單相橋式全相控整流電路課程設(shè)計

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文）遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 電力電子技術(shù) 課程設(shè)計（論文）題目： 阻感性負(fù)載條件下的單相橋式相控整流電路的設(shè)計與分析 院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間： 2013.12.30-2014.1.10 本科生課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動化 學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計（論文）題目阻感性負(fù)載條件下的單相橋式相控整流電路的設(shè)計與分析課程設(shè)計（論文）任務(wù)課題完成的功能：本課程設(shè)計利用晶閘管相位控制技術(shù)實現(xiàn)單相橋式全控整流電路設(shè)計。設(shè)計任務(wù)及要求

2、：（1）根據(jù)給出的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，確定單相橋式全控整流電路總體設(shè)計方案及系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖。（2）完成單相橋式全控整流電路主電路分析，并完成主電路設(shè)計。（3）完成主要元器件選擇及器件和電路參數(shù)計算。（4）采用晶閘管相位控制技術(shù)，設(shè)計晶閘管的觸發(fā)與驅(qū)動電路。 （5）設(shè)計保護電路，包括過壓保護電路、過流保護電路及電流上升率di/dt和電壓上升率du/dt抑制保護電路。（6）對如上阻感性負(fù)載下的單相橋式全控整流電路進行matlab軟件仿真分析。（7）撰寫課程設(shè)計說明書（論文）。技術(shù)參數(shù)：交流輸入電源電壓100V/50Hz，負(fù)載電阻500，負(fù)載電感700mH。進度計劃（1）布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)的組

3、成（2天）（2）對系統(tǒng)各組成部件進行功能分析（3天）（3）系統(tǒng)電氣電路設(shè)計及調(diào)試設(shè)計（3天）（4）撰寫、打印設(shè)計說明書及答辯（2天）指導(dǎo)教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要單相橋式相控整流電路是將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，其具有效率高，原理和結(jié)構(gòu)簡單的特點。而且單相橋式相控整流電路在單相整流電路中的應(yīng)用的也比較多，同時，半控元件晶閘管也具有優(yōu)越的電氣性能和控制性能。對于晶閘管電路的控制方式主要采用的是相位控制方式。晶閘管所具有的相位控制技術(shù)，可以用來實現(xiàn)單相橋式相控整流電路的設(shè)計。因而，

4、本次設(shè)計采用單相橋式可控整流電路作為主電路，從總電路出發(fā)，根據(jù)負(fù)載擇優(yōu)選擇方便的晶閘管，設(shè)計相應(yīng)的同步觸發(fā)電路，并逐一設(shè)置各個保護電路使電路可以安全而有效的運行，并最終達到整流的目的。關(guān)鍵詞：整流電路；晶閘管；相位控制；目 錄第1章 緒論1第2章 課程設(shè)計的方案22.1 方案設(shè)計22.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)2第3章 主電路設(shè)計33.1 單相橋式全控整流電路設(shè)計33.1.1 單相橋式全控整流電路的工作原理33.2 參數(shù)計算43.3 晶閘管選擇5第4章 輔助電路設(shè)計64.1 觸發(fā)電路64.1.1 觸發(fā)電路設(shè)計要求64.1.2 芯片介紹74.1.3 觸發(fā)電路電路圖84.2 保護電路94.2.1 過電壓

5、保護94.2.2 過電流保護104.2.3 電流上升率di/dt的抑制104.2.4 電壓上升率du/dt的抑制11第5章 系統(tǒng)仿真與分析125.1 仿真電路圖12第6章 課程設(shè)計總結(jié)15參考文獻16IV第1章 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人們對電路的要求也越來越高,由于在生產(chǎn)實際中需要大小可調(diào)的直流電源,而單相橋式相控整流電路結(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,因而得到了廣泛應(yīng)用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主，但在許多場合，都需要用直流電而要得到直流電，除了直流發(fā)電機外，最普遍應(yīng)用的是整流，因此，整流電路的應(yīng)

6、用是非常廣泛的。工業(yè)中大量應(yīng)用的各種直流電動機的調(diào)速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機車、磁懸浮列車等）、電動汽車飛機、船舶、電梯等交通運輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術(shù)；各種電子裝置如通信設(shè)備中的程控交換機所用的直流電源、大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源都可以利用整流電路構(gòu)成的直流電源供電，可以說有電源的地方就有應(yīng)用這種電路的的設(shè)備，因此，單相橋式相控整流電路在未來有著很好的發(fā)展前景。第2章 課程設(shè)計的方案2.1 方案設(shè)計因為單相橋式全控整流電路可以對每個導(dǎo)電回路進行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛，變壓器的利用率也高，

