單相橋式半控整流電路2課程設計

1、課程設計題目： 單相橋式半控整流電路2 學 生： 余青林 學 號： 201306010425 院 （系）： 電氣與信息工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導教師： 陳景文 2015年 12 月 25 日目 錄1 課程設計的目的與要求11.1 引言11.2 課程設計的目的11.3 課程設計的內(nèi)容和要求12 課程設計方案選擇12.1 整流電路12.2 元器件的選擇32.2.1 晶閘管33 單相橋式半控整流電路設計63.1 電路結構與工作原理63.1.1 電路結構63.1.2 工作原理63.2 兩種PISM圖及不同負載時的波形圖73.2.1 電感較大（100000H）的PISM圖73.2.2

2、電感較?。?.010H）的PISM圖103.3 基本數(shù)量關系及計算134 結果分析145 心得體會14參考文獻161 課程設計的目的與要求1.1 引言電力電子技術是弱電控制強電的方法和手段，是當代高新技術發(fā)展的重要內(nèi)容，也是支持電力系統(tǒng)技術革命發(fā)展的重要基礎，并節(jié)能降耗、增產(chǎn)節(jié)約提高生產(chǎn)效能的重要技術手段。微電子技術、計算機技術以及大功率電力電子技術的快速發(fā)展，極大地推動了電工技術、電氣工程和電力系統(tǒng)的技術發(fā)展和進步。 電力電子器件是電力電子技術發(fā)展的基礎。正是大功率晶閘管的發(fā)明，使得半導體變流技術從電子學中分離出來，發(fā)展成為電力電子技術這一專門的學科。電力電子技術的應用領域已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟

3、的各個部門，包括鋼鐵、冶金、化工、電力、石油、汽車、運輸以及人們的日常生活。功率范圍大道幾千兆瓦的高壓直流輸電，小到一瓦的手機充電器，電力電子技術隨處可見。電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用也有長足的發(fā)展，電力電子裝置與傳統(tǒng)的機械式開關操作設備相比有動態(tài)響應快，控制方便，靈活的特點，能夠顯著而改善電力系統(tǒng)的特性，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定、降低運行風險、節(jié)約運行力。1.2 課程設計的目的“電力電子技術”課程設計是在教學和實驗的基礎上，結合課程中所學理論知識，得到深化和提高。因此，通過電力電子技術課程設計以達到以下目的：1） 培養(yǎng)綜合應用所學的知識，并設計處具有電壓可調(diào)功能的直流電源系統(tǒng)的能力；2） 較全面的鞏

4、固和應用本課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌握整流電路設計的基本方法；3） 培養(yǎng)獨立思考、獨立收集資料、獨立設計的能力；4） 培養(yǎng)分析、總結及撰寫技術報告的能力。1.3 課程設計的內(nèi)容和要求在理解單相橋式半控整流電路（二極管在一個橋臂）電路工作原理的基礎上，設計出單相橋式半控整流電路帶電阻和電感（取較大和較小電感各一個）負載時的電路原理圖，使用PSIM軟件對所設計的電路帶不同負載的情況下晶閘管取不同的觸發(fā)角（要求=和<各取一個角度）進行仿真，分別獲得的波形，并對所給出的角度計算上述數(shù)值。2 課程設計方案選擇2.1 整流電路1單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單相橋式相控流電

5、路，它們所連接的負載性質(zhì)不同就不會有不同的特點。而負載性質(zhì)又分為帶電阻性負載、電阻-電感性負載和反電動勢負載時的工作情況。單相橋式半控整流電路（電阻負載 有續(xù)流二極管），電路簡圖如2-1圖 2-1該電路在實際應用中需要加設續(xù)流二極管，以避免可能可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。實際運行中，若沒有續(xù)流二極管，則當突然增大至180°或者觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導通或者兩個二極管輪流導通的情況，這使成為正弦半波，即半周期為正弦，另外半周期為零，其平均值保持恒定，相當于單相半波不可控整流電路時的波形，稱為失控。單相橋式半控整流電路（電感負載 無續(xù)流二極管），電路簡圖如2-2圖 2-2該電路沒有

