单相双半波晶闸管整流电路设计_课程设计实验报告(可编辑)

1、单相双半波晶闸管整流电路设计（纯电阻负载）_课程设计实验报告电气工程学院电力电子课程设计设计题目：单相双半波晶闸管整流电路设计（纯电阻负载）专业班级：电气0906学 号：09291183 姓名：TYP指导教师:汤钰鹏设计时间：2012.6.25设计地点：电气学院实验中心电力电子课程设计成绩评定表姓名唐云鹏学号09291183课程设计题目：单相双半波晶闸管整流电路设计（纯电阻负载）课程设计答辩或提问记录：成绩评定依据：课程设计预习报告及方案设计情况（30%）:课程设计考勤情况（15%）：课程设计调试情况（30%）:课程设计总结报告与答辩情况（25%）:最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定

2、）指导教师签字：年月 日电力电子课程设计任务书学生姓名：唐云鹏专业班级 电气0906指导教师:汤钰鹏一、课程设计题目: （一）单相双半波晶闸管整流电路的设计（纯电阻负载）设计条件：1、电源电压:交流100V/50Hz2、输出功率:500W3、移相范围0o180o（二）单相半控桥式晶闸管整流电路的设计（阻感负载）设计条件：1、电源电压:交流100V/50Hz2、输出功率:500W3、移相范围0o180o（三）MOSFET降压斩波电路设计（纯电阻负载）设计条件:1、输入直流电压:Ud100V2、输出功率:300W3、开关频率5KHz4、占空比10%90%5、输出电压脉率:小于10%（四）MOSFE

3、T升压斩波电路设计（纯电阻负载）设计条件：1、输入直流电压:Ud50V2、输出功率:300W3、开关频率5KHz4、占空比10%50%5、输出电压脉率:小于10%（五）MOSFET单相半桥无源逆变电路设计（纯电阻负载）设计条件:1、输入直流电压:Ud100V2、输出功率:300W3、输出电压波形：1KHz方波（六）IGBT单相半桥无源逆变电路设计（纯电阻负载）设计条件:1、输入直流电压:Ud100V2、输出功率:300W3、输出电压波形：1KHz方波二、课程设计要求根据具体设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论 证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；查阅有关

4、参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数，对设计方案 进行仿真；完成预习报告，报告中要有设计方案，还要有仿真结果；进实验室进行电路调试,边调试边修正方案；撰写课程设计报告?画出主电路、控制电路原理图,说明主电路的工作原 理、选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、绘出主电路典型波形（比较实际 波形与理论波形），绘出触发信号（驱动信号）波形，说明调试过程中遇到的问题和 解决问题的方法。三、进度安排时间安排序号内容学时安排（天）1方案论证和系统设计 12完成电路仿真，写预习报告13电路调试 14控制电路与主电路联调15写设计总结报告与答辩1合计5设计调试地点：电气楼411执行要求电力电子课程设

5、计共6个选题，每组不得超过2人,要求学生在教师的指 导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选 型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告雷同，甚至完全一样。四、课程设计参考资料王兆安，黄俊.电力电子技术（第四版）.北京:机械工业出版社,2001王文郁.电力电子技术应用电路.北京:机械工业出版社,2001李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南.北京:机械工业出版 社,2001石玉、栗书贤、王文郁.电力电子技术题例与电路设计指导.北京: 机械工业出版社，1999赵同贺等.新型开关电源典型电路设计与应用.北京：机械工业出版社，2010摘要本报告着重介绍了双半波整流电路的主电

6、路参数确定和控制电路的波形 发生原理及操作。主电路比较简单，重点是器件额定值的确定。一般电压额定值取实际电压 峰值的23倍,额定电流取实际电流峰值的1.52倍。保护电路主要保护流经晶闸管的电流和电压不要超过设定值。控制电路先用339比较出相位差180的方波，然后用324运放积分出锯 齿波，再跟05伏电压比较,最后跟555电路产生的振荡脉冲相与,得到可调触发 角的相位差180的方波。关键词：双半波、整流、晶闸管、控制电路AbstractThis report mainly introduces the parameters choosing of the main circuit of doub

