單相橋式全控整流電路的設(shè)計...doc

1 設(shè)計課題任務(wù)及總體方案介紹1.1 設(shè)計課題任務(wù)課題：單相橋式全控整流電路設(shè)計（阻感性負(fù)載）任務(wù)：單相橋式全控整流電路的設(shè)計要求為： 1電網(wǎng)供電電壓為單相交流220V/50； 2變壓器二次側(cè)電壓為100V； 3輸出電壓連續(xù)可調(diào)，為0100V； 4移相范圍：090； 5輸出功率：500W。1.2 設(shè)計課題總體方案介紹1.2.1 方案的選擇我們知道，單相整流器的電路形式是各種各樣的，整流的結(jié)構(gòu)也是比較多的。因此在做設(shè)計之前我們主要考慮了以下二種方案：方案一：單相橋式全控整流電路電路簡圖如下：圖1.1 單相橋式全控整流電路對每個導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，相對于全控橋而言少了一個控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗！如果不加續(xù)流二極管，當(dāng)突然增大至180或出發(fā)脈沖丟失時，由于電感儲能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負(fù)載電阻上，會發(fā)生一個晶閘管導(dǎo)通而兩個二極管輪流導(dǎo)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，其平均值保持穩(wěn)定，相當(dāng)于單相半波不可控整流電路時的波形，即為失控。所以必須加續(xù)流二極管，以免發(fā)生失控現(xiàn)象。方案：單相全波可控整流電路：電路簡圖如下： 圖1.2 單相橋式全控整流電路此電路變壓器是帶中心抽頭的，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，只要用2個可控器件，單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，因此少了一個管壓降，相應(yīng)地，門極驅(qū)動電路也少2個，但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。不存在直流磁化的問題，適用于輸出低壓的場合作用。但是繞組及鐵心對銅、鐵等材料的消耗比單相全控橋多，在當(dāng)今世界上有色金屬有限的情況下，這是很不利的，所以我們也放棄了這個方案。單相半控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)是：輸出電壓脈沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在相同的負(fù)載下流過晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。 綜上所述，針對他們的優(yōu)缺點(diǎn)，我們采用方案二，即單相橋式全控整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。2 主電路及控制電路的設(shè)計2.1 系統(tǒng)總設(shè)計框圖系統(tǒng)原理方框圖如圖2.1所示： 圖 2.1 系統(tǒng)原理方框圖如圖2.1所示，電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷來完成整個系統(tǒng)的功能。2.2 系統(tǒng)主體電路原理主電路原理圖如下圖2.2所示：圖 2.2 單相橋式全控整流電路原理圖假設(shè) ，工作于穩(wěn)定狀態(tài)，負(fù)載電流連續(xù)，近似為一平直的直線。工作原理： 在電源電壓正半周期間，VT1、VT2承受正向電壓，若在時觸發(fā)，VT1、VT2導(dǎo)通，電流經(jīng)VT1、負(fù)載、VT2和T二次側(cè)形成回路，但由于大電感的存在，過零變負(fù)時，電感上的感應(yīng)電動勢使VT1、VT2繼續(xù)導(dǎo)通，直到VT3、VT4被觸發(fā)導(dǎo)通時，VT1、VT2承受反相電壓而截止。輸出電壓的波形出現(xiàn)了負(fù)值部分。在電源電壓負(fù)半周期間，晶閘管VT3、VT4承受正向電壓，在時觸發(fā)，VT3、VT4導(dǎo)通，VT1、VT2受反相電壓截止，負(fù)載電流從VT1、VT2中換流至VT3、VT4中在時，電壓過零，VT3、VT4因電感中的感應(yīng)電動勢一直導(dǎo)通，直到下個周期VT1、VT2導(dǎo)通時，VT3、VT4因加反向電壓才截止。值得注意的是，只有當(dāng)時，負(fù)載電流才連續(xù)，當(dāng)時，負(fù)載電流不連續(xù)，而且輸出電壓的平均值均接近零，因此這種電路控制角的移相范圍是。2.3 觸發(fā)電路的設(shè)計對于使用晶閘管的電路，在晶閘管陽極加正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加觸發(fā)電壓，使晶閘管在需要導(dǎo)通的時刻可靠導(dǎo)通。根據(jù)控制要求決定晶閘管的導(dǎo)通時刻，對變流裝置的輸出功率進(jìn)行控制。觸發(fā)電路是變流裝置中的一個重要組成部分，變流裝置是否能正常工作，與觸發(fā)電路有直接關(guān)系，因此，正確合理地選擇設(shè)計觸發(fā)電路及其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是保證晶閘管變流裝置安全，可靠，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提。2.3.1 鋸齒波的觸發(fā)電路及觸發(fā)原理 圖 2.3 鋸齒波的觸發(fā)電路電路輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個晶閘管同時導(dǎo)通的電路），也可為單窄脈沖。 