單相半控橋式晶閘管整流電路(電阻負(fù)載)

電氣工程學(xué)院電力電子課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：單相半控橋式晶閘管整流電路（電阻負(fù)載）學(xué)號(hào)：姓名：同組人：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：設(shè)計(jì)地點(diǎn)：

電力電子課程設(shè)計(jì)成績評定表姓名學(xué)號(hào)課程設(shè)計(jì)題目：單相半控橋式晶閘管整流電路（電阻負(fù)載）課程設(shè)計(jì)答辯或提問記錄：成績評定依據(jù)：課程設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)報(bào)告及方案設(shè)計(jì)情況（30％）：課程設(shè)計(jì)考勤情況（15％）：課程設(shè)計(jì)調(diào)試情況（30％）：課程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)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(dǎo)教師簽字：年月日

電力電子課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：一、課程設(shè)計(jì)題目：單相半控橋式晶閘管整流電路（電阻負(fù)載）二、課程設(shè)計(jì)要求1.根據(jù)具體設(shè)計(jì)課題的技術(shù)指標(biāo)和給定條件，獨(dú)立進(jìn)行方案論證和電路設(shè)計(jì)，要求概念清楚、方案合理、方法正確、步驟完整；2.查閱有關(guān)參考資料和手冊，并能正確選擇有關(guān)元器件和參數(shù)，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真；3.完成預(yù)習(xí)報(bào)告，報(bào)告中要有設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)電路圖，還要有仿真結(jié)果；4.進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電路調(diào)試，邊調(diào)試邊修正方案；5.撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告——最終的電路圖、調(diào)試過程中遇到的問題和解決問題的方法。三、進(jìn)度安排1．時(shí)間安排序號(hào)內(nèi)容學(xué)時(shí)安排（天）1方案論證和系統(tǒng)設(shè)計(jì)12完成電路仿真，寫預(yù)習(xí)報(bào)告13電路調(diào)試24寫設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告與答辯1合計(jì)5設(shè)計(jì)調(diào)試地點(diǎn)：電氣樓4102．執(zhí)行要求課程設(shè)計(jì)共5個(gè)選題，每組不得超過2人，要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，獨(dú)力完成所設(shè)計(jì)的詳細(xì)電路（包括計(jì)算和器件選型）。嚴(yán)禁抄襲，嚴(yán)禁兩篇設(shè)計(jì)報(bào)告雷同。摘要本次課程設(shè)計(jì)的題目為：單相半控橋式晶閘管整流電路，其中負(fù)載為純電阻負(fù)載。電路設(shè)計(jì)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(fù)載），其電路設(shè)計(jì)的主要功能為：單相橋式半控整流電路的工作特點(diǎn)是晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，而整流二極管在陽極電壓高于陰極電壓時(shí)自然導(dǎo)通。單相橋式半控整流電路在純電阻負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，當(dāng)相控角α<180°時(shí)，可實(shí)現(xiàn)將交流電功率變?yōu)橹绷麟姽β实南嗫卣鳎瑫r(shí)，調(diào)節(jié)觸發(fā)電路，可改變觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)壓；在α>180°時(shí)，由于二極管的單相導(dǎo)電性，電路無法實(shí)現(xiàn)逆變，輸出電壓為零。關(guān)鍵詞：單相半控橋式晶閘管整流電路、純電阻負(fù)載、相控角調(diào)節(jié)AbstractABSTRACT：Curriculumdesigntopics:single-phasehalf-controlledbridgethyristorrectifiercircuit,wheretheloadispurelyresistiveload.Themainparametersandrequirementsofthecircuitdesign:1,thepowersupplyvoltage:AC100V/50Hz,outputpower:500W;2;3,thephaseshiftrange:0o~180o.Forthesinglephasehalfcontrolledbridgethyristorrectifiercircuit(resistiveload),themainfunctionofthecircuitdesign:Characteristicsofsinglephasebridgehalfcontrolledrectifiercircuitistriggeredthyristorturn-on,andrectifierdiodeishigherthanthatofcathodevoltageintheanodevoltagenaturalconduction.Singlephasebridgehalfcontrolledrectifiercircuitloadcurrentiscontinuousinthepureresistance,whilethemouldingsα<180°,canrealizethephasecontrolrectifier,ACpowerintoDCpoweratthesametime,adjustingtriggercircuit,whichcanchangethetriggerangleregulator;whenα>180°,becausethephaseconductivitydiode,thecircuitcannotbeachievedinverter,outputvoltagetozero.KEYWORDS：Singlephasehalfcontrolledbridgethyristorrectifiercircuit,pureresistiveload,adjustphasemouldings