7、所以，系統(tǒng)的主電路采用單相橋式全控整流電路，在與相應(yīng)的觸發(fā)電路相連接，同時，為確保電路能安全運行，再接入保護電路，對系統(tǒng)電路進行保護。2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)根據(jù)方案選擇與設(shè)計任務(wù)要求，畫出系統(tǒng)電路的流程框圖如圖所示，整流電路主要由驅(qū)動電路、保護電路和整流主電路組成。根據(jù)設(shè)計任務(wù)，在此設(shè)計中采用單相橋式全控整流電路帶阻感性負(fù)載。如圖2.1。圖2.1系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)框圖第3章 主電路設(shè)計3.1 單相橋式全控整流電路設(shè)計單相橋式全控整流電路用四個晶閘管，兩只晶閘管接成共陰極，單相橋式電路由晶閘管VT1和VT4構(gòu)成一對橋臂，VT2和VT3組成另一對橋臂，再將其與電感電阻相并聯(lián)，電感對電流變化有抗拒作

8、用，可以延遲VT的關(guān)斷時間，單相橋式全控整流電路如圖3.1。 圖3.1單相橋式全控整流電路3.1.1 單相橋式全控整流電路的工作原理1）在正半周U2的（0）區(qū)間： 晶閘管VT1、VT4承受正壓，但無觸發(fā)脈沖，處于關(guān)斷狀態(tài)。假設(shè)電路已工作在穩(wěn)定狀態(tài)，則在0區(qū)間由于電感釋放能量，晶閘管VT2、VT3維持導(dǎo)通。2）在U2正半周的t=時刻及以后： 在t=處觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導(dǎo)通，電流沿aVT1LRVT4bTr的二次繞組a流通，此時負(fù)載上有輸出電壓（Ud=U2）和電流。電源電壓反向加到晶閘管VT2、VT3上，使其承受反壓而處于關(guān)斷狀態(tài)。3）在U2負(fù)半周的（+）區(qū)間： 當(dāng)t=時，電源電壓自然過零

9、，感應(yīng)電勢使晶閘管VT1、VT4繼續(xù)導(dǎo)通。在電壓負(fù)半波，晶閘管VT2、VT3承受正壓，因無觸發(fā)脈沖，VT2、VT3處于關(guān)斷狀態(tài)。4）在U2負(fù)半周的t=+時刻及以后： 在t=+處觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其導(dǎo)通，電流沿bVT3LRVT2aTr的二次繞組b流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)載上，負(fù)載上有輸出電壓（Ud=U2）和電流。此時電源電壓反向加到VT1、VT4上，使其承受反壓而變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。晶閘管VT2、VT3一直要導(dǎo)通到下一周期t=2+處再次觸發(fā)晶閘管VT1、VT4為止。 3.2 參數(shù)計算1.在阻感負(fù)載下電流連續(xù)，整流輸出電壓的平均值為 （3-1） 由設(shè)計任務(wù)有電感，電阻，V，則輸出電

10、壓平均值的最大值可由下式可求得。 可見，當(dāng)在范圍內(nèi)變化時，整流器可在0至90V范圍內(nèi)取值。2.整流輸出電流平均值為： （3-2）3.在一個周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通180°，兩組輪流導(dǎo)通，整流變壓器二次電流是正、負(fù)對稱的方波，電流的平均值和有效值相等，其波形系數(shù)為1。流過每個晶閘管的電流平均值與有效值分別為：=0.18*0.5=0.9A （3-3）0.636A （3-4）4、晶閘管在導(dǎo)通時管壓降=0,故其波形為與橫軸重合的直線段；VT1和VT2加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒到時，VT3、VT4已導(dǎo)通，把整個電壓加到VT1或VT2上，則每個元件承受的最大可能的正向電壓等于；VT1和VT2反向截止時

11、漏電流為零，只要另一組晶閘管導(dǎo)通，也就把整個電壓加到VT1或VT2上，故兩個晶閘管承受的最大反向電壓也為3.3 晶閘管選擇1、晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值，考慮（1.52）倍的裕量： 2*0.636/1.57=0.81A （3.5） 此外，還需注意以下幾點：當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40時，應(yīng)降低元件的額定電流值。當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時，也應(yīng)降低元件的額定電流值。關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。2、晶閘管的額定電壓晶閘管實際承受的最大峰值電壓乘以（23）倍的安全裕量，即可確定晶閘管的額定電壓：(23)(23)

