單相橋式整流電路

電力電子技術課程設計說明書單相橋式整流電路的設計院、部：學生姓名：指導教師：職稱專業(yè)：班級：完成時間：Ⅰ摘要整流電路（rectifyingcircuit）把交流電能轉換為直流電能的電路。大多數整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調速、發(fā)電機的勵磁調節(jié)、電解、電鍍等領域得到廣泛應用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網與整流電路之間的電隔離?？梢詮母鞣N角度對整流電路進行分類，主要的分類方法有：按組成的期間可分為不可控，半控，全控三種；按電路的結構可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側電流的方向是單向還是雙向，又可分為單拍電路和雙拍電路。本次設計的主題是設計一個單相橋式電路。確定設計方案，通過方案來設計各個單元電路，如觸發(fā)電路、保護電路等。根據要求計算參數，包括觸發(fā)角的選擇，輸出平均電壓，輸出平均電流，輸出有功功率計算，輸出波形分析，器件額定參數確定等。完成這些后，將各個單元電路銜接起來，并完成主電路的設計。然后再用PSIM軟件仿真，如有錯誤進行修改，最后將仿真圖形保存下來。關鍵字：設計；仿真；單相橋式單相橋式整流主電路的設計2.1單相橋式整流電路原理主電路原理圖如圖1所示。圖1主電路原理圖電路主要由四部分構成，分別為電源、過電保護電路、整流電路和觸發(fā)電路構成。輸入的信號經變壓器變壓后通過過電保護電路，保證電路出現(xiàn)過載或短路故障時，不至于傷害到晶閘管和負載。在電路中還加了防雷擊的保護電路。然后將經變壓和保護后的信號輸入整流電路中。整流電路中的晶閘管在觸發(fā)信號的作用下動作，以發(fā)揮整流電路的整流作用。2.2單相橋式整流電路參數選擇由于單相橋式全控整流帶電感性負載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時主要考慮晶閘管的參數及其選取原則。2.2.1晶閘管的主要參數通常取UDRM和URRM中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓應為正常工作峰值電壓的2～3倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓UTM：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓②額定電流IT(AV)IT(AV)又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40°和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170°的電路中，結溫不超過額定結溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。ITn：額定電流有效值，根據管子的IT(AV)換算出，IT(AV)、ITMITn三者之間的關系：波形系數：有直流分量的電流波形，其有效值與平均值之比稱為該波形的波形系數，用Kf表示。額定狀態(tài)下，晶閘管的電流波形系數晶閘管承受最大電壓為考慮到2倍裕量，取400V.③通態(tài)平均管壓降UT(AV)。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導通的正弦波半個周期內陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.4～1.2V。2.2.2變壓器的選取根據參數計算可知:變壓器應選變比為2,容量至少為24.2V·A。2.3單相橋式整流電路性能指標整流電路的性能常用兩個技術指標來衡量：一個是反映轉換關系的用整流輸出電壓的平均值表示；另一個是反映輸出直流電壓平滑程度的，稱為紋波系數。（1）整流輸出電壓平均值===(6)（2)紋波系數紋波系數用來表示直流輸出電壓中相對紋波電壓的大小，即(7)