目錄系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)···························································1一、主電路方案設(shè)計(jì)··························································1主電路方案論證······················································1主電路結(jié)構(gòu)及其工作原理··············································2參數(shù)計(jì)算····························································3主電路器件選用······················································3二、控制電路方案設(shè)計(jì)························································42.1觸發(fā)控制電路方案····················································42.1.1方案一····························································42.1.2方案二····························································5第二章仿真·································································8一、主電路仿真·····························································81.1仿真設(shè)置····························································81.2仿真結(jié)果····························································10二、控制電路仿真···························································112.1方案一仿真··························································112.2方案二仿真··························································132.2.1各部分電路分析與仿真·············································142.2.2輸出控制信號(hào)仿真·················································17第三章電路調(diào)試·····························································19一、實(shí)物制作······························································19二、實(shí)際控制信號(hào)測量······················································202.1電路各組成部分輸出波形·············································202.2控制信號(hào)輸出波形···················································21第四章結(jié)論································································24第五章心得體會(huì)與建議······················································25參考文獻(xiàn)····································································26附錄1：元器件清單···························································27第一章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)一、主電路方案設(shè)計(jì)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(diào)整方便、使用元件少等優(yōu)點(diǎn)，而且不會(huì)導(dǎo)致失控顯現(xiàn)，續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，少了一個(gè)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)流二極管的電路具有自續(xù)流能力，但一旦出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致：一只晶閘管與兩只二極管之間輪流導(dǎo)電，其輸出電壓失去控制，這種情況稱之為“失控”。失控時(shí)的的輸出電壓相當(dāng)于單相半波不可控整流時(shí)的電壓波形。在失控情況下工作的晶閘管由于連續(xù)導(dǎo)通很容易因過載而損壞。因?yàn)榘雽?dǎo)體本身具有續(xù)流作用，半控電路只能將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?，而直流電能不能返回到交流電能中去，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(jīng)過比較本設(shè)計(jì)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。1.2主電路結(jié)構(gòu)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(diào)整方便、使用元件少等優(yōu)點(diǎn)，但卻有整流電壓脈動(dòng)大、輸出整流電流小的缺點(diǎn)。其使用的電路圖如下圖2-1所示。圖1-3主體電路結(jié)構(gòu)原理圖在交流輸入電壓u2的正半周（a端為正）時(shí)，Th1和D1承受正向電壓。這時(shí)如對晶閘管Th1引入觸發(fā)信號(hào)，則Th1和D1導(dǎo)通電流的通路為u2+→Th1→R→D1→u2-。這時(shí)Th2和D1都因承受反向電壓而截至。同樣，在電壓u2的負(fù)半周時(shí)，Th2和D2承受正向電壓。這時(shí)，如對晶閘管Th2引入觸發(fā)信號(hào)，則Th2和D2導(dǎo)通，電流的通路為：u2-→Th2→R→D2→u2+。這時(shí)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：U輸出電流的平均值：I1.3參數(shù)計(jì)算輸出電壓平均值：U輸出電流平均值：I流過晶閘管電流有效值：I交流側(cè)相電流的有效值：I續(xù)流管電流有效值：I1.4主電路器件選用：由已知條件可知U1=100VPo=500W移相范圍0°—180°假設(shè)R=1.25Ω，α=0°，可得：UI輸出電壓有效值：U所以變壓器變比：N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：U額定電流：I流過晶閘管電流有效值：I晶閘管平均電流(有裕量)：I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(shè)計(jì)為保證相控電路的正常工作，很重要的一點(diǎn)是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時(shí)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：觸發(fā)電路輸出的脈沖必須具有足夠的功率；觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的主電壓保持同步；觸發(fā)脈沖能滿足主電路移相范圍的要求；觸發(fā)脈沖要具有一定的寬度，前沿要陡。2.1.1方案一:單結(jié)晶體管自激振蕩電路：1.電源接通：E通過Re對C充電，時(shí)間常數(shù)為ReC；2.Uc增大，達(dá)到UP，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，C通過R1放電；3.Uc減少，達(dá)到Uv，單結(jié)晶體管截止，ｕR1下降，接近于零；4.