單相雙半波晶閘管整流電路設(shè)計純電阻負(fù)載講解

學(xué)號：0121011360301學(xué)號：0121011360301課程設(shè)計課程設(shè)計題目單相雙半波晶閘管整流電路的設(shè)計（純電阻負(fù)載）學(xué)院自動化學(xué)院專業(yè)自動化班姓級名自動化1003班指導(dǎo)教師2012 年12 月29 日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級：指導(dǎo)教師： 工作單位：自動化學(xué)院題目:：單相雙半波晶閘管整流電路的設(shè)計（純電阻負(fù)載）初始條件:1、電源電壓：交流100V/50Hz2、輸出功率：500W3、移相范圍0o~180o要求完成的主要任務(wù):（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、根據(jù)課程設(shè)計題目，收集相關(guān)資料、設(shè)計主電路、控制電路；2、用MATLAB/Simulink對設(shè)計的電路進(jìn)行仿真；3、撰寫課程設(shè)計報告——畫出主電路、控制電路原理圖，說明主電路的工作原理、（動信號）參考資料；5、通過答辯。時間安排：2012.12.24-12.29指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘 要 1整流電路供電方案的選擇 2單相橋式全控整流電路 2單相雙半波可控整流電路 2單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計 3總電路的原理框圖 3晶閘管工作原理 3變壓器參數(shù)計算 5變壓器二次側(cè)電壓的計算 5變壓器一、二次側(cè)電流的計算 5變壓器容量的計算 5變壓器型號的選擇 5電路設(shè)計 6主電路原理圖 6保護(hù)電路原理圖及工作原理 8過電流保護(hù) 8過電壓保護(hù) 8總電路原理圖 9電路元件的選擇 10整流元件的選擇 10整流元件中電壓、電流最大值的計算 10整流元件型號的選擇 10保護(hù)元件的選擇 11變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇 11相控觸發(fā)芯片的選擇 11波形繪制與仿真 12理論波形的繪制 12MATLAB仿真 13心得及體會 16參考文獻(xiàn) 17本科生課程設(shè)計成績評定表 18武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計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”三個領(lǐng)域的一個新興工程技術(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逊较蚝痛笮〗蛔兊碾娏髯儞Q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，因而我們進(jìn)行了此次課程設(shè)計。又因為整流電路應(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)計的課題。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)控制 整流1武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書整流電路供電方案的選擇單相橋式全控整流電路此電路對每個導(dǎo)電回路進(jìn)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。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個半周電流方向相反且波形對稱，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小，功率因素高的特點。但是，電路中需要四只晶閘管，且觸發(fā)電路要分時觸發(fā)一對晶閘管，電路復(fù)雜，兩兩晶閘管導(dǎo)通的時間差用分立元件電路難以控制。1單相橋式全控整流電路圖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電路。此電路變壓器是帶中心抽頭的，在u2T1u2工作，變壓Ud波形與單相全控橋也有相同的結(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）。在比較兩者的電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點以后決定選用單相全波可控整流電路作為主電路。2武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計總電路的原理框圖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，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。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)特性實現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ?。單結(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設(shè)計電路中變壓器型號的選擇。晶閘管工作原理（PNPNJ（PNJ（NPJ（PN，1 1 2 2

1 11

2 1

3 22PPNAGK6.0(左)所示。由于具有擴(kuò)散工藝，具有1 2 26.0（右）T（P-NP）和（N-P-N）組成的等效電路。

1 1 1-21 2 23武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書圖3 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路一個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 和1

的PNP和2 1 1 2NPN 晶體管其中J 結(jié)為共用集電結(jié)當(dāng)器件加正向電壓時正偏J結(jié)注入空穴經(jīng)過N12 2 2 1 1區(qū)的輸運，到達(dá)集電極結(jié)（J2

）空穴電流為1

；而正偏的JA 3

P區(qū)的2J2

結(jié)的電流為 I2 K

。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I 。CO晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷兩個狀態(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。圖4 晶閘管的伏安特性曲線當(dāng)晶閘管VAK

JJ1 3

J2

反偏，外加電壓幾乎全部降落在J 結(jié)2上結(jié)起到阻斷電流的作用隨著V 的增大只要V V 通過陽極電流I 都很小，2 AK AK BO A4武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書因而稱此區(qū)域為正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)VAK

增大超過VBO

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段對應(yīng)的狀態(tài)稱為導(dǎo)通狀態(tài)。通常將VBO

及其所對應(yīng)的I 稱之BO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下，器件才能被關(guān)斷。

的某一臨界值以當(dāng)晶閘管處于斷態(tài)（V V ）時，如果使得門極相對于陰極為正，給門極通以電流AK BOI ，那么晶閘管將在較低的電壓下轉(zhuǎn)折導(dǎo)通。轉(zhuǎn)折電壓VG

