單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì)

1、 電力電子課程設(shè)計(jì) 班 級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 目錄摘要11單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì)21.1晶閘管的介紹21.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)21.1.2晶閘管的工作原理21.1.3晶閘管的伏安特性41.2總電路的設(shè)計(jì)51.2.1 總電路的原理框圖51.2.2 主電路原理圖61.3 相控觸發(fā)電路設(shè)計(jì)71.3.1 相控觸發(fā)電路工作原理71.3.2相控觸發(fā)芯片的選擇71.4保護(hù)電路設(shè)計(jì)92電路參數(shù)及元件選擇102.1主電路電路參數(shù)計(jì)算102.2電路元件的選擇112.2.1整流元件的選擇112.2.2保護(hù)元件的選擇113 MATLAB仿真123.1 MATLAB軟件介紹123.2系統(tǒng)建模及電

2、路仿真123.3系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析154設(shè)計(jì)總結(jié)16參考文獻(xiàn)17摘要電力電子技術(shù)是一門(mén)新興技術(shù)，它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而成的，在電氣自動(dòng)化專業(yè)中已成為一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)性強(qiáng)且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程體現(xiàn)了弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。它包括了晶閘管的結(jié)構(gòu)和分類、晶閘管的過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無(wú)源逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明時(shí)期。晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。并且，其應(yīng)用范圍

3、也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。晶閘管是通過(guò)對(duì)門(mén)極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制式，簡(jiǎn)稱相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。整流電路按組成的器件不同，可分為不可控、半控與全控三種，利用晶閘管半導(dǎo)體器件構(gòu)成的主要有半控和全控整流電路；按電路接線方式可分為橋式和零式整流電路；按交流輸入相數(shù)又可分為單相、多相（主要是三相）整流電路。正是因?yàn)檎麟娐酚兄绱藦V泛的應(yīng)用，因此整流電路的研究無(wú)論在是從經(jīng)濟(jì)角度，還是從科學(xué)研究角度上來(lái)講都是很有價(jià)值的。本設(shè)計(jì)正是結(jié)合了Matla

4、b仿真軟件對(duì)單相雙半波晶閘管整流電路在阻感負(fù)載下進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：晶閘管，整流電路，Matlab,仿真，阻感負(fù)載，相控方式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設(shè)計(jì)1.1晶閘管的介紹1.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是一種4層功率半導(dǎo)體器件，具有3個(gè)PN結(jié)，其結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)如圖1-1所示。其中，最外層的P區(qū)和N區(qū)分別引出兩個(gè)電極，稱為陽(yáng)極A和陰極K，中間的P區(qū)引出控制極（或稱門(mén)極）。 圖1-1 晶閘管的結(jié)構(gòu)及電氣符號(hào)1.1.2晶閘管的工作原理晶閘管組成的實(shí)際電路如圖1-2所示。圖1-2 組成的實(shí)際電路圖為了說(shuō)明晶閘管的工作原理，可將其看成NPN和PNP兩個(gè)三極管

5、相連，用三極管的符號(hào)來(lái)表示晶閘管的等效電路，如圖1-3所示。圖1-3 晶閘管雙晶體管模型其工作過(guò)程如圖1-4所示。當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極A和陰極K之間加正向電壓UZ而控制極K不加電壓時(shí)，中間的PN結(jié)處于反向偏置，管子不導(dǎo)通，處于關(guān)斷狀態(tài)。圖1-4 晶閘管工作原理當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極A和陰極K之間加正向電壓UA，且控制極G和陰極K之間也加正向電壓UG時(shí)，外層靠下的PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。若V2管的基極電流為IB2，則集電極電流Ic2為2IB2，V1管的基極電流IB1等于Vz管的集電極電流，因而V2的集電極電流Icl為l2，該電流又作為V2管的基極電流，再一次進(jìn)行上述的放大過(guò)程，形成正反饋。在很短的時(shí)間（一般幾微秒

6、）兩只二極管均進(jìn)入飽和狀態(tài)，使晶閘管完全導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管完全導(dǎo)通后，控制極就失去了控制作用，管子依靠?jī)?nèi)部的正反饋始終維持導(dǎo)通狀態(tài)。此對(duì)管子壓降很小，一般為0. 61.2 V，電源電壓幾乎全部加在負(fù)載電阻R上，晶閘管中有電流流過(guò)，可達(dá)幾十至幾千安。要想關(guān)斷晶閘管，必須將陽(yáng)極電流減小到不能維持正反饋過(guò)程，當(dāng)然也可以將陽(yáng)極電源斷開(kāi)或者在晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間加一反向電壓。綜上所述，可得如下結(jié)論：1) 晶閘管與硅整流二極管相似，都具有反向阻斷能力，但晶閘管還具有正向阻斷能力，即晶閘管正向?qū)ū仨毦哂幸欢ǖ臈l件：陽(yáng)極加正向電壓，同時(shí)控制極也加正向觸發(fā)電壓（實(shí)際工作中，控制極加正觸發(fā)脈沖信號(hào)）。2) 晶閘管