3單元電路的設計3.1觸發(fā)電路的設計3.1.1單結晶體管單結晶體管（簡稱UJT）又稱基極二極管，它是一種只有PN結和兩個電阻接觸電極的半導體器件，它的基片為條狀的高阻N型硅片，兩端分別用歐姆接觸引出兩個基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側用合金法制作一個P區(qū)作為發(fā)射極e。其結構，符號和等效電如圖2所示。圖2單結晶體管原理3.1.2單結晶體管的特性兩基極b1和b2之間的電阻稱為基極電阻。Rb1——第一基極與發(fā)射結之間的電阻，其數值隨發(fā)射極電流ie而變化，rb2為第二基極與發(fā)射結之間的電阻，其數值與ie無關；發(fā)射結是PN結，與二極管等效。若在兩面三刀基極b2，b1間加上正電壓Ubb，則A點電壓為：UA=[rb1/（rb1+rb2）]Ubb=（rb1/rbb）Ubb=ηUbb(8)式中：η——稱為分壓比，其值一般在0.3—0.85之間，如果發(fā)射極電壓VE由零逐漸增加，就可測得單結晶體管的伏安特性，見圖3：圖3單結晶體管的伏安特性（1）當Ue〈ηUbb時，發(fā)射結處于反向偏置，管子截止，發(fā)射極只有很小的漏電流Iceo。（2）當Ue≥ηUbb+UDUD為二極管正向壓降（約為0.7V），PN結正向導通，Ie顯著增加，rb1阻值迅速減小，Ue相應下降，這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負阻特性。管子由截止區(qū)進入負阻區(qū)的臨界P稱為峰點，與其對應的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點電壓Ip和峰點電流Ip。Ip是正向漏電流，它是使單結晶體管導通所需的最小電流，顯然Up=ηUbb。（3）隨著發(fā)射極電流Ie的不斷上升，Ue不斷下降，降到V點后，Ue不再下降了，這點V稱為谷點，與其對應的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點電壓Uv和谷點電流Iv。（4）過了V后，發(fā)射極與第一基極間半導體內的載流子達到了飽和狀態(tài)，所以uc繼續(xù)增加時，ie便緩慢的上升，顯然Uv是維持單結晶體管導通的最小發(fā)射極電壓，如果Ue〈Uv，管子重新截止。單結晶體管的主要參數（1）基極間電阻Rbb發(fā)射極開路時，基極b1，b2之間的電阻，一般為2-10千歐，其數值隨溫度的上升而增大。（2）分壓比η由管子內部結構決定的參數，一般為0.3--0.85。（3）eb1間反向電壓Vcb1b2開路，在額定反向電壓Vcb2下，基極b1與發(fā)射極e之間的反向耐壓。（4）反向電流Ieob1開路，在額定反向電壓Ucb2下，eb2間的反向電流。（5）發(fā)射極飽和壓降Ueo在最大發(fā)射極額定電流時，eb1間的壓降。（6）峰點電流Ip單結晶體管剛開始導通時，發(fā)射極電壓為峰點電壓時的發(fā)射極電流。3.2觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產生的觸發(fā)脈沖要求：（1）觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。（2）觸發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。（3）觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。（4）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。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個同步變壓器，將其一次側接入為主電路供電的電網，由其二次側提供同步電壓信號，這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管頻率始終是一致的。觸發(fā)電路的定相由多方面的因素確定，主要包括相控電路的主電路結構、觸發(fā)電路結構等。只有根據各晶閘管供電電壓的相位正確決定各觸發(fā)電路同步電壓uTS的相位，才能保證各晶閘管有相同的控制角α，相同的輸出電壓波形。正確選擇同步電壓相位，叫做晶閘管電路的同步或定相，它是變流裝置設計、安裝、調整、維護中的重要問題。鋸齒波同步觸發(fā)電路的同步電壓uTS和晶閘管的供電電壓之間的相位關系分析如下：據單相電路要求移相范圍00～1800，即要求觸發(fā)電路在正半波范圍內發(fā)出脈沖。由此可見，為保證觸發(fā)電路與主電路的同步，其晶閘管的供電電壓和觸發(fā)電路的同步電壓uTS相位差1800。3.2.1單結晶體管觸發(fā)電路由單結晶體管構成的觸發(fā)電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強、溫度補償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應用。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如4-4（a）所示。3.2.2單結晶體管自激震蕩電路利用單結晶體管的負阻特性與RC電路的充放電可組成自激振蕩電路，產生頻率可變的脈沖。從圖4（a）可知，經D1-D2整流后的直流電源UZ一路徑R2、R1加在單結晶體管兩個基極b1、b2之間，另一路通過Re對電容C充電，發(fā)射極電壓ue=uc按指數規(guī)律上升。Uc剛沖點到大于峰點轉折電壓Up的瞬間，管子e-b1間的電阻突然變小，開始導通。電容C開始通過管子e-b1迅速向R1放電，由于放電回路電阻很小，故放電時間很短。隨著電容C放電，電壓Ue小于一定值，管子BT又由導通轉入截止，然后電源又重新對電容C充電，上述過程不斷重復。在電容上形成鋸齒波震蕩電壓，在R1上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖脈沖us，如圖4（b）所示，其震蕩頻率為：f=1/T=1/ReCln(1/1-η)(9)式中η=0.3～0.9是單結晶體管的分壓比。即調節(jié)Re，可調節(jié)振蕩頻率圖4單結晶體管觸發(fā)電路及波形4 仿真調試4.1仿真軟件的介紹MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數學軟件，用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。豐富的可擴充的預定義模塊庫交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖以設計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復雜設計的管理通ModelExplorer導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數、屬性，生成模型代碼提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成使用EmbeddedMATLAB?模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調用MATLAB算法使用定步長或變步長運行仿真，根據仿真模式(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為可訪問MATLAB從而對結果進行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數和測試數據模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤。4.2仿真模型建立啟動MATLAB，進入SIMULINK后建文檔，繪制單相橋式全控整流電路模型如圖12所示，雙擊各模塊，在出現(xiàn)的對話框內設置模塊。圖12單相橋式可控整流電路仿真電路圖設置好各模塊參數，單擊工具欄“Simulation”菜單下的“Start”命令進行仿真。雙擊各模塊，得到仿真結果。4.3仿真結果脈沖為0度、30度、60度、90度時仿真結果分別如圖13、圖14、圖15、圖16所示。圖130度仿真波形圖圖1430度仿真波形圖圖1560度仿真波形圖圖1690度仿真波形圖

結束語學習電力電子技術這門課已經一個學期了，正所謂“紙上得來終覺淺”，通過本次課程設計，我對直流降壓斬波電路有了深刻的了解，從主電路的設計到觸發(fā)電路的設計，從元器件的選擇到Matlab仿真，使我深感自己知識的不足，但通過到圖書館查閱相關資料以及瀏覽相關網站使我增長了不少的知識，詳細閱讀當然是不現(xiàn)實的，我選取了一部分跟這次課程設計有關的內容進行了解，最終成功完成了直流降壓斬波電路的設計。關于本次的課程設計，剛開始我選用了Multisim軟件，以前電路實驗我有用過這個軟件，我用的版本是multisim10,里面的芯片還是挺齊的，唯一的遺憾就是沒有SG3525芯片，于是我用了一個16個接線頭的集成電路模擬，在仿真的時候我用輸入矩形波代替了SG3525，不過仿真過程不太順利，老是有錯誤出現(xiàn)無法運行，這讓我有些泄氣。于是我決定還是用Matlab中的Simulink來完成仿真這一塊。WPS文字編輯也越熟練了。電腦上仿真差不多以后我又到學校的實驗室對電路進行了實際接線，其實在平時的實驗中我有做過Buck電路，實驗臺上的器件也很齊全，接線也比較容易，所以完成得比較順利。當然在設計的過程中也遇到了很多的問題，比如在計算元器件參數是缺少理論依據難以正確的計算相應的參數；在選取元器件型號和參數時，缺少實際經驗難以找到合適的元件；在用MATLAB軟件仿真是遇到了許多操作上的問題，致使仿真花費的很多時間才達到有效效果。雖然遇到了許多的困難但是我還是通過不斷的學習解決了這些難題。

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