单相双半波晶闸管整流电路的设计(阻感负载)

1、电气工程及其自动化专业电力电子技术课程设计任务书班级电气本科1301班学号1310240006姓名张将银川能源学院2015年12月21日目录设计任务书3前言41.单相双半波晶闸管整流电路主电路的设计51.1 晶闸管的结构51.2晶闸管的工作原理51.3 晶闸管的基本特性62总电路的设计72.1 总电路的原理框图72.2 主电路原理图72.3 主电路电路参数的计算83.相控触发电路的设计103.1 相控触发电路工作原理103.2 相控触发芯片的选择104.保护电路的设计114.1过电流保护电路设计114.2 过电压保护电路设计115 电路元件的选择125.1整流元件的选择125.2保护元件的选择

2、136.MATLAB软件的仿真146.1 MTLAB软件的介绍146.2 系统建模及电路仿真146.3 系统仿真结果的分析157.心得体会16参考文献17设计任务书一 设计题目： 单相双半波晶闸管整流电路的设计（阻感负载）二 设计条件： 1. 电源电压：交流100V/50Hz 2. 输出功率： 500W 3. 移相范围： 0°90°三 设计的主要任务：1. 根据课程设计题目，收集相关资料，并设计出主电路和控制电路；2. 用MATLAB软件对设计的电路进行仿真；3. 撰写课程设计报告，并画出主电路，控制电路的原理图，说明其工作原理，以及选择元件参数，绘制主电路和触发电路的波形

3、，并给出仿真波形，对仿真结果进行分析，附参考资料。 前言 电力电子技术通常被分为电力电子器件制造技术和交流技术两个分支。交流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。电力电子技术的应用十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输，电力系统，通信系统，计算机系统，新能源系统等，在照明，空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。随着社会的发展，时代的进步，电力电子技术的节能效果也十分显著，各行各业都离不开电力电子技术，它已经逐步渗入人们的生活。 在电气设备或电力系统中，直接承担电能

4、的变换或控制任务的电路被称为主电路，电力电子器件是指可以直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。广义上电力电子器件也可分为电真空器件和半导体器件两类。电力电子器件所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。因为处理的电功率较大，为了减少本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。在实际应用当中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，将电力电子器件分为以下几类：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型器件，这类器件主要是指晶闸管及其大部分派生器件。控制信号既可以

5、控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件，可以由控制信号控制其关断。也有不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件，因此也就不需要驱动电路，这就是电力二极管，又称为不可控器件。 单相双半波晶闸管整流电路的设计（阻感负载）1.单相双半波晶闸管整流电路主电路的设计1.1 晶闸管的结构晶闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器。如图所示为晶闸管的结构和电气图形符号。晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，分别命名为 四个区。区引出阳极A，区引出阴极K，区引出门极G。四个区形成 三个结。如果正向电压加到器件上，则处于反向偏置状态，器件A,K两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流；如果

6、反向电压加到器件上，则和 反偏，该器件也处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过。 晶闸管结构图形符号 晶闸管电气图形符号 1.2晶闸管的工作原理 晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图所示。若在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看作由和构成的两个晶体管 ，组合而成。如果外电路向门极注入电流 ，也就是注入驱动电流，则 流入晶体管 的基极，即产生集电极电流 ，它构成晶体管的基极电流，放大成集电极电流 ，又进一步增大 的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后 和 进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流 ，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会任然维持导通状态。而若要

7、使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。所以，对晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流 的电路称为门极触发电路。也正是由于通过其门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。晶闸管的双晶体管模型 晶闸管的工作原理图1.3 晶闸管的基本特性 1. 静态特性 总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下： (1) 当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 (2) 当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。

8、 (3) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。(4) 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。2. 动态特性 晶闸管开通和关断的动态过程的物理机理很复杂，其开通过程描述的是使门极在坐标原点时刻开始受到理想阶跃电流触发的情况。由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。而关断过程描述的是对已导通的晶闸管，外电路所加电压在某一时刻突然由正向变为反向的情况。由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向

9、时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程。2总电路的设计2.1 总电路的原理框图 如图所示 ， 总电路主要由四部分组成，其中有电源，整流电路，触发电路和保护电路。输入的信号经过变压器后通过保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于损坏晶闸管和负载。将经变压和保护后的信号输入整流电路中。另外，选取快速熔断器做过流保护，用RC电路做过压保护，从而利用晶闸管的开关特性实现该电路的功能。 总电路的原理框图2.2 主电路原理图单向双半波可控整流电路中变压器为二次绕组带中心抽头，结构较复杂。而且该电路中只用两个晶闸管，但晶闸管承受的最大电压为 ，且导电回路中只含一个晶闸管。当负载由电阻和电感组成时称为

10、阻感负载，由于电感储能，而且储能不能突变，因此在电感变化时，电感两端将产生感应电动势，引起电压降。负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出 的波形具有不同的特点。当负载电感量L较小时，负载上的电流不连续；当电感L增大时，负载上电流不连续的可能性就会减小；当电感很大，且 远大于时，这种负载为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流的变化，负载电流连续时可看作一条水平直线。 主电路原理图如图所示，在电源电压正半周期间，晶闸管 承受正向电压， 承受反向电压。若在 t=时触发， 导通，电流经 ，阻感负载和T二次侧中心抽头形成回路，但由于大电感的存在，电压过零变负时，电感上的感应电动势使继续导通，直

