單相雙半波晶閘管整流電路阻感負(fù)載課程設(shè)計(jì)

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 1\o"CurrentDocument"1整流電路供電方案的選擇 2\o"CurrentDocument"單相橋式全控整流電路 2\o"CurrentDocument"單相雙半波可控整流電路 2\o"CurrentDocument"2單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì) 3\o"CurrentDocument"總電路的原理框圖 3\o"CurrentDocument"晶閘管工作原理 3\o"CurrentDocument"變壓器參數(shù)計(jì)算 5\o"CurrentDocument"變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算 5\o"CurrentDocument"變壓器一、二次側(cè)電流的計(jì)算 5\o"CurrentDocument"變壓器容量的計(jì)算 5\o"CurrentDocument"變壓器型號(hào)的選擇 5\o"CurrentDocument"3電路設(shè)計(jì) 6\o"CurrentDocument"主電路原理圖 6\o"CurrentDocument"保護(hù)電路原理圖及工作原理 8\o"CurrentDocument"過電流保護(hù) 8\o"CurrentDocument"過電壓保護(hù) 8\o"CurrentDocument"總電路原理圖 9\o"CurrentDocument"4電路元件的選擇 10\o"CurrentDocument"整流元件的選擇 10\o"CurrentDocument"整流元件中電壓、電流最大值的計(jì)算 10\o"CurrentDocument"整流元件型號(hào)的選擇 10\o"CurrentDocument"保護(hù)元件的選擇 11\o"CurrentDocument"變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇 11\o"CurrentDocument"相控觸發(fā)芯片的選擇 11\o"CurrentDocument"5波形繪制與仿真 12\o"CurrentDocument"理論波形的繪制 12MATLAB仿真 13\o"CurrentDocument"心得及體會(huì) 16\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 17\o"CurrentDocument"本科生課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表 18武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書摘要電力電子學(xué)，又稱功率電子學(xué)（PowerElectronics）。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對(duì)電能的變換和控制。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電（高電壓、大電流）或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支，又是電工學(xué)在弱電（低電壓、小電流）或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支，或者說是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科學(xué)。電力電子學(xué)是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)新興工程技術(shù)學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，人們對(duì)電路的要求也越來越高，由于在生產(chǎn)實(shí)際中需要大小可調(diào)的直流電源，而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能，是目前獲得直流電能的主要方法，得到了廣泛應(yīng)用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而在許多場合，例如電解、蓄電池的充電、直流電動(dòng)機(jī)等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機(jī)外，最普遍應(yīng)用的是利用各種半導(dǎo)體元件產(chǎn)生直流電。這個(gè)方法中，整流是最基礎(chǔ)的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，把方向和大小交變的電流變換為直流電。整流的基礎(chǔ)是整流電路。由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能和變換和控制，而構(gòu)成的一門完整的學(xué)科。故其學(xué)習(xí)方法與電子技術(shù)和控制技術(shù)有很多相似之處，因此要學(xué)好這門課就必須做好課程設(shè)計(jì)，因而我們進(jìn)行了此次課程設(shè)計(jì)。又因?yàn)檎麟娐窇?yīng)用非常廣泛，而單相全控橋式晶閘管整流電路又有利于夯實(shí)基礎(chǔ)，故我們將單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全控整流電路這一課題作為這一課程的課程設(shè)計(jì)的課題。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)控制整流武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書1整流電路供電方案的選擇1.1單相橋式全控整流電路此電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會(huì)失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率也高。并且單相橋式全控整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因素高的特點(diǎn)。但是，電路中需要四只晶閘管，且觸發(fā)電路要分時(shí)觸發(fā)一對(duì)晶閘管，電路復(fù)雜，兩兩晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間差用分立元件電路難以控制。圖1單相橋式全控整流1.2單相雙半波可控整流電路單相雙半波可控整流電路又稱單相全波可控整流。此電路變壓器是帶中心抽頭圖1單相橋式全控整流1.2單相雙半波可控整流電路單相雙半波可控整流電路又稱單相全波可控整流。此電路變壓器是帶中心抽頭的，在u2正半周T1工作，變壓器二次繞組上半部分流過電流。u2負(fù)半周，VT2工作，變壓器二次繞組下半部分流過反方向的電流。單相全波可控整流電路的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題。當(dāng)接其他負(fù)載時(shí)，也有相同的結(jié)論。因此，單相全波與單相全控橋從直流輸入端或者從交流輸入端看均是一致的。適用于輸出低壓的場合作電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)）。在比較兩者的電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以后決定選用單相全波可控整流電路作為主電路。