單相橋式全控整流電路設(shè)計電氣工程自動化

.電子技術(shù)課程設(shè)計說明書單相橋式全控整流電路設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué)號：學(xué)院：計算機(jī)與控制工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師：年月.目錄1引言

11.1整流電路

11.2整流電路的發(fā)展與應(yīng)用

12課程設(shè)計目的與要求 12.1課程設(shè)計目的 12.2課程設(shè)計的預(yù)備知識 12.3課程設(shè)計要求 13元器件的選擇 13.1晶閘管 13.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu) 13.1.2晶閘管的工作原理圖 13.1.3晶閘管的門極觸發(fā)條件 13.1.4晶閘管的主要參數(shù)說明 13.2可關(guān)斷晶閘管 14電路的結(jié)構(gòu)與工作原理 14.1電路結(jié)構(gòu) 14.2工作原理 14.3基本數(shù)量關(guān)系 15MATLAB仿真 15.1MATLAB軟件介紹 15.2系統(tǒng)建模與參數(shù)設(shè)置 15.2.1仿真圖形 15.2.2模型參數(shù)設(shè)置 15.3仿真結(jié)果與分析 16結(jié)論 1參考文獻(xiàn) 1致謝 1Word資料1引言

1.1整流電路

整流電路是電力電子中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。大多數(shù)整流電路由變壓器.整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機(jī)的調(diào)速,發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié),電解,電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。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，用于濾除脈動直流電壓中交流成分。變壓器設(shè)置與否是具體情況而定。變壓器的作用是實現(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?？梢詮母鞣N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；按交流輸入詳述分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)的方向是單向還是雙向，又可分為單拍電路和雙拍電路。