11、到被触发时，承受反相电压而截至。在电源电压负半周期间，晶闸管承受正向电压，在 时触发，导通，反向截至，负载电流从 中换流至中。在 t=2 时,电压过零，因电感 L 中的感应电动势一直导通，直到下一个周期导通时。只有当 时，负载电流才连续，当> 时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值接近于零，因此该电路控制角的移相范围是0。 2.3 主电路电路参数的计算 (1)在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为： = 由设计要求可知：输出功率P=500W，U2=100V,则输出电压平均值的最大值为： =100×0.9×1=90（V）所以，当在0 范围内变化时，整流器可在04

12、5 V 范围内取值。(2) 整流电流输出平均值为： (3)在一个周期内每组晶闸管各导通180度，两组轮流导通，整流变压器二次电流是正，负对称的方波，电流的平均值 和有效值 相等，其波形系数为1。流过每个晶闸管的电流平均值 与有效值 分别为: (4)晶闸管在导通时管压降 ,故其波形为与横轴重合的直线段，和加正向电压，但触发脉冲还没到时间，已导通，把整个电压加到或上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于 ；和反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压加到或上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为。 3.相控触发电路的设计 3.1 相控触发电路工作原理 晶闸管触发主要有移相触发，过零

13、触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生 的触发脉冲要求： （1） 触发信号可为直流，交流或脉冲电压。 （2） 触发信号应有足够的功率。 （3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过擎住电流而维持导通。（4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。3.2 相控触发芯片的选择 相控触发电路芯片选择KJ004集成触发电路芯片构成的集成触发器KJ004可控硅移相电路，可控硅移相触发电路使用于单向，三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便的构成全控桥式触发器线路。电路具有

14、输出负载能力大，移相性能好，正负半周脉冲相位均衡性好，移相范围宽，对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。 单结晶体管触发电路由单结晶体管构成，该触发电路具有简单，可靠，抗干扰能力强，温度补偿性能好，脉冲前沿陡等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。它由自激震荡，同步电源，移相，脉冲形成等部分组成相控触发电路如图所示 相控触发电路图4.保护电路的设计 4.1过电流保护电路设计 当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路，驱动触发电路或控制电路发生故障，外部出现负载过载；直流侧短路，可逆传动系统产生逆变失败以及交流电源电压过高或过低均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即

15、出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过流保护。 4.2 过电压保护电路设计 设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。因此，必须对电力电子装置进行适当的过压保护。过流，过压的保护电路图如下 过流 过压保护电路图5 电路元件的选择 5.1整流元件的选择 晶闸管的主要参数1 电压定额 (1) 断态重复峰值电压 是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。 (2) 反向重复峰值电压 是在门极断路而结温为额的值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。(3) 通态(峰值)电压 是晶闸管通以某一

16、规定倍数的额度通态平均电流时的瞬态峰值电压。2 电流定额 (1) 通态平均电流 晶闸管在环境温度为40摄氏度和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 （2）维持电流 是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。 （3）擎住电流 是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。（4）浪涌电流 是指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。3 动态参数 （1 开通时间 和关断时间 （2）断态电压临界上升率 是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。（

17、3）通态电流临界上升率 是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 晶闸管的选择原则：(1) 所选择的晶闸管电流有效值大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。 (2) 选择时考虑（1.52）倍的安全裕量。即=1.57=（1.52）负载电流连续时,整流电压平均值可按下式计算: 输出电流波形因电感很大，平波效果很好而呈一条水平线。两组晶闸管轮流导电，一个周期中各导电180度，且与无关，变压器二次绕组中电流的波形是对称的正，负方波。负载电流的平均值和有效值相等，其波形系数为1.在这种情况下：当时，；当时，,其移相范围为90度。晶闸管承通常取和中较小的，再取靠近标准的电压等级作

18、为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压要留有一定裕量，应为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压: （23）2 工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 :=(2-3)2=（282.8-424.3）额定电流:考虑安全裕量，=2.50A 5.2保护元件的选择 变压器二次侧熔断器采用快速熔断器，这是电力电子装置中最有效，应用最广的一种过电流保护措施。在选择时应考虑以下几点： （1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定； （2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线

19、或直流母线中。 （3）快熔的值应小于被保护器件的允许值。 （4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。6.MATLAB软件的仿真 6. 1 MTLAB软件的介绍 MATLAB软件是矩阵实验室之意，主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。MATLAB是用于算法开发，数据可视化，数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和Simulink两大部分。 Simulink 是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模，仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可以构造出复杂的系统

20、。Simulink具有适应面广，结构和流程清晰及仿真精细，贴近实际，效率高，灵活等优点，Simulink现已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 6.2 系统建模及电路仿真 最后，利用所建模型和设置的参数进行仿真，电路仿真图如下 电路仿真图电路仿真波形如下：（1） 当=0时，仿真波形如下图所示（2）当=60时，仿真波形如下图所示（3）当=90时，仿真波形如下图所示6.3 系统仿真结果的分析单相双半波晶闸管整流电路仿真结果如上图所示，分别为0°，60°，90°时的输出曲线。通过对上图中的仿真波形的分析和对比，结合资料中的理论知识，可以看出它非常接近理论分析的波形。7.心得体会通过此次对于单相双半波晶闸管整流电路的设计，我又从中学到了不少。对于老师曾在课堂上讲过的知识又加深了记忆，而且通过实际的操作，我的动手能力也有所提高。与以前相比，可以更好的将理论与实践相结合，培养把知识运用到实践中的能力。 但是，在整个设计过程中，我也遇