6、續(xù)流二極管。相當于用圖2-2中的來代替續(xù)流二極管來實現(xiàn)續(xù)流的功能。故圖2-2電路，不會出現(xiàn)失控。且續(xù)流期間導電回路只有一個壓降管，少了一個壓降管，有利于降低損耗。12.2 元器件的選擇2.2.1 晶閘管晶閘管又稱晶體閘流管，可控硅整流管。其廣泛的應用，開辟了電力電子技術迅速發(fā)展的時代。被用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領域，成為功率低頻裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型-普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。晶閘管工作條件為：加正向電壓且門極有觸發(fā)電流；它是一種大功率開關型半導體器件，在電路中用文字符號為“V”、“VT”表示（舊標準中用字母“SCR”

7、表示）。晶閘管，以前被簡稱為可控硅；它有三個極：陽極，陰極和門極； 晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。 1） 晶閘管的結構晶閘管是大功率器件，工作時產(chǎn)生大量的熱，因此必須裝散熱器。引出陽極A、陰極K和門極G三個聯(lián)接端。內(nèi)部結構：四層三個結如圖2-3圖 2-32） 晶閘管的工作原理晶閘管由四層半導體（）組成，形成三個結()、()、()，并分別從引入A、G、K三個電極，如圖2-4（左）。由于具有擴散工藝，具有三結四層結構的普通晶閘管可以等效成如2-4（右）圖示的兩個晶閘管和組成的等

8、效電路。11圖 2-43）晶閘管工作的條件a） 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。這時晶閘管處于正向?qū)顟B(tài),這就是晶閘管的閘流特性,即可控特性.b） 晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。門極只起觸發(fā)作用c） 晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關斷。 d） 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài).。4） 晶閘管的基本特性a） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性又稱伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關系。這里陽極伏安特性和門極伏安特性。i 陽

9、極伏安特性晶閘管的陽極特性表示晶閘管陽極與陰極之間的電流之間的關系曲線，如圖2-5圖 2-5正向阻斷高阻區(qū)；負阻區(qū)；正向?qū)ǖ妥鑵^(qū)；反向阻斷高阻區(qū)陽極伏安特性可以劃分為兩個區(qū)域：第一象限為正向特性區(qū)，第三象限為反向特性區(qū)。第一象限的正向特性又可以分為正向阻斷狀態(tài)及正向?qū)顟B(tài)。ii 門極伏安特性晶閘管的門極與陰極間存在著一個PN結，門極伏安特性就是指這個PN51結上正向的門極電壓與門極電流之間的關系。由于這兒結的伏安特性很分散，無法找到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門極特性和一條極限低阻門極特性之間的一片區(qū)域來表示所有的門極伏安特性。如圖2-6陰影部分所示。圖 2-6b） 動態(tài)特性晶閘

10、管常用語低頻的相控電力電子電路中，有時也在高頻電力電子電路中得到應用，如逆變器等。在高頻電路應用時，需要嚴格的考慮晶閘管的開關特性，即開通特性和關斷特性。i 開通特性晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導通的過程稱為開通過程，如圖2-7給出了晶閘管開通特性。在晶閘管處于正向阻斷的條件下突加門極觸發(fā)電流，由于內(nèi)部正反饋過程及外電路電感的影響，陽極電流的增長需要一定的時間。延遲時間與上升時間之和為晶閘管的開通時間，延遲時間隨門極電流的增大而減少，延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。圖 2-7ii 關斷特性通過采用外加反壓的方法來將已導通的晶閘管關斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。要關斷已經(jīng)導通的晶閘管

11、，通常給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的關斷，就是要使各層區(qū)內(nèi)的載流子消失，使原件對正向陽極電壓回復阻斷能力。突加反向陽極電壓后，由于外電路電感的存在，晶閘管陽極電流的下降有一個過程，當陽極電流過零，也會出現(xiàn)反向恢復電流，方向電流達到最大值后，在朝反向1快速衰減接近于零，此時晶閘管恢復對反向電壓的阻斷能力。3 單相橋式半控整流電路設計3.1 電路結構與工作原理3.1.1 電路結構圖 3-1 3.1.2 工作原理假設電路工作于穩(wěn)態(tài)。在正半周，觸發(fā)角wt=處，給晶閘管加觸發(fā)脈沖，經(jīng)和向負載供電。過零變負時，因電感作用使電流連續(xù)，繼續(xù)導通。且負載電流流經(jīng)和串聯(lián)成的等效續(xù)流橋臂，使橋路直流輸出只有1V左