1.2整流電路的發(fā)展與應(yīng)用

電力電子器件的發(fā)展對電力電子的發(fā)展起著決定性的作用。1947年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命；70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）.電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應(yīng)晶體管（power-MOSFET）為代表的全控型器件發(fā)展迅速，把電力電子技術(shù)推上一個全新的階段；80年代后期，以絕緣極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起，成為了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。另外，采用全控型器件的電路的主要控制方式為PWM脈寬調(diào)制式，后來，又把驅(qū)動，控制，保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC），隨著全控型電力電子器件的發(fā)展，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。同時，電力電子器件的開關(guān)損耗也隨之增大，為了減小開關(guān)損耗，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）把電力電子技術(shù)和整流電路的發(fā)展推向了新的高潮。2課程設(shè)計目的與要求2.1課程設(shè)計目的“電力電子技術(shù)”課程設(shè)計是在教學(xué)及實驗基礎(chǔ)上，對課程所學(xué)理論知識的深化和提高。因此，通過電力電子計術(shù)的課程設(shè)計達(dá)到以下幾個目的：（1）培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識，并設(shè)計出具有電壓可調(diào)功能的直流電源系統(tǒng)的能力；（2）較全面地鞏固和應(yīng)用本課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌整流電路設(shè)計的基本方法。（3）培養(yǎng)獨(dú)立思考、獨(dú)立收集資料、獨(dú)立設(shè)計的能力；（4）培養(yǎng)分析、總結(jié)及撰寫技術(shù)報告的能力。2.2課程設(shè)計的預(yù)備知識熟悉電力電子技術(shù)課程、電機(jī)學(xué)課程的相關(guān)知識。2.3課程設(shè)計要求1、單相橋式全控整流的設(shè)計要求為：1.電源電壓：交流100V/50Hz2.輸出功率：500W3.觸發(fā)角4.反電勢、電阻負(fù)載，E=75V根據(jù)課程設(shè)計題目和設(shè)計條件，說明主電路的工作原理、計算選擇元器件參數(shù)。3元器件的選擇3.1晶閘管晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（SiliconControlledRectifier--SCR），開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代;20世紀(jì)80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域，成為功率低頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型--普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。3.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率器件，工作時產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。引出陽極A、陰極K和門極（或稱柵極）G三個聯(lián)接端。內(nèi)部結(jié)構(gòu):四層三個結(jié)如圖2.23.1.2晶閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個電極，如圖1.2(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2.3（右）所示的兩個晶閘管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。圖2.1晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和模塊外形a)晶閘管外形b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號d)模塊外形圖2.2晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路3.1.3晶閘管的門極觸發(fā)條件（1）晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通；（2）晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通；（3）晶閘管一旦導(dǎo)通門極就失去控制作用；（4）要使晶閘管關(guān)斷，只能使其電流小到零以下。晶閘管的驅(qū)動過程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流ＩＧ的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于能過門極只能控制其開通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。3.1.4晶閘管的主要參數(shù)說明3.2可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管簡稱GTO可關(guān)斷晶閘管的工作原理：圖3.1GTO的結(jié)構(gòu)、等效電路和圖形符號GTO的導(dǎo)通機(jī)理與SCR是完全一樣的。GTO一旦導(dǎo)通之后，門極信號是可以撤除的，在制作時采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和，而不像普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。GTO在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不同的。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流（即抽出飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子），強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。4電路的結(jié)構(gòu)與工作原理4.1電路結(jié)構(gòu)圖4.1單相橋式全控整流電路(反電勢負(fù)載)的電路原理圖圖4.2單相橋式全控整流電路(反電勢負(fù)載)的電路波形4.2工作原理當(dāng)整流電壓的瞬時值小于反電勢E時，晶閘管承受反壓而關(guān)斷，這使得晶閘管導(dǎo)通角減小。晶閘管導(dǎo)通時，，晶閘管關(guān)斷時，。與電阻負(fù)載相比晶閘管提前了電角度δ停止導(dǎo)電，δ稱作停止導(dǎo)電角。若α<δ時，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。為了使晶閘管可靠導(dǎo)通，要求觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲，即α=δ。4.3基本數(shù)量關(guān)系a.直流輸出電壓平均值b.輸出電流平均值C.流過晶閘管電流有效值整流輸出電流有效值：因為P=500W，E=75V，則，所以R=14Ω輸出平均電流：1.79A流過晶閘管的電流平均值：0.89A5MATLAB仿真5.1MATLAB軟件介紹本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，使用MATLAB對控制系統(tǒng)進(jìn)行計算機(jī)仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱對其進(jìn)行計算機(jī)仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用PowerSystem工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。5.2系統(tǒng)建模與參數(shù)設(shè)置5.2.1仿真圖形圖5.1單相橋式全控整流電路(反電勢負(fù)載)的MATLAB仿真模型5.2.2模型參數(shù)設(shè)置在此電路中，輸入電壓的電壓設(shè)置為100V，頻率設(shè)置為50Hz，電阻阻值設(shè)置為14歐姆，脈沖輸入的周期設(shè)置為0.02（與輸入電壓一致周期），觸發(fā)角分別設(shè)置為30°，因為兩個晶閘管在對應(yīng)時刻不斷地周期性交替導(dǎo)通，關(guān)斷，所以脈沖出發(fā)周期應(yīng)相差180°。a.交流電源參數(shù)圖5.2交流電壓源參數(shù)設(shè)置b.同步脈沖信號發(fā)生器參數(shù)圖5.3觸發(fā)角為30°時，觸發(fā)信號參數(shù)設(shè)置圖5.4觸發(fā)角為210°時，觸發(fā)信號參數(shù)設(shè)置c.負(fù)載上的參數(shù)設(shè)置R=10Ω，反電動勢U=75Vd.示波器參數(shù)示波器八個通道信號從上到下依次是：1.電源電壓；2.輸入電流；3.觸發(fā)信號1；4.觸發(fā)信號2；5.晶閘管電壓；6.流過晶閘管；7.電流負(fù)載電流；8.負(fù)載兩端的電壓。5.3仿真結(jié)果與分析圖5.5單相橋式全控整流電路仿真結(jié)果(反電勢負(fù)載)當(dāng)我們在電阻性負(fù)載上面再加一個反電勢時，電路中當(dāng)電樞電感不足夠大時，輸出電流波形斷續(xù)，使晶閘管-電動勢系統(tǒng)的機(jī)械性變軟，為此通常在負(fù)載回路串接平波電抗器以減小電流脈動，延長晶閘管導(dǎo)通時間，如果電感足夠大，電流就能連續(xù)。單相全控橋式整流電路主要適用于4KW左右的整流電路，與單相半波可控整流電路相比，整流電壓脈動減小，每周期脈動倆次。變壓器二次側(cè)流過正反倆個方向的電流，不存在直流磁化，利用率高。6結(jié)論當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時，輸出端電壓仍是100v，當(dāng)電流斷續(xù)，晶閘管阻斷時，輸出端電壓即為反電勢電壓，因為輸出平均電壓比電阻負(fù)載時高，其輸出平均電壓為83.97v。經(jīng)計算得=，根據(jù)設(shè)計要求，，不滿足α>，即晶閘管不可以正常觸發(fā)導(dǎo)通。參考文獻(xiàn)[1].王兆安.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2009[2].李傳琦.電力電子技術(shù)計算機(jī)仿真實驗.電子工業(yè)出版社.2005[3].洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.機(jī)械工業(yè)出版社.2006[4].鐘炎平.電力電子電路設(shè)計.華中科技大學(xué)出版社.2010致謝在這次課程設(shè)計的撰寫中，我得到了許多人