制電路方案···················

17、3;································42.1.1 方案一················

18、············································42.1.2 方案二····&#

19、183;·················································&#

20、183;·····5第二章 仿真···········································&

21、#183;·····················8一、主電路仿真···························

22、;··································81.1 仿真設置··············&#

23、183;·············································81.2 仿真結果···

24、;··················································

25、;·······10二、控制電路仿真·········································&

26、#183;·················112.1 方案一仿真······························&#

27、183;···························112.2 方案二仿真····················

28、83;·····································132.2.1 各部分電路分析與仿真·········

29、83;···································14輸出控制信號仿真·············

30、;····································17第三章 電路調試············&

31、#183;················································19一、實物制

32、作··················································

33、;············19二、實際控制信號測量····································

34、;··················202.1 電路各組成部分輸出波形·····························

35、················202.2 控制信號輸出波形·······························

36、3;···················21第四章 結論·····························&#

37、183;··································24第五章 心得體會與建議·············&

38、#183;········································25參考文獻········&

39、#183;·················································&

40、#183;·········26附錄1：元器件清單······································&#

41、183;····················27第一章 系統(tǒng)方案設計一、主電路方案設計1.1 主電路方案論證方案一：單相半控橋式整流電路（含續(xù)流二極管）單相橋式半控整流電路雖然具有電路簡單、調整方便、使用元件少等優(yōu)點，而且不會導致失控顯現(xiàn)，續(xù)流期間導電回路中只有一個管壓降，少了一個管壓降，有利于降低損耗，如圖1-1。圖 1-1含續(xù)流二極管方案二：單相半控橋式整流二極管（不含續(xù)流二極管）不含續(xù)流

42、二極管的電路具有自續(xù)流能力，但一旦出現(xiàn)異常，會導致：一只晶閘管與兩只二極管之間輪流導電，其輸出電壓失去控制，這種情況稱之為“失控”。失控時的的輸出電壓相當于單相半波不可控整流時的電壓波形。在失控情況下工作的晶閘管由于連續(xù)導通很容易因過載而損壞。因為半導體本身具有續(xù)流作用，半控電路只能將交流電能轉變?yōu)橹绷麟娔埽绷麟娔懿荒芊祷氐浇涣麟娔苤腥?，即能量只能單方向傳遞，如圖1-2。圖 1-2不含續(xù)流二極管經過比較本設計選擇方案一含續(xù)流二極管的單相半控橋式整流電路能更好的達到設計要求。1.2 主電路結構及其工作原理單相橋式半控整流電路雖然具有電路簡單、調整方便、使用元件少等優(yōu)點，但卻有整流電壓脈動大、

43、輸出整流電流小的缺點。其使用的電路圖如下圖2-1所示。圖1-3 主體電路結構原理圖在交流輸入電壓u2的正半周（a端為正）時，Th1和D1承受正向電壓。這時如對晶閘管Th1引入觸發(fā)信號，則Th1和D1導通電流的通路為u2+Th1RD1u2-。這時Th2和D1都因承受反向電壓而截至。同樣，在電壓u2的負半周時，Th2和D2承受正向電壓。這時，如對晶閘管Th2引入觸發(fā)信號，則Th2和D2導通，電流的通路為：u2-Th2RD2u2+。這時Th1和D1處于截至狀態(tài)。顯然，與單相半波整流相比較，橋式整流電路的輸出電壓的平均值要大一倍，即輸出電壓的平均值：Uo=0.9U1+2cos2輸出電流的平均值：Io=

44、UoRL=0.9URL1+cos21.3 參數(shù)計算輸出電壓平均值：Ud=0.9U21+cos2輸出電流平均值：Id=UdR流過晶閘管電流有效值：ITh=Id2交流側相電流的有效值：I2=-Id續(xù)流管電流有效值：ID=Id1.4 主電路器件選用：由已知條件可知U1=100V Po=500W 移相范圍0°180°假設R=1.25，=0°，可得：Ud=PoR=25VId=Ud=20A輸出電壓有效值：U2=Ud=25V所以變壓器變比：N2=100:25=4:1變壓器選用變壓器容量S=500VA 變比N2取4：1晶閘管選用（考慮裕量）額定電壓：UT=2-32U2=(70.7

45、1-106.07)V額定電流：IT=2Id=28.28A流過晶閘管電流有效值：Irms=102=14.14A晶閘管平均電流(有裕量)：IAV=1.5-2×Irms1.57=(13.51-18.02)A故選用額定電壓為100V，通態(tài)平均電流為20A的晶閘管。二、控制電路方案設計為保證相控電路的正常工作，很重要的一點是應保證按觸發(fā)角a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。2.1 觸發(fā)控制電路方案對于觸發(fā)電路通常有如下要求： l 觸發(fā)電路輸出的脈沖必須具有足夠的功率；l 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的主電壓保持同步；l 觸發(fā)脈沖能滿足主電路移相范圍的要求；l 觸發(fā)脈沖要具有一定的寬

46、度，前沿要陡。 方案一: 單結晶體管自激振蕩電路：1. 電源接通：E通過Re對C充電，時間常數(shù)為ReC；2. Uc增大，達到 UP ，單結晶體管導通，C通過R1放電；3. Uc減少，達到Uv，單結晶體管截止，R1 下降，接近于零；4. 重復充放電過程。Re的值不能太大或太小，滿足電路振蕩的Re的取值范圍：E-UPIPReE-UVIV圖2-1 仿真電路圖2.1.2 方案二：圖2-2 控制電路原理圖圖2-3 仿真電路圖主要元器件（1）LM339 LM339引腳圖 LM393引腳圖 主要功能：LM339內部裝有四個獨立的電壓比較器，每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用