重復(fù)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-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）LM339LM339引腳圖LM393引腳圖主要功能：LM339內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。在任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓，另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)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(huì)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(shí)驗(yàn)過程中LM339較為緊缺，所以我們改用LM393進(jìn)行試驗(yàn)，因?yàn)長M339與LM393的功能與性能較為接近，只是封裝稍有不同。（2）LM324主要功能：LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，每一個(gè)運(yùn)算放大器有3個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，，還有一個(gè)為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，“-”為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端的信號(hào)與該輸入端的位相反；“+”為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端的信號(hào)與該輸入端的相位相同。（3）LM555主要功能：LM555時(shí)基電路內(nèi)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1兩種狀態(tài)，它的狀態(tài)由輸入端所加的電平?jīng)Q定；7腳為放電端（DIS），是內(nèi)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(fù)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(nèi)部有四個(gè)獨(dú)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(chǎn)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(shè)計(jì)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(shè)置主電路仿真采用Matlab進(jìn)行，利用Simulink中模塊所建原理圖：參數(shù)設(shè)置：電源參數(shù)設(shè)置：晶閘管參數(shù)設(shè)置：二極管參數(shù)設(shè)置：控制脈沖參數(shù)設(shè)置：晶閘管Thyristor1與晶閘管Thyristor2的脈沖相差180°。1.2仿真結(jié)果當(dāng)α=0°時(shí)：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(jié)果正確。當(dāng)α=30°時(shí)：當(dāng)α=90°時(shí)：當(dāng)α=120°時(shí)：當(dāng)α=180°時(shí)：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(jìn)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(gè)晶閘管的控制電路。其調(diào)節(jié)電位器Key=A可調(diào)節(jié)α。脈沖仿真結(jié)果如下：（圖中比例為1V/Div）當(dāng)α=0°時(shí)：電位器0％當(dāng)α=30°時(shí)：電位器16.7％當(dāng)α=90°時(shí)：電位器50％當(dāng)α=120°時(shí)：電位器66.7％當(dāng)α=180°時(shí)：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(diào)節(jié)電位器時(shí)，其α調(diào)節(jié)到0°或者180°附近時(shí)就開始呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，即α無法穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)0°-180°的調(diào)節(jié)范圍。2.2方案二仿真主控制電路仿真采用Multisim進(jìn)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(gòu)造同步電路，由9V正弦電源與0V接地電位進(jìn)行比較，當(dāng)正半周時(shí)，“+”端電位比“-”端電位高，于是LM339輸出高電平，當(dāng)負(fù)半周時(shí)，“-”端電位比“+”端電位高，LM339輸出低電位；如此重復(fù)，產(chǎn)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(jìn)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(chǎn)生電路工作原理：當(dāng)1）中輸出為負(fù)電平時(shí)，三極管截止。由放大器虛地的概念，LM324的負(fù)輸入端接近為零。負(fù)電平通過電阻R1對電容C1反向充電，使b點(diǎn)電壓從零電位隨時(shí)間按斜率UiRiCi線性上升，一直充到低電平tL結(jié)束為止。因?yàn)榉e分器輸出電壓，Uo=-UiR1C1tL。在此處Ui=-12V，Uo=5V，tL=10ms。由此式理論計(jì)算得到R1C1=0.024s。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的不斷調(diào)試，最后得出了來的結(jié)果是R1=51k，C13）比較電路工作原理：再次利用LM339構(gòu)成比較電路，比較信號(hào)為上一部分輸出的鋸齒波和一個(gè)可調(diào)的0—5V直流電源，當(dāng)“+”端電位比“-”端電位高時(shí)，LM339輸出高電平，當(dāng)“-”端電位比“+”端電位高，LM339輸出低電位；如此重復(fù)，產(chǎn)生于另一個(gè)方波信號(hào)。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(diào)節(jié)范圍從0—180°。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(gòu)成的多諧振蕩器，產(chǎn)生一些列的高頻脈沖列。接通電源瞬間，電容Ｃ3上沒有電荷，此時(shí)THR==0V，所以=H，T管截止，經(jīng)R1、R2對C充電，，隨著時(shí)間的推移，THR=TRI=逐漸升高，當(dāng)該電位達(dá)到2/3時(shí)，由H變?yōu)長，T管由截止變?yōu)閷?dǎo)通。此后C經(jīng)過T管放電，（為T管導(dǎo)通電阻），THR=TRI=逐漸下降，當(dāng)該電位下降到/3時(shí)，有L突變?yōu)镠，T管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂４撕驝又充電，電路重復(fù)上述過程，進(jìn)入下一個(gè)周期，如此周而復(fù)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(dǎo)通電阻則可以求得，。5）邏輯“與”電路工作原理：利用74ls08D的“與”門，將第（3）與（4）電路輸出的波形進(jìn)行“與”運(yùn)算，即可產(chǎn)生我們需要的觸發(fā)脈沖。2.2.2輸出控制信號(hào)仿真：當(dāng)α=0°時(shí)：電位器100％當(dāng)α=60°時(shí)：電位器66.7％當(dāng)α=90°時(shí)：電位器50％當(dāng)α=150°時(shí)：電位器16.7％當(dāng)α=180°時(shí)：電位器0％由上圖可知，其調(diào)相范圍為0°-180°，輸出脈沖波形完整且穩(wěn)定，符合要求。因此，綜合上述兩種方案的仿真結(jié)果可得出，方案二相比于方案一更為合適。