7、一旦導(dǎo)通，控制極即失去控制作用。要使晶閘管重新關(guān)斷，必須做到以下兩點(diǎn)之一：一是將陽(yáng)極電流減小到小于維持電流IH；二是將陽(yáng)極電壓減小到零或使之反向。1.1.3晶閘管的伏安特性晶閘管的導(dǎo)通和截止這兩個(gè)工作狀態(tài)是由陽(yáng)極電壓、陽(yáng)極電流及控制極電流決定的，而這幾個(gè)量又是互相有聯(lián)系的，在實(shí)際應(yīng)用上常用實(shí)驗(yàn)曲線來(lái)表示它們之間的關(guān)系，這就是晶閘管的伏安特性曲線，其伏安特性曲線如圖1-5所示，可分為正向特性和反向特性曲線兩部分。圖1-5 晶閘管的伏安特性1) 晶閘管的正向特性當(dāng)U>O時(shí)對(duì)應(yīng)的特性曲線為正向特性。由圖1-5可知，晶閘管的正向特性分為關(guān)斷狀態(tài)OA段和導(dǎo)通狀態(tài)BC段。當(dāng)控制極電流IG=0時(shí)，逐漸

8、增加陽(yáng)極電壓U，觀察陽(yáng)極電流I的變他情況。開(kāi)始時(shí)，三個(gè)PN結(jié)只有一個(gè)導(dǎo)通，晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流。當(dāng)電壓增加到正向轉(zhuǎn)折電壓U=UBO時(shí)，晶閘管突然導(dǎo)通，進(jìn)入伏安特性的BC段。此時(shí)晶閘管可通過(guò)較大的電流，而管壓降很小。在晶閘管導(dǎo)通后，若減小正向電壓，則正向電流就逐漸減小。當(dāng)電流小到某一數(shù)值時(shí)，晶閘管又從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小電流稱為維持電流IH。從圖1-5的晶閘管的正向伏安特性曲線可見(jiàn)，當(dāng)陽(yáng)極正向電壓高于轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，元件將導(dǎo)通。但是這種導(dǎo)通方法很容易造成晶閘管的不可恢復(fù)性擊穿而使元件損壞，在正常工作時(shí)是不采用的。晶閘管的正常導(dǎo)通受控制極電流IG的控制，為了正確使

9、用晶閘管，必須了解其控制極特性。當(dāng)控制極加正向電壓時(shí)，控制極電路就有電流IG，晶閘管容易導(dǎo)通，其正向轉(zhuǎn)折電壓降低，特性曲線左移?？刂茦O電流越大，正向轉(zhuǎn)折電壓越低。改變控制極電流IG，控制極電流越大(IGl>IG2>0)，轉(zhuǎn)折電壓UBO就越低。2) 晶閘管的反向特性當(dāng)U<O時(shí)對(duì)應(yīng)的特性曲線為反向特性。當(dāng)晶閘管加反向電壓時(shí)，三個(gè)PN結(jié)中有兩個(gè)是反向偏置，只有很小的反向漏電流IR。反向電壓U增加到一定數(shù)值后，反向電流急劇增加，使晶閘管反向擊穿，將這一電壓值稱為反向轉(zhuǎn)折電壓UBR。此時(shí)，晶閘管的工作狀態(tài)與控制極是否加觸發(fā)電壓無(wú)關(guān)。但晶閘管一旦反向擊穿就永久損壞，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)避免出現(xiàn)

10、這種狀況。1.2總電路的設(shè)計(jì)1.2.1 總電路的原理框圖總電路原理圖如1-6所示。圖1-6 總電路的原理框圖該電路主要由四部分構(gòu)成，分別為電源，過(guò)電保護(hù)電路，整流電路和觸發(fā)電路構(gòu)成。輸入的信號(hào)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)，不至于傷害到晶閘管和負(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)后的信號(hào)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)題目的要求為單相雙半波整流電路。該電路的結(jié)構(gòu)和工作原理是利用晶閘管的開(kāi)關(guān)特性實(shí)現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ堋谓Y(jié)晶體管直接觸發(fā)電路的移相范圍變化較大

11、，而且由于是直接觸發(fā)電路它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。方便我們對(duì)設(shè)計(jì)電路中變壓器型號(hào)的選擇。1.2.2 主電路原理圖單相雙半波整流電路如圖1-7所示。 圖1-7 單相雙半波整流電路單相雙半波可控整流電路中，變壓器T帶抽頭，在U2正半周，VT1工作,變壓器二次繞組上半部分通過(guò)電流。U2負(fù)半周，VT2工作，變壓器二次繞組下半部分流過(guò)反向電流。由上波形圖知,單相雙半波可控整流電路的Ud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)，也由相同的結(jié)論單相全控橋整流電路如圖1-8所示。圖1-8 單相全控橋整流電路圖因此，單相雙半波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均

