單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)

PAGEPAGE11設(shè)計(jì)課題任務(wù)及總體方案介紹1.1設(shè)計(jì)課題任務(wù)課題：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐吩O(shè)計(jì)（阻感性負(fù)載）任務(wù)：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐返脑O(shè)計(jì)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0～100V；4移相范圍：0o~90o；5輸出功率：500W。1.2設(shè)計(jì)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(jì)之前我們主要考慮了以下二種方案：方案一：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐冯娐泛?jiǎn)圖如下：圖1.1單相橋式全控整流電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，相對(duì)于全控橋而言少了一個(gè)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)α突然增大至180°或出發(fā)脈沖丟失時(shí)，由于電感儲(chǔ)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(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管導(dǎo)通而兩個(gè)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(shí)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：?jiǎn)蜗嗳煽卣麟娐罚弘娐泛?jiǎn)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(gè)可控器件，單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，因此少了一個(gè)管壓降，相應(yīng)地，門極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)，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(chǎng)合作用。但是繞組及鐵心對(duì)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(gè)方案。單相半控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)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(shí)），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(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)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(guò)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(duì)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）。三個(gè)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?？刂齐妷簎co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(shí)刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時(shí)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(lái)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(guò)零點(diǎn)。V2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時(shí)間就是鋸齒波的寬度——取決于充電時(shí)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(jì)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(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓保護(hù)，過(guò)電流保護(hù)。2.4.1過(guò)電壓保護(hù)電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)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(lái)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(shí)，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(guò)壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過(guò)壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過(guò)電壓保護(hù)電路如圖2.5所示。圖2.5過(guò)電壓保護(hù)電路2.4.2過(guò)電流保護(hù)熔斷器是最簡(jiǎn)單的過(guò)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(guò)電流可及時(shí)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(guò)快熔電流和晶閘管的電流相同，所以對(duì)元件的保護(hù)作用最好。圖2.6過(guò)電流保護(hù)電路3元器件的選取和參數(shù)計(jì)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(shí)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(shí)由，不計(jì)控制角余量按計(jì)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(jì)中我選用4個(gè)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3-1KP5A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(lái)表示的，一般可按下式選取：1.57ITα≥Ikr≥IkIk是晶閘管的實(shí)際工作電流有效值；ITα是晶閘管的額定電流。1.57ITα=1.57×300=471Ik=2×0.577×30.5=7.55可選用RSF-1500/10型號(hào)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=1μF,Rp=5Ω電容Cp的耐壓值≥（1.1～1.5）U1MA=377～514V電阻Rp的功率為10W3.4變壓器的選取由設(shè)計(jì)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(jì)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。4MATLAB系統(tǒng)仿真4.1MATLAB簡(jiǎn)介

MATLAB的名稱源自MatrixLaboratory，它是一種科學(xué)計(jì)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(jì)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(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)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(duì)MATLAB的功能進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對(duì)問題認(rèn)識(shí)的同時(shí)，不斷完善MATLAB產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競(jìng)爭(zhēng)能力。Simulink是基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，可以用來(lái)對(duì)各種動(dòng)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(duì)任何能夠用數(shù)學(xué)來(lái)描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如航空航天動(dòng)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(dòng)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(dòng)，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(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模工作。

在MATLAB產(chǎn)品族中，自動(dòng)化的代碼生成工具主要有Real-TimeWorkshop（RTW）和StateflowCoder，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(jiǎn)潔、可靠、易讀。目前RTW支持生成標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言代碼，并且具備了生成其他語(yǔ)言代碼的能力。整個(gè)代碼的生成、編譯以及相應(yīng)的目標(biāo)下載過(guò)程都可以自動(dòng)完成，用戶需要做的僅僅使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊幾個(gè)按鈕即可。MathWorks公司針對(duì)不同的實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)，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（RapidControlPrototype）開發(fā)、硬件在回路的實(shí)時(shí)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-TimeWorkshopEmbeddedCoder能夠直接將Simulink的模型轉(zhuǎn)變成效率優(yōu)化的產(chǎn)品級(jí)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(kù)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(shí)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：VA測(cè)量值：A（最后一個(gè)通道為負(fù)載電流波形圖）誤差為：2當(dāng)觸發(fā)角時(shí)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：VA測(cè)量值：A誤差為：2當(dāng)觸發(fā)角時(shí)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：VA測(cè)量值：A誤差為：4當(dāng)觸發(fā)角時(shí)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：VA測(cè)量值：A 以上數(shù)據(jù)誤差可能來(lái)源于電感并非無(wú)窮大、設(shè)置觸發(fā)角的時(shí)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(jì)總結(jié)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是電力電子技術(shù)課程理論教學(xué)之后的一個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，這次課程設(shè)計(jì)讓我明白了很多關(guān)于電力電子技術(shù)方面的知識(shí)，尤其是在課本中沒有完全介紹的。要完成這次課程設(shè)計(jì)，關(guān)靠書本知識(shí)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(guò)網(wǎng)絡(luò)查到了很多相關(guān)的知識(shí)，為這次課程設(shè)計(jì)做了很多幫助。對(duì)于課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，首先要做的應(yīng)是對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)，才能設(shè)計(jì)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(duì)整流電路的性能指標(biāo)影響很大。設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)方法的多樣性。這次課程設(shè)計(jì)不僅增加了我的知識(shí)積累，讓我有機(jī)會(huì)將課堂上所學(xué)的電力電子理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中，了解了這些知識(shí)在電源上豐富而強(qiáng)大的用途，為將來(lái)的畢業(yè)設(shè)計(jì)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(dòng)腦子去想，就一定有所收獲。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我比較熟練的掌握了MATLAB和AutoCAD這兩個(gè)軟件的使用。最后，由于理論知識(shí)的缺乏，以及對(duì)課程設(shè)計(jì)的不熟悉，課程設(shè)計(jì)還有很多