47、“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。在任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓，另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。由于本次實驗過程中LM339較為緊缺，所以我們改用LM393進行試驗，因為LM339與LM393的功能與性能較為接近，只是封裝稍有不同。（2）L

48、M324主要功能：LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器?！癡+”、“V-”為正、負電源端，每一個運算放大器有3個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，還有一個為輸出端。兩個信號輸入端中，“-” 為反相輸入端，表示運放輸出端的信號與該輸入端的位相反；“+”為同相輸入端，表示運放輸出端的信號與該輸入端的相位相同。（3）LM555主要功能：LM555 時基電路內部由分壓器、比較器、觸發(fā)器、輸出管和放電管等組成，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。其中 6 腳為閥值端（TH），是上比較器的輸入；2 腳為觸發(fā)端（TR），是下比較器的輸入；3 腳為輸出端（OUT），有 0 和 1 兩

49、種狀態(tài)，它的狀態(tài)由輸入端所加的電平決定；7腳為放電端（DIS），是內部放電管的輸出，它有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4 腳為復位端（R）；5 腳為控制電壓端(CV )，可以用它來改變上下觸發(fā)電平值；8 腳為電源（VCC），1 腳為地（GND）。（4）74LS08主要功能：內部有四個獨立的邏輯“與”門，14端為電源端，7為接地端。各部分電路： 圖2-4 同步電路圖 圖2-5 鋸齒波產生電路圖 圖2-6 比較電路圖 圖2-7 多諧振蕩電路圖 圖2-8 “與”電路圖具體方案設計與分析請見仿真部分。第二章 仿真一、主電路仿真1.1 仿真設置主電路仿真采用Matlab進行，利用Simul

50、ink中模塊所建原理圖：參數(shù)設置：電源參數(shù)設置：晶閘管參數(shù)設置：二極管參數(shù)設置：控制脈沖參數(shù)設置： 晶閘管Thyristor1與晶閘管Thyristor2的脈沖相差180°。1.2 仿真結果當=0°時：考慮晶閘管與二極管自身的壓降，電壓最大值約為98.4V。仿真結果正確。當=30°時：當=90°時：當=120°時：當=180°時：二、控制電路仿真2.1 方案一仿真主控制電路仿真采用Multisim進行，利用Multisim中自帶模型所建原理圖：此控制電路為主電路其中一個晶閘管的控制電路。其調節(jié)電位器Key=A可調節(jié)。脈沖仿真結果如下：

51、（圖中比例為1V/Div）當=0°時：電位器0當=30°時：電位器16.7當=90°時：電位器50當=120°時：電位器66.7當=180°時：電位器100由上圖可見，其脈沖波形并不如理想模型，而且在調節(jié)電位器時，其調節(jié)到0°或者180°附近時就開始呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，即無法穩(wěn)定實現(xiàn)0°-180°的調節(jié)范圍。2.2 方案二仿真主控制電路仿真采用Multisim進行，利用Multisim中自帶模型所建原理圖：2.2.1 各部分電路分析與仿真：1）同步電路及移相工作原理：利用LM339構造同步電路，由9V正弦電源

52、與0V接地電位進行比較，當正半周時，“+”端電位比“-”端電位高，于是LM339輸出高電平，當負半周時，“-”端電位比“+”端電位高，LM339輸出低電位；如此重復，產生于正弦電源同相的方波。將LM339的輸入端電源反接，通過LM339進行移相，輸出與輸入正弦波相位差180°的方波，如下圖所示：2）鋸齒波產生電路工作原理：當1）中輸出為負電平時，三極管截止。由放大器虛地的概念，LM324的負輸入端接近為零。負電平通過電阻R1對電容C1反向充電，使b點電壓從零電位隨時間按斜率UiRiCi線性上升，一直充到低電平tL結束為止。因為積分器輸出電壓， Uo=-UiR1C1tL。在此處Ui=-

53、12V，Uo=5V，tL=10ms。由此式理論計算得到R1C1=0.024s。經過實驗的不斷調試，最后得出了來的結果是R1=51k，C1=470F，R1C1=0.02397s，可知與理論計算的結果非常接近。當1）中輸出為高電平時，驅動三極管導通，由于三極管導通壓降很小，電容C1通過并聯(lián)在其上的三極管迅速放電，直至下降到0電位為止。然后一直維持為低電平，直到下個負電平又使其反向充電。于是形成了圖中所示的鋸齒波。3）比較電路工作原理：再次利用LM339構成比較電路，比較信號為上一部分輸出的鋸齒波和一個可調的05V直流電源，當“+”端電位比“-”端電位高時，LM339輸出高電平，當“-”端電位比“+

54、”端電位高，LM339輸出低電位；如此重復，產生于另一個方波信號。通過改變電位器R4的大小，可以改變輸入“-”端的參考電壓的值，從而改變輸出方波的上升沿，調節(jié)范圍從0180°。 4）多諧振蕩器電路工作原理：此電路由555和其周圍的電阻、電容構成的多諧振蕩器，產生一些列的高頻脈沖列。接通電源瞬間，電容3上沒有電荷，此時THR=0V，所以=H，T管截止，經R1、R2對C充電，隨著時間的推移，THR=TRI=逐漸升高，當該電位達到2/3時，由H變?yōu)長，T管由截止變?yōu)閷?。此后C經過T管放電，（為T管導通電阻），THR=TRI=逐漸下降，當該電位下降到/3時，有L突變?yōu)镠，T管由導通變?yōu)榻刂?。此后C又充電，電路重復上述過程，進入下一個周期，如此周而復始，電路便處于振蕩狀態(tài)，輸出周期性的矩形脈沖。工作波形如上圖所示。如果忽略T管的導通電阻則可以求得，。 5）邏輯“與”電路工作原理：