單相橋式整流電路

電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書單相橋式整流電路的設(shè)計(jì)院、部：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：職稱專業(yè)：班級：完成時(shí)間：Ⅰ摘要整流電路（rectifyingcircuit）把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)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(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)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(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)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(wǎng)與整流電路之間的電隔離。可以從各種角度對整流電路進(jìn)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(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)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(shè)計(jì)的主題是設(shè)計(jì)一個(gè)單相橋式電路。確定設(shè)計(jì)方案，通過方案來設(shè)計(jì)各個(gè)單元電路，如觸發(fā)電路、保護(hù)電路等。根據(jù)要求計(jì)算參數(shù)，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(jì)算，輸出波形分析，器件額定參數(shù)確定等。完成這些后，將各個(gè)單元電路銜接起來，并完成主電路的設(shè)計(jì)。然后再用PSIM軟件仿真，如有錯(cuò)誤進(jìn)行修改，最后將仿真圖形保存下來。關(guān)鍵字：設(shè)計(jì)；仿真；單相橋式單相橋式整流主電路的設(shè)計(jì)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(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(dòng)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(shù)選擇由于單相橋式全控整流帶電感性負(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。2.2.1晶閘管的主要參數(shù)通常取UDRM和URRM中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)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(shí)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(fù)載流過正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°的電路中，結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)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(jù)管子的IT(AV)換算出，IT(AV)、ITMITn三者之間的關(guān)系：波形系數(shù)：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(shù)，用Kf表示。額定狀態(tài)下，晶閘管的電流波形系數(shù)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(dǎo)通的正弦波半個(gè)周期內(nèi)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(jù)參數(shù)計(jì)算可知:變壓器應(yīng)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(biāo)整流電路的性能常用兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)來衡量：一個(gè)是反映轉(zhuǎn)換關(guān)系的用整流輸出電壓的平均值表示；另一個(gè)是反映輸出直流電壓平滑程度的，稱為紋波系數(shù)。（1）整流輸出電壓平均值===(6)（2)紋波系數(shù)紋波系數(shù)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(shè)計(jì)3.1觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)3.1.1單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管（簡稱UJT）又稱基極二極管，它是一種只有PN結(jié)和兩個(gè)電阻接觸電極的半導(dǎo)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(gè)基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側(cè)用合金法制作一個(gè)P區(qū)作為發(fā)射極e。其結(jié)構(gòu)，符號和等效電如圖2所示。圖2單結(jié)晶體管原理3.1.2單結(jié)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(jié)之間的電阻，其數(shù)值隨發(fā)射極電流ie而變化，rb2為第二基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值與ie無關(guān)；發(fā)射結(jié)是PN結(jié)，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(diǎn)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(jié)晶體管的伏安特性，見圖3：圖3單結(jié)晶體管的伏安特性（1）當(dāng)Ue〈ηUbb時(shí)，發(fā)射結(jié)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(dāng)Ue≥ηUbb+UDUD為二極管正向壓降（約為0.7V），PN結(jié)正向?qū)ǎ琁e顯著增加，rb1阻值迅速減小，Ue相應(yīng)下降，這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負(fù)阻特性。管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的臨界P稱為峰點(diǎn)，與其對應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點(diǎn)電壓Ip和峰點(diǎn)電流Ip。Ip是正向漏電流，它是使單結(jié)晶體管導(dǎo)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(diǎn)后，Ue不再下降了，這點(diǎn)V稱為谷點(diǎn)，與其對應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點(diǎn)電壓Uv和谷點(diǎn)電流Iv。（4）過了V后，發(fā)射極與第一基極間半導(dǎo)體內(nèi)的載流子達(dá)到了飽和狀態(tài)，所以uc繼續(xù)增加時(shí)，ie便緩慢的上升，顯然Uv是維持單結(jié)晶體管導(dǎo)通的最小發(fā)射極電壓，如果Ue〈Uv，管子重新截止。單結(jié)晶體管的主要參數(shù)（1）基極間電阻Rbb發(fā)射極開路時(shí)，基極b1，b2之間的電阻，一般為2-10千歐，其數(shù)值隨溫度的上升而增大。（2）分壓比η由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的參數(shù)，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(shí)，eb1間的壓降。（6）峰點(diǎn)電流Ip單結(jié)晶體管剛開始導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射極電壓為峰點(diǎn)電壓時(shí)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(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)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(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。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個(gè)同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)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(jié)構(gòu)、觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)等。只有根據(jù)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(shè)計(jì)、安裝、調(diào)整、維護(hù)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(guān)系分析如下：據(jù)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(nèi)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(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4-4（a）所示。3.2.2單結(jié)晶體管自激震蕩電路利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性與RC電路的充放電可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可變的脈沖。從圖4（a）可知，經(jīng)D1-D2整流后的直流電源UZ一路徑R2、R1加在單結(jié)晶體管兩個(gè)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(shù)規(guī)律上升。Uc剛沖點(diǎn)到大于峰點(diǎn)轉(zhuǎn)折電壓Up的瞬間，管子e-b1間的電阻突然變小，開始導(dǎo)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(shí)間很短。隨著電容C放電，電壓Ue小于一定值，管子BT又由導(dǎo)通轉(zhuǎn)入截止，然后電源又重新對電容C充電，上述過程不斷重復(fù)。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(jié)晶體管的分壓比。即調(diào)節(jié)Re，可調(diào)節(jié)振蕩頻率圖4單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形4 仿真調(diào)試4.1仿真軟件的介紹MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)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(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)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(jié)果。豐富的可擴(kuò)充的預(yù)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(shè)計(jì)功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理通ModelExplorer導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、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(diào)用MATLAB算法使用定步長或變步長運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)來決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來運(yùn)行模型圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為可訪問MATLAB從而對結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)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(cuò)誤。4.2仿真模型建立啟動(dòng)MATLAB，進(jìn)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(nèi)設(shè)置模塊。圖12單相橋式可控整流電路仿真電路圖設(shè)置好各模塊參數(shù)，單擊工具欄“Simulation”菜單下的“Start”命令進(jìn)行仿真。雙擊各模塊，得到仿真結(jié)果。4.3仿真結(jié)果脈沖為0度、30度、60度、90度時(shí)仿真結(jié)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(jié)束語學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)這門課已經(jīng)一個(gè)學(xué)期了，正所謂“紙上得來終覺淺”，通過本次課程設(shè)計(jì)，我對直流降壓斬波電路有了深刻的了解，從主電路的設(shè)計(jì)到觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)，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(guān)資料以及瀏覽相關(guān)網(wǎng)站使我增長了不少的知識，詳細(xì)閱讀當(dāng)然是不現(xiàn)實(shí)的，我選取了一部分跟這次課程設(shè)計(jì)有關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行了解，最終成功完成了直流降壓斬波電路的設(shè)計(jì)。關(guān)于本次的課程設(shè)計(jì)，剛開始我選用了Multisim軟件，以前電路實(shí)驗(yàn)我有用過這個(gè)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(gè)16個(gè)接線頭的集成電路模擬，在仿真的時(shí)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(cuò)誤出現(xiàn)無法運(yùn)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(xué)校的實(shí)驗(yàn)室對電路進(jìn)行了實(shí)際接線，其實(shí)在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)中我有做過Buck電路，實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(dāng)然在設(shè)計(jì)的過程中也遇到了很多的問題，比如在計(jì)算元器件參數(shù)是缺少理論依據(jù)難以正確的計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)；在選取元器件型號和參數(shù)時(shí)，缺少實(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(fèi)的很多時(shí)間才達(dá)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(xué)習(xí)解決了這些難題。

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