武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書2單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì)總電路的原理框圖圖2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)變壓器變壓后通過過電保護(hù)電路，保證電路出現(xiàn)過載或短路故障時(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,過電保護(hù)部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護(hù)，而過壓保護(hù)則采用RC電路。整流部分電路則是根據(jù)題目的要求，我們選擇學(xué)過的單相全波整流電路。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，而且由于是直接觸發(fā)電路它的結(jié)構(gòu)比較簡單。一方面是方便我們對(duì)設(shè)計(jì)電路中變壓器型號(hào)的選擇。晶閘管工作原理晶閘管由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P「N2）組成，形成三個(gè)結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P「P2、N2引入A、G、K三個(gè)電極，如圖6.0（左）所示。由于具有擴(kuò)散工藝，具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可以等效成如圖6.0（右）所示的兩個(gè)晶閘管L（PjN1PJ和（NjPjNJ組成的等效電路。武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書圖3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路一個(gè)PNPN四層結(jié)構(gòu)的兩端器件，可以看成電流放大系數(shù)分別為a1和a2的P1N1J和N1pN2晶體管，其中J2結(jié)為共用集電結(jié)。當(dāng)器件加正向電壓時(shí)。正偏J1結(jié)注入空穴經(jīng)過N1區(qū)的輸運(yùn)，到達(dá)集電極結(jié)（J「空穴電流為a//而正偏的J3結(jié)注入電子，經(jīng)過P2區(qū)的輸運(yùn)到達(dá)J2結(jié)的電流為a21K。由于J2結(jié)處于反向，通過J2結(jié)的電流還包括自身的反向飽和電流ICO晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷兩個(gè)狀態(tài)是由陽極電壓、陽極電流和門極電流共同決定的。通常用伏安特性曲線來描述它們之間的關(guān)系，如圖所示。阻斷區(qū)圖4晶閘管的伏安特性曲線當(dāng)晶閘管匕/口正向電壓時(shí)，J當(dāng)晶閘管匕/口正向電壓時(shí)，J1和J3正偏，J2反偏，外加電壓幾乎全部降落在J2結(jié)上，J結(jié)起到阻斷電流的作用。隨著上，J結(jié)起到阻斷電流的作用。隨著V的增大AK只要VAK＜通過陽極電流1A都很小，武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書因而稱此區(qū)域?yàn)檎蜃钄酄顟B(tài)。當(dāng)匕k增大超過匕。以后，陽極電流突然增大，特性曲線過負(fù)阻過程瞬間變到低電壓、大電流狀態(tài)。晶閘管流過由負(fù)載決定的通態(tài)電流It，器件壓降為1V左右，特性曲線CD段對(duì)應(yīng)的狀態(tài)稱為導(dǎo)通狀態(tài)。通常將匕。及其所對(duì)應(yīng)的（。稱之為正向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。晶閘管導(dǎo)通后能自身維持同態(tài)，從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)，通常是不用門極信號(hào)而是由外部電路控制，即只有當(dāng)電流小到稱為維持電流IH的某一臨界值以下，器件才能被關(guān)斷。當(dāng)晶閘管處于斷態(tài)（匕k<VBO）時(shí)，如果使得門極相對(duì)于陰極為正，給門極通以電流IG，那么晶閘管將在較低的電壓下轉(zhuǎn)折導(dǎo)通。轉(zhuǎn)折電壓VBO以及轉(zhuǎn)電流Ibo都是1G的函數(shù)，1G越大，VBO越小。如圖3所示，晶閘管一旦導(dǎo)通后，即使去除門極信號(hào)，器件仍然然導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管的陽極相對(duì)于陰極為負(fù)，只要v4K<vro,乙很小，且與1G基本無關(guān)。但反向電壓很大時(shí)（匕k“VRO），通過晶閘管的反向漏電流急劇增大，表現(xiàn)出晶閘管擊穿，因此稱VRO為反向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。變壓器參數(shù)計(jì)算變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算電源電壓交流100/50Hz，輸出功率：500W，移相范圍：0°至180°。設(shè)R=1.25Q,a=0°P=U2/R，Ud=25V變壓器一、二次側(cè)電流的計(jì)算P=Id2R,Id=20AU1/Ud=100/25,N1/N2=4/1,I=I/4=5A變壓器容量的計(jì)算 1dS=UI=100X5=0.5kVA變壓器型號(hào)的選擇N1:N2=4：1;S=0.5Kva武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書3電路設(shè)計(jì)主電路原理圖單相全波整流電路如圖5所示，波形圖如圖6所示。圖5單相全波整流電路4II4III圖6波形圖根據(jù)波形圖可知，單相全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出電壓相同。輸出平均電壓U=U=1』入,'2Usin3td（3t）=42u=0.9U流過負(fù)載的電流為：I=「2m2%R）=0-9U2/RL二極管所承受的最大反向電壓為：URmax=2QU2武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書單相全波整流電路的脈動(dòng)系數(shù)s與單相橋式整流電路相同：s=4-v2U2/3兀+2v2U2/兀=2/3=0.67在單相全波整流電路的變壓器中，只有交流電流流過;而在半波和橋式整流電路中，均有直流分量流過。單相全波整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和橋式整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源中。相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(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，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)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。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，電路圖如圖所示。武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書保護(hù)電路原理圖及工作原理過電流保護(hù)當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；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高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。過電壓保護(hù)設(shè)備在運(yùn)行過程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。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^電壓保護(hù)，如圖3.4所示。