12、右的壓降，迫使晶閘管與二極管串聯(lián)電路中的電流減小到維持電流以下，使晶閘管關斷。不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象（即a點電位低于b點電位，使得電流從轉(zhuǎn)移至，關斷）。電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由和續(xù)流。此階段，忽略期間的通態(tài)，則，不像全控橋電路那樣出現(xiàn)為負的情況。在負半周wt=+時刻，觸發(fā)使其導通，則承受反壓而關斷，經(jīng)和向負載供電。11過零變正時，重復上述過程。3.2 兩種PISM圖及不同負載時的波形圖3.2.1 電感較大（100000H）的PISM圖1） 觸發(fā)角=30°時波形圖觸發(fā)角=30°時的波形觸發(fā)角=30°時的波形觸發(fā)角=30°時的波形11觸發(fā)角=30

13、6;時的波形觸發(fā)角=30°時的波形觸發(fā)角=30°時的波形2）觸發(fā)角=90°時波形圖觸發(fā)角=90°時的波形171觸發(fā)角=90°時的波形觸發(fā)角=90°時的波形觸發(fā)角=90°時的波形觸發(fā)角=90°時的波形觸發(fā)角=90°時的波形1713.2.2 電感較?。?.010H）的PISM圖1）觸發(fā)角=30°時波形圖觸發(fā)角=30°時的波形觸發(fā)角=30°時的波形觸發(fā)角=30°時的波形171觸發(fā)角=30°時的波形觸發(fā)角=30°時的波形觸發(fā)角=30°時的波形2

14、） 觸發(fā)角=90°時波形圖觸發(fā)角=90°時的波形171觸發(fā)角=90°時的波形觸發(fā)角=90°時的波形觸發(fā)角=90°時的波形觸發(fā)角=90°時的波形171觸發(fā)角=90°時的波形3.3 基本數(shù)量關系及計算1） 直流輸出電壓平均值 （1-1）=0時，=0.9;=180時，=0?？梢?，角的移相范圍為180°。向負載輸出的直流電流平均值為 （1-2）管子、和、輪流導電，流過管子的電流平均值只有輸出電流平均值的一半，即 = （1-3）流過晶閘管的電流有效值為 （1-4）2） 電阻R=10,設=100V,當=30°時，代入

15、上述公式96.94v171AA3） 電阻R=10,設=100V,當=90°時，代入上述公式4 結果分析通過PISM仿真出的波形基本與理論結果相符合。實現(xiàn)了課程設計需要達到的基本功能。但存在一定的波形失真。通過對較大電感和較小電感PISM圖得到的波形圖的比較，發(fā)現(xiàn)大電感對電路的波形有很大的的影響。通過理論上的計算和實際結果的比較，確定大電感時，各波形更易出現(xiàn)失真。5 心得體會本次課程設計讓我明白了很多關于電力電子技術方面的知識。尤其是在書中介紹不完全的部分。要完成這次課程設計，僅僅靠書本上的知識是遠遠不夠的，所以我查閱了一些關于電力電子技術的書籍，并且也通過網(wǎng)絡查到了很多有關電力電子的

16、知識。對于課程設計的內(nèi)容，首先要做的是對設計內(nèi)容的理論有所理解，在理論充分理解的基礎上，才能做好這個課程設計，才能設計出性能良好的電路。設計過程中，我明白了整流電路，尤其是單相橋式半控整流電路的重要性以及整流電路設計方法的多樣性。這次課設不是我設計時間最長的一次，卻是收獲最大的一次。剛拿到題目的時候覺得很簡單，但做的過程中困難重重，如仿真時候晶閘管、觸發(fā)脈沖和示波器的參數(shù)設置，這次課程設計使我明白了理論與實踐之間的遙遠。以及將理論用于實踐，再結合實際結果分析總結的重要性。另外通過這次課程設計，我對文檔的編排有了更深的掌握，這對于以后的畢業(yè)設計以及工作需要都有很大的幫助，在完成課程設計的同時，我也在復習1一些電力電子這門課程的一些知識。把以前的一些沒學懂