12、*1.414*100=(283424) （3.6）第4章 輔助電路設(shè)計4.1 觸發(fā)電路4.1.1 觸發(fā)電路設(shè)計要求1、觸發(fā)信號為直流、交流或脈沖電壓，由于晶閘管導(dǎo)通后，門極觸發(fā)信號即失去了控制作用，為了減小門極的損耗，一般不采用直流或交流信號觸發(fā)晶閘管，而廣泛采用脈沖觸發(fā)信號。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）。觸發(fā)信號功率大小是晶閘管元件能否可靠觸發(fā)的一個關(guān)鍵指標(biāo)。由于晶閘管元件門極參數(shù)的分散性很大，且隨溫度的變化也大，為使所有合格的元件均能可靠觸發(fā)，可參考元件出廠的試驗數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄來設(shè)計觸發(fā)電路的輸出電壓、電流值，并有一定的裕量。 3、觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈搏沖的前沿盡

13、可能陡，以使元件在觸發(fā)信號導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。普通晶閘管的導(dǎo)通時間約法為6，故觸發(fā)電路的寬度至少應(yīng)有以上，對于電感性負(fù)載，由于 電感會抑制電流的上升，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)更大一些，通常為0.5至1，此外，某些具體電路對觸發(fā)脈沖寬度會有一定的要求，如三相全控橋等電路的觸發(fā)脈沖寬度要大于60°或采用雙窄脈沖。4、觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖稱相范圍必須滿足電路要求。為保證控制的規(guī)律性，要求晶閘管在每個陽極電壓周期都在相同控制角觸發(fā)導(dǎo)通，這就要求脈沖的頻率必須與陽極電壓同步。同時，不同的電路或者相同的電路在不同的負(fù)載、不同的用途時，要求的變化的范圍（移

14、相范圍）亦即觸發(fā)脈沖前沿與陽極電壓的相位變化范圍不同，所用觸發(fā)電路的脈沖移相范圍必須滿足實際的需要。4.1.2 芯片介紹可控硅移相觸發(fā)器KJ004電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，本系統(tǒng)中選擇模擬集成觸發(fā)電路KJ004，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004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。KJ004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、對同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點 ，如下圖所示其引腳圖。 圖4-1 KJ004芯片其電路參數(shù)為：1電源電壓：直流+15V、-15V,允許波動土5(±10時功

15、能正常)。2KJ004 電源電流：正電流15mA,負(fù)電流10mA。3同步電壓：任意值。4同步輸入端允許最大同步電流：6mA(有效值) 5移相范圍1700(同步電壓30V,同步輸入電阻15k) 6鋸齒波幅度：10V(幅度以鋸齒波平頂為準(zhǔn))。5移相范圍1700(同步電壓30V,同步輸入電阻15k) 6鋸齒波幅度：10V(幅度以鋸齒波平頂為準(zhǔn))。7正負(fù)半周脈沖相位不均衡±30。 8使用環(huán)境溫度為四級：C：070 R：-5585 E：-4085 M：-55125。4.1.3 觸發(fā)電路電路圖由于KJ004自身的優(yōu)良

16、性能，決定了它可以方便地用于主電路為單個晶閘管或晶體管，單相半控橋、全控橋和三相半控橋、全控橋及其它主電路形式的電力電子設(shè)備中觸發(fā)晶閘管或晶體管，進而實現(xiàn)用戶需要的整流、調(diào)壓、交直流調(diào)速、及直流輸電等目的。KJ004觸發(fā)電路，它對零點的識別可靠，輸出脈沖的齊整度好，移相范圍寬；同時它輸出脈沖的寬度可人為自由調(diào)節(jié)。鋸齒波斜率由電位器RP1 調(diào)節(jié)，RP2 電位器調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角。交流電源采用同步變壓器提供，同步變壓器與整流變壓器為同一輸入，根據(jù)KJ004芯片能可靠地對同步交流電源的過零點進行識別，從而可保證觸發(fā)脈沖與晶閘管的陽極電壓保持同步,其輸出端分別接晶閘管VT1，VT2.系統(tǒng)觸發(fā)電路如圖4