三個基本環(huán)節(jié)（1）脈沖形成環(huán)節(jié)由晶體管V4、V5組成，V7、V8起脈沖放大作用。控制電壓uco加在V4基極上。電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。脈沖前沿由V4導(dǎo)通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù)R11C3有關(guān)。（2）鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等，本電路采用恒流源電路。 恒流源電路方案由V1、V2、V3和C2等元件組成，其中V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路（3）同步環(huán)節(jié)觸發(fā)電路與主電路的同步是指要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。 鋸齒波是由開關(guān)V2管來控制的，V2開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率由同步變壓器所接的交流電壓決定。V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波鋸齒波起點(diǎn)基本就是同步電壓由正變負(fù)的過零點(diǎn)。V2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度取決于充電時間常數(shù)R1C1。2.3.2集成化晶閘管移相觸發(fā)電路集成化觸發(fā)電路具有體積小、功耗小、性能穩(wěn)定可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。相控集成觸發(fā)器主要有KC系列和KJ系列。KJ004晶閘管移相觸發(fā)電路的工作原理和以上鋸齒波觸發(fā)電路原理相似。圖 2.4 鋸齒波的觸發(fā)電路2.4 保護(hù)電路的設(shè)計在電力電子器件電路中，除了電力電子器件參數(shù)要選擇合適，驅(qū)動電路設(shè)計良好外，采用合適的過電壓保護(hù)，過電流保護(hù)。2.4.1 過電壓保護(hù)電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護(hù)電路如圖2.5所示。 圖 2.5 過電壓保護(hù)電路2.4.2 過電流保護(hù)熔斷器是最簡單的過電流保護(hù)元件，但最普通的熔斷器由于熔斷特性不合適，很可能在晶閘管燒壞后熔斷器還沒有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過電流可及時熔斷起到保護(hù)作用。最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過快熔電流和晶閘管的電流相同，所以對元件的保護(hù)作用最好。 圖 2.6 過電流保護(hù)電路3 元器件的選取和參數(shù)計算3.1 晶閘管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，所以選取元件時主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。3.1.1 晶閘管的選型該電路為大電感負(fù)載，電流波形可看作連續(xù)且平直的。當(dāng)V時由，不計控制角余量按計算V （3-1） A （3-2）晶閘管承受的最大正反相電壓均為 V （3-3）考慮倍裕量 V （3-4）晶閘管的額定電流為A （3-5）考慮倍裕量A （3-6） 所以在本次設(shè)計中我選用4個KP5A的晶閘管，其額定電壓500V，額定電流5A。其參數(shù)如表3-1下：表3-1 KP5A晶閘管參數(shù)表3.2 快速熔斷器的選擇快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的有效值，快熔的額定電流Ikr是用有效值來表示的，一般可按下式選?。?1.57ITIkrIk Ik 是晶閘管的實(shí)際工作電流有效值； IT是晶閘管的額定電流。 1.57IT=1.57300=471Ik=20.57730.5=7.55可選用RSF-1 500/10型號的。其額定電壓500V，額定電流10A。3.3 并聯(lián)于晶閘管兩端的電阻、電容電容Cp=1F,Rp=5電容Cp的耐壓值（1.11.5）U1MA=377514 V電阻Rp的功率為10W 3.4 變壓器的選取由設(shè)計要求：1電網(wǎng)供電電壓為單相交流220V/50； 2變壓器二次側(cè)電壓為100V；3輸出功率：500W。根據(jù)參數(shù)計算可知:變壓器應(yīng)選變比為 K=U1/U2=220/100=2.2 ，故選擇輸入為交流220V，輸出為100V ，額定功率為500W的變壓器。4 MATLAB系統(tǒng)仿真4.1 MATLAB簡介 MATLAB的名稱源自Matrix Laboratory，它是一種科學(xué)計算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。MATLAB將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計工作，而且利用MATLAB產(chǎn)品的開放式結(jié)構(gòu)，可以非常容易地對MATLAB的功能進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對問題認(rèn)識的同時，不斷完善MATLAB產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競爭能力。