第三章電路調(diào)試一、實(shí)物制作本次試驗(yàn)主要制作控制電路部分，實(shí)物如下圖：經(jīng)實(shí)際調(diào)整，我們對電路中的一些原件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。將鋸齒波產(chǎn)生電路圖中的電容調(diào)整為C=2.2μF，與LM324引腳2所連接的電阻調(diào)整為R=10.4kΩ。二、實(shí)際控制信號(hào)測量2.1電路各組成部分輸出波形鋸齒波產(chǎn)生電路輸出波形：比較電路輸出波形：多諧振蕩器電路輸出波形：2.2控制信號(hào)輸出波形當(dāng)α=0°時(shí)：電位器100％當(dāng)α=90°時(shí)：電位器50％當(dāng)α=150°時(shí)：電位器16.7％當(dāng)α=180°時(shí)：電位器0％由上圖可知，其調(diào)相范圍為0°-180°，輸出脈沖波形完整且穩(wěn)定，符合要求。同時(shí)，我們進(jìn)行調(diào)試時(shí)候發(fā)現(xiàn)，由于鋸齒波波形不夠理想，導(dǎo)致出現(xiàn)當(dāng)α>180°時(shí)，脈沖信號(hào)才能完全去除。

第四章結(jié)論本次課程設(shè)計(jì)的題目為：單相半控橋式晶閘管整流電路，其中負(fù)載為純電阻負(fù)載。電路設(shè)計(jì)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。在進(jìn)行實(shí)物制作時(shí)，完成了控制電路的制作，即實(shí)現(xiàn)了題目中的移相范圍：0o-180o。方案設(shè)計(jì)與仿真分析所得的電路與仿真結(jié)果，在實(shí)際制作時(shí)需要不斷進(jìn)行調(diào)整才能真正運(yùn)行。

第五章心得體會(huì)與建議此次課程設(shè)計(jì)的課題是“單相半控橋式整流