武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書3.4總電路原理圖武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書4電路元件的選擇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。整流元件中電壓、電流最大值的計(jì)算晶閘管的主要參數(shù)如下：(1)額定電壓UNVT①斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的峰值電壓。②反向重復(fù)峰值電壓URRM反向重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(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，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政?3倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓UNVT={minUdrm,URRM}UNVT三(2?3)2萬qu：vt：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓Unvt=(2--3)2.2U2=(141.4-212.1)V通過晶閘管的電流的平均值IvT(AV)(2)額定電流INVTI=I/2=10AIm=兀1V(av)=31.4A整流元件型號(hào)的選擇晶閘管的選擇原則：.所選晶閘管電流有效值IVT大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。.選擇時(shí)考慮(1.5?2)倍的安全裕量。即10武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書Invt(1.5?2)IT/1.57=(19.1-25.5)A「20A則晶閘管的額定電流為Invt=20A.在本次設(shè)計(jì)中選用2個(gè)KP20-2的晶閘管.保護(hù)元件的選擇變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇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12/值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2/值。4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。因?yàn)榫чl管的額定電流為20A,快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為30A。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)。功能輸出空鋸齒波形成-Vee(lkQ)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)1234567891011121314151611武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書5波形繪制與仿真5.1理論波形的繪制圖10理論輸出波形圖11理論觸發(fā)信號(hào)波形在Vg到來前，Ud兩端的電壓為0；Vg到來后，電源電壓加在輸出端上，其值近乎等于Ud。在U2正半周，VT1工作，變壓器二次繞組上半部分流過電流；U2負(fù)半周，VT2工作，變壓器二次繞組下半部分流過反向的電流。由波形可知，單相全波可控整流電路的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題。當(dāng)接其他負(fù)載時(shí)，有相同的結(jié)論。因此，單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的。但是：①單相半波可控整流電路中只用兩個(gè)晶閘管，比單相橋式可控整流電路少兩個(gè)；相應(yīng)地，晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)電路也少兩個(gè)。但是在單相全波可控整流電路中，晶閘管承受的最大反向電壓為2-Qu2,是單相全控橋式整流電路的兩倍。②單相全波可控整流電路中，到點(diǎn)回路只含一個(gè)晶閘管，比單相橋少一個(gè)，因而管壓降也少一個(gè)。從以上考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應(yīng)用。這也是這次電路選擇單相全波可控整流電路的原因。12武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書5.2MATLAB5.2MATLAB仿真Continuous□ povjerguiContinuous□ povjergui圖12MATLAB中的電路模型圖中pulsegeneration產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過更改其中的phasedelay調(diào)整相角，示波器scope記錄各處產(chǎn)生的電壓波形。Timsoffse(t:9.S

Timsoffse(t:9.S武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書圖中U2為二次側(cè)兩端電壓，Vg為觸發(fā)脈沖電壓，Ud為電阻兩端（即輸出端）電壓，Thyristor為VT1晶閘管兩端電壓。當(dāng)a=60°時(shí)，仿真波形如上所示。在觸發(fā)延遲角到來前，Ud兩端電壓為0，電源電壓完全施加于晶閘管兩端，該段晶閘管中沒有電流形成。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來后，晶閘管兩端電壓幾乎為0，此時(shí)電源電壓完全加在負(fù)載上。半個(gè)周期后，電源電壓反向，晶閘管承受反壓而關(guān)斷，電源電壓都加在晶閘管兩端，輸出端電壓為0。Timeoffset:9.6圖14當(dāng)a=120°時(shí)，仿真波形結(jié)果當(dāng)a=120°時(shí)，仿真波形如上所示。在觸發(fā)延遲角到來前，Ud兩端電壓為0，電源電壓完全施加于VT1晶閘管兩端，電路中沒有電流形成。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來后，VT1晶閘管兩端電壓幾乎為0，此時(shí)電源電壓完全加在負(fù)載上。半個(gè)周期后，電源電壓反向，晶閘管承受反壓而關(guān)斷，電源電壓都加在晶閘管兩端，輸出端電壓為0。和a=60°時(shí)相比，電源電壓完全加在VT1晶閘管兩端的時(shí)間更長，晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間更短。14

武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書Timeoffset:9.6圖15當(dāng)a=180時(shí)，仿真波形結(jié)果當(dāng)a=180°時(shí)，電源電壓始終加在晶閘管兩端，輸出端電壓恒為0，電路中至始至終沒有形成電流。綜合以上，對(duì)電路中的單個(gè)晶閘管進(jìn)行分析可知，當(dāng)0<a<180°時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)，觸發(fā)角到來前，由晶閘管承受電源電壓，觸發(fā)脈沖到來后，電源電壓幾乎完全加在輸出端，半個(gè)周期后，由晶閘管承受反壓，電路關(guān)斷。當(dāng)。2180°后，電路在整個(gè)周期都處于關(guān)斷狀態(tài)，電源電壓完全由晶閘管承擔(dān)。得出結(jié)論，a的移相范圍為0?180°。15武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書心得及體會(huì)一直以來動(dòng)手