以及轉(zhuǎn)電流IBO

都是IG

的函數(shù)，IG

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，器件仍然然導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管的陽極相對于陰極為負(fù)，只要V V ，I 很小，且與I 基本無關(guān)。但反AK RO A G向電壓很大時（V V ，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AK RO此稱VRO

為反向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。變壓器參數(shù)計算變壓器二次側(cè)電壓的計算電源電壓交流100/50Hz，輸出功率：500W，移相范圍：0°至180°設(shè)R=1.25Ω ,α=0°P=U2

/R，Ud=25VdP=Id2R，Id=20AU1/Ud=100/25，N1/N2=4/1，I=I/4=5變壓器容量的計算變壓器型號的選擇

1 dS=UI=100×5=0.5kVAN1:N2=4：1; S=0.5Kva5武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書電路設(shè)計主電路原理圖56所示。5單相全波整流電路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 =1π0 L π 0

U sinωtd(ωt)=2 U222 π 22

=0.9U2流過負(fù)載的電流為：I

=2R)=/RL

=2 U2Rmax 226武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書單相全波整流電路的脈動系數(shù)s與單相橋式整流電路相同：2 s=4 /2 2U/=2/3=0.672 ;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。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，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。7相控觸發(fā)電路原理圖7武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書保護(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、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)鲃酉到y(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)備在運行過程中，會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，設(shè)備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)，因此，必須對電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電壓保護(hù)，如圖3.4所示。圖圖8 過流、過電壓保護(hù)電路8總電路原理圖

武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書圖圖9 總電路原理圖9武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書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，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)的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓要留有一定裕量，應(yīng)為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2～3倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓U

2NVT2

DRM

,U RRMUNVT

U2UNVT

：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓UNVT

=(2--3)2

U222通過晶閘管的電流的平均值IvT(AV)（2）額定電流INVTI =I/2=10Avt(AV) dIm=πI

=31.4AVt(AV)整流元件型號的選擇晶閘管的選擇原則：⒈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。2.選擇時考慮（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)計說明書I ~2)I NVT VTINVT

=20AI=20A.NVT2KP20-2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。在選擇快熔時應(yīng)考慮：電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。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。II值。為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性。20A,1.530A。相控觸發(fā)芯片的選擇輸 鋸齒波形 同步輸綜合比 微分阻封鎖功能 空 -Vee(1kΩ)空地 空出 成 入 較 容 制輸出+Vcc輸 鋸齒波形 同步輸綜合比 微分阻封鎖功能 空 -Vee(1kΩ)空地 空出 成 入 較 容 制輸出+Vcc號12 34567891011 12 13 14 15 1611武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書波形繪制與仿真理論波形的繪制圖10理論輸出波形11理論觸發(fā)信號波形Vg到來前，Ud0；VgUd。U2Ud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，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：單相半波可控整流電路中只用兩個晶閘管，比單相橋式可控整流電路少兩個；相應(yīng)地，晶閘管的門極驅(qū)動電路也少兩個。但是在單相全波可控整流電路中，晶閘管承受的最2大反向電壓為2 U2，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，到點回路只含一個晶閘管，比單相橋少一個，因而管壓降也少一個。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。12MATLAB仿真

武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書圖圖12 MATLAB中的電路模型圖13 當(dāng)α=60時，仿真波形結(jié)果13圖13 當(dāng)α=60時，仿真波形結(jié)果13武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書圖中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，ThyristorVT1當(dāng)α=60°時，仿真波形如上所示。在觸發(fā)延遲角到來前，Ud0，電源電0，此時電源電壓完全加在負(fù)載上。半個周期后，電源電壓反向，晶閘管承受0。圖14 當(dāng)α=120°時，仿真波形結(jié)果當(dāng)α=120°時，仿真波形如上所示。在觸發(fā)延遲角到來前，Ud0，電源電VT1VT10，此時電源電壓完全加在負(fù)載上。半個周期后，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0α=60°VT114武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書圖15 當(dāng)α=180時，仿真波形結(jié)果當(dāng)α=180°0沒有形成電流。0<α<180°時，在一個周期內(nèi)，α≥180°后，電路在整個周期都處于關(guān)斷狀態(tài)，電源電壓完全由晶閘管承擔(dān)。得出結(jié)論，α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)計說明書心得及體會一直以來動手能力不強(qiáng)都是包括我在內(nèi)的許多在校大學(xué)生的很多缺陷，對將理論知識但是，看再多的范本如果不親自動手都不會有進(jìn)步，與其把希望寄托在明天的自己上，不若現(xiàn)在就開始動手，youngornev