17、.2。圖4.2系統(tǒng)觸發(fā)電路圖 4.2 保護電路 所謂過壓保護，即指流過晶閘管兩端的電壓值超過晶閘管在正常工作時所能承受的最大峰值電壓Um都稱為過電壓。產(chǎn)生過電壓的原因一般由靜電感應(yīng)、雷擊或突然切斷電感回路電流時電磁感應(yīng)所引起。其中，對雷擊產(chǎn)生的過電壓，需在變壓器的初級側(cè)接上避雷器，以保護變壓器本身的安全；而對突然切斷電感回路電流時電磁感應(yīng)所引起的過電壓，一般發(fā)生在交流側(cè)、直流側(cè)和器件上，因而,下面介紹單相橋式全控整流主電路的電壓保護方法。4.2.1 過電壓保護所謂過壓保護，即指流過晶閘管兩端的電壓值超過晶閘管在正常工作時所能承受的最大峰值電壓Um都稱為過電壓。產(chǎn)生過電壓的原因一般由靜電感應(yīng)、雷

18、擊或突然切斷電感回路電流時電磁感應(yīng)所引起。其中，對雷擊產(chǎn)生的過電壓，需在變壓器的初級側(cè)接上避雷器，以保護變壓器本身的安全；而對突然切斷電感回路電流時電磁感應(yīng)所引起的過電壓，一般發(fā)生在交流側(cè)、直流側(cè)和器件上，通常過電壓保護是在線圈兩端并聯(lián)一個電阻、電阻串電容或二極管串電阻，以形成一個放電回路，實現(xiàn)過電壓的保護。這在電力和電子技術(shù)中經(jīng)常用到。因而，單相橋式全控整流主電路的電壓保護電路圖，如圖4.3。圖4.3單相橋式全控整流主電路的電壓保護電路圖4.2.2 過電流保護電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流現(xiàn)象。過電流分載和短路兩種情況。一般電力電子均同時采用幾種過電壓保護措施，怪提高

19、保護的可靠性和合理性。在選擇各種保護措施時應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器只作為短路時的部分區(qū)斷的保護，直流快速斷路器在電子電力動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器在過載時動作。如圖4.4。圖4.4過電流保護電路4.2.3 電流上升率di/dt的抑制晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密很大，然后以0.1mm/s的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，若晶閘管開通時電流上升率di/dt過大，會導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如圖4.5。圖4.5電流上升率di/dt的抑制電路圖4.2.

20、4 電壓上升率du/dt的抑制加在晶閘管上的正向電壓上升率du/dt也應(yīng)有所限制,如果du/dt過大,加在晶閘管上的正向電壓上升率du/dt也應(yīng)有所限制,如果du/dt過大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時引起晶閘管誤導(dǎo)通。為抑制du/dt的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。如圖4.6。圖4.6電壓上升率du/dt的抑制電路第5章 系統(tǒng)仿真與分析5.1 仿真電路圖仿真電路圖如圖5.1。圖5.1單相橋式全控整流電路的仿真電路圖觸發(fā)角=0°的輸出電壓仿真波形圖如圖5.2。圖5.2觸發(fā)角=0

21、6;的輸出電壓仿真波形圖觸發(fā)角=0°的輸出電流仿真波形圖如圖5.3。圖5.3觸發(fā)角=0°的輸出電流仿真波形圖觸發(fā)角=0°的晶閘管兩端電壓的波形圖如圖5.4。圖5.4觸發(fā)角=0°的晶閘管兩頓電壓的波形圖觸發(fā)角=30°的輸出電壓仿真波形圖如圖5.5。圖5.5觸發(fā)角=30°的輸出電壓仿真波形圖觸發(fā)角=30°的輸出電流仿真波形圖如圖5.6。圖5.6觸發(fā)角=30°的輸出電流仿真波形圖觸發(fā)角=30°的晶閘管兩端的電壓仿真波形圖如圖5.7。圖5.7觸發(fā)角=30°的晶閘管兩端的電壓仿真波形圖第6章 課程設(shè)計總結(jié)通過這次的課程設(shè)計，我不僅掌握了MATLAB中SIMULINK仿真的使用，還對單相橋式全控整流電路有了更深刻的認(rèn)識。在建模的過程中總結(jié)了以下幾點：1.在單項橋式全控整流電路中，給晶閘管提供觸發(fā)脈沖是設(shè)計的關(guān)鍵；2.給定正確的觸發(fā)脈沖必須熟悉單項橋式全控整流電路的原理，掌握觸發(fā)脈沖的過程；3.對同一個電路，可以建立不同的SIMULINK模型。通過這次的課程設(shè)計使我進一步鞏固、深化電力電子技術(shù)及相關(guān)課程的基本知識、基本理論和基本技能，培養(yǎng)了我獨立分析和解決實際問題的能力；通過課程設(shè)計