Simulink是基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真，它的 建模范圍廣泛，可以針對任何能夠用數(shù)學(xué)來描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如航空航天動力學(xué)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、船舶及汽車動力學(xué)系統(tǒng)等等，其中包括連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等等。Simulink提供了利用鼠標(biāo)拖放的方法建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面，而且Simulink還提供了豐富的功能塊以及不同的專業(yè)模塊集合，利用Simulink幾乎可以做到不書寫一行代碼完成整個動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。 在MATLAB產(chǎn)品族中，自動化的代碼生成工具主要有Real-Time Workshop（RTW）和Stateflow Coder，這兩種代碼生成工具可以直接將Simulink的模型框圖和Stateflow的狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換成高效優(yōu)化的程序代碼。利用RTW生成的代碼簡潔、可靠、易讀。目前RTW支持生成標(biāo)準(zhǔn)的C語言代碼，并且具備了生成其他語言代碼的能力。整個代碼的生成、編譯以及相應(yīng)的目標(biāo)下載過程都可以自動完成，用戶需要做的僅僅使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊幾個按鈕即可。MathWorks公司針對不同的實(shí)時或非實(shí)時操作系統(tǒng)平臺，開發(fā)了相應(yīng)的目標(biāo)選項(xiàng)，配合不同的軟硬件系統(tǒng)，可以完成快速控制原型（Rapid Control Prototype）開發(fā)、硬件在回路的實(shí)時仿真（Hardware-in-Loop）、產(chǎn)品代碼生成等工作。 另外，MATLAB開放性的可擴(kuò)充體系允許用戶開發(fā)自定義的嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)，利用Real-Time Workshop Embedded Coder能夠直接將Simulink的模型轉(zhuǎn)變成效率優(yōu)化的產(chǎn)品級代碼。代碼不僅可以是浮點(diǎn)的，還可以是定點(diǎn)的。4.2建立仿真模型這里的仿真主要是運(yùn)用MATLAB軟件中的simulink工具。先從simulink的元件庫中找到需要用的元件，然后搭建相應(yīng)的主電路，設(shè)置好參數(shù)后即可進(jìn)行仿真。仿真電路圖如下圖所示. 圖 4.1 仿真電路圖4.3 仿真結(jié)果分析1 當(dāng)觸發(fā)角時的仿真波形如下圖所示 圖 4.2 控制角的波形誤差分析：負(fù)載，電感 極大， 變壓器二次側(cè)的電壓為100V理論值：V A測量值：A（最后一個通道為負(fù)載電流波形圖）誤差為：2 當(dāng)觸發(fā)角時的仿真波形如下圖所示 圖 4.3 控制角的波形誤差分析：理論值：V A測量值：A誤差為：2 當(dāng)觸發(fā)角時的仿真波形如下圖所示圖 4.4 控制角的波形誤差分析：理論值：V A測量值：A誤差為：4 當(dāng)觸發(fā)角時的仿真波形如下圖所示控制角為90度圖 4.5 控制角的波形誤差分析：理論值：V A測量值：A以上數(shù)據(jù)誤差可能來源于電感并非無窮大、設(shè)置觸發(fā)角 的時間參數(shù)不是標(biāo)準(zhǔn)的所致，但都還在誤差允許范圍之內(nèi)，故仿真結(jié)果符合要求。 設(shè)計總結(jié)電力電子技術(shù)課程設(shè)計是電力電子技術(shù)課程理論教學(xué)之后的一個實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，這次課程設(shè)計讓我明白了很多關(guān)于電力電子技術(shù)方面的知識，尤其是在課本中沒有完全介紹的。要完成這次課程設(shè)計，關(guān)靠書本知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以我查閱了很多關(guān)于電力電子的書籍，并且也通過網(wǎng)絡(luò)查到了很多相關(guān)的知識，為這次課程設(shè)計做了很多幫助。對于課程設(shè)計的內(nèi)容，首先要做的應(yīng)是對設(shè)計內(nèi)容的理論理解，在理論充分理解的基礎(chǔ)上，才能做好課程設(shè)計，才能設(shè)計出性能良好的電路。整流電路中，基本元件的選擇是最關(guān)鍵的，開關(guān)器件和觸發(fā)電路選擇的好，對整流電路的性能指標(biāo)影響很大。設(shè)計過程中，我明白了整流電路，尤其是單相全控橋式整流電路的重要性以及整流電路設(shè)計方法的多樣性。這次課程設(shè)計不僅增加了我的知識積累，讓我有機(jī)會將課堂上所學(xué)的電力電子理論知識運(yùn)用到實(shí)際中，了解了這些知識在電源上豐富而強(qiáng)大的用途，為將來的畢業(yè)設(shè)計打下了基礎(chǔ)，還讓我懂得自主學(xué)習(xí)的重要性，還有做什么事情都要有恒心，有信心，動腦子去想，就一定有所收獲。通過這次課程設(shè)計我比較熟練的掌握了MATLAB和Auto CAD這兩個軟件的使用。最