12、是一致的。二者區(qū)別在于：?jiǎn)蜗嚯p半波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材料的消耗多。單相雙半波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，相應(yīng)的，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。單相雙半波導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管，比單相橋少1個(gè)，因而也少了一次管壓降。單相雙半波整流電路阻感負(fù)載電路如圖1-9所示。圖1-9 單相雙半波整流電路阻感負(fù)載電路圖在電源電壓正半周期間，晶閘管VT1承受正相電壓，VT2承受反相電壓。若在t=a時(shí)觸發(fā)，VT1導(dǎo)通，電流經(jīng)VT1、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VT1繼續(xù)導(dǎo)通，直到VT2被觸發(fā)時(shí)，VT1承受

13、反向電壓而截至。在電源電壓負(fù)半周期間，晶閘管VT2承受正向電壓，在t=a+時(shí)觸發(fā)，VT2導(dǎo)通，VT1反向則截止，負(fù)載電流從VT1中換流至VT2中。在t=2時(shí)，電壓過(guò)零，VT2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VT1導(dǎo)通時(shí)。只有當(dāng)a/2時(shí),負(fù)載電流才連續(xù),當(dāng)a>/2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,因此這種電路控制角的移相范圍是0/2。1.3 相控觸發(fā)電路設(shè)計(jì)1.3.1 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（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電

14、流）。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)掣住電流而維持導(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。1.3.2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)電路適用于單相、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,可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具有輸出負(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)。觸發(fā)器KJ004引

15、腳圖如圖1-10所示。圖1-10 KJ004引腳圖觸發(fā)器KJ004管腳功能如表1-1所示。表1-1 觸發(fā)器KJ004管腳功能表功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調(diào)制輸出+Vcc引線腳號(hào)12345678910111213141516單結(jié)晶體管觸發(fā)電路由單結(jié)晶體管構(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。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，相控觸發(fā)電路如圖1-11所示。圖1-11 相控觸發(fā)電路圖1.4保護(hù)電路設(shè)計(jì)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

16、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)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)電壓保護(hù)。過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)電路如圖1-12所示。圖1-12 過(guò)流、過(guò)電壓保護(hù)電路圖2.電路參數(shù)及元件選擇2.1主電路電路參數(shù)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： (2-1

17、)由設(shè)計(jì)任務(wù)有輸出功率P=500W,電感L=1000mH，則輸出電壓平均值Ud的最大值可由下式可求得。 Ud=0.9×50×1=45v (2-2)可見(jiàn)，當(dāng)在范圍內(nèi)變化時(shí)，整流器可在045V范圍內(nèi)取值。2) 整流輸出電流平均值為： (2-3)3) 在一個(gè)周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通180°，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I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： (2-4) (2-5)4) 晶閘管在導(dǎo)通時(shí)管壓降=0,故其波形為與橫軸重合的直線段；VT1和VT2加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒(méi)到時(shí)，VT3、VT4已導(dǎo)通

18、，把整個(gè)電壓加到VT1或VT2上，則每個(gè)元件承受的最大可能的正向電壓等于；VT1和VT2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VT1或VT2上，故兩個(gè)晶閘管承受的最大反向電壓也為。2.2電路元件的選擇2.2.1整流元件的選擇由于單相雙半波整流帶阻性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。晶閘管的主要參數(shù)如下：1) 額定電壓UNVT 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM是在門(mén)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URRM是在門(mén)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UDRM和URRM中較小的，

19、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 UNVT （23）2U2 （3-1）UNVT ：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓 UNVT =(2-3)2U2=（282.8-424.3）V2) 額定電流INVT考慮安全裕量， 2.2.2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?？烊垡话闩c電

20、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。3. MATLAB仿真3.1 MATLAB軟件介紹本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）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(kāi)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

21、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(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。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)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink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)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。3.2系統(tǒng)建模及電路仿真仿真電路如圖3-1所示。圖3-1 仿真電路圖電路仿真波形如下：1) 當(dāng)=30時(shí)，仿真波形如圖3-2所示。圖3-2 =30時(shí)，仿真波形圖2) 當(dāng)=60時(shí)，仿真波形如圖3-3所示。圖3-3 =60時(shí)，仿真波形圖3) 當(dāng)=90時(shí)，仿真波形如圖3-4所示。圖3-4 =90時(shí)，仿真波形圖3.3系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開(kāi)始進(jìn)行仿真。圖3-2、圖3-3、圖3-4分別是單相雙半波晶閘管整流電路仿真模型在分別為30°、60°、90°時(shí)的輸出曲線。從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。4.設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)單相雙半波整流電路的設(shè)計(jì)，使我加深了對(duì)單相雙半波晶閘管