7、le half wave rectifier and the wave principle and operation of the control circuit.The main circuit is simple, and the key is to determine the rating of the thyristor. The rated voltage takes 2 3 times of the peak value and rated current takes 1.5 2 times.The protecting circuit mainly protects the t

8、hyristors current and voltage in order not to overvalue.The control circuit is to produce the square wave which can beadjusted from 0to 180in angles.Keywords:Double half wave, Rectifier, Thyristor, Control Circuit目录第一章系统方案设计前述一、单相双半波晶闸管整流电路供电方案的选择1、单相桥式全控整流电路2、单相双半波可控整流电路3、具体供电方案4、单相双半波晶闸管整流电路主电路设计主

9、电路原理图变压器二次侧电压的计算变压器一、二次侧电流的计算变压器容量的计算变压器型号的选择二、电路元件的选择1、整流元件的选择整流元件中电压、电流最大值的计算整流元件型号的选择三、保护元件的选择1、变压器二次侧熔断器的选择2、晶闸管保护电路的选择3、保护电路原理图及工作原理四、单相双半波整流电路的相控触发器电路1、同步电路及移相2、锯齿波产生电路3、比较电路4、555构成的多谐振荡器5、高频化五、单相双半波整流电路设计总设计结果1、晶闸管工作原理2、总电路的原理框图3、总电路工作原理4、绘制输出波形即Ud ,id波形5、绘制触发信号波形第二章仿真第三章电路调试第四章结论第五章实验心得附录一元器

10、件清单第一章系统方案设计电力电子学,又称功率电子学Power Electronics。它主要研究各种电力 电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对 电能的变换和控制。它既是电子学在强电高电压、大电流或电工领域的一个分支， 又是电工学在弱电低电压、小电流或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结 合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新 兴工程技术学科。随着科学技术的日益发展，人们对电路的要求也越来越高，由于在生产实 际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定， 利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能

11、，是目前获得直流电能的主 要方法，得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网 供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等， 需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导 体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导 电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流的基础是整流电路。由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域， 利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成 的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此

12、 要学好这门课就必须做好课程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流 电路应用非常广泛，而单相全控桥式晶闸管整流电路又有利于夯实基础，故我们 将单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设 计的课题。一、单相双半波晶闸管整流电路供电方案的选择1、单相桥式全控整流电路此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象， 负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半 周电流方向相反且波形对称,平均值为零，即直流分量为零,不存在变压器直流磁 化问题，变压器的利用率也高。并且单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小, 功率因素高的特点。

13、但是，电路中需要四只晶闸管，且触发电路要分时触发一对晶 闸管，电路复杂，两两晶闸管导通的时间差用分立元件电路难以控制。2、单相双半波可控整流电路单相双半波可控整流电路又称单相全波可控整流电路。此电路变压器是 带中心抽头的，在u2正半周T1工作，变压器二次绕组上半部分流过电流。u2负 半周,VT2工作，变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流。单相全波可控整流 电路的U d波形与单相全控桥的一样，交流输入端电流波形一样，变压器也不存在 直流磁化的问题。当接其他负载时，也有相同的结论。因此,单相全波与单相全控 桥从直流输入端或者从交流输入端看均是一致的。适用于输出低压的场合作电流 脉冲大(电阻性负载

14、时)。在比较两者的电路结构的优缺点以后决定选用单相全波 可控整流电路作为主电路。3、具体供电方案电源电压:交流100V/ 50Hz4、单相双半波晶闸管整流电路主电路设计主电路原理图单相双半波整流电路如图a所示，波形图如图b所示。图a单相双半波整流电路图(b)单相双半波整流电路及波形图根据图中b可知，单相全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出 电压相同。输出平均电压为：Usin3td3tU0.9 U流过负载的平均电流为：I二极管所承受的最大反向电压为：2U相全波整流电路的脉动系数s与单相桥式整流电路相同：s0.67在单相全波整流电路的变压器中，只有交流电流流过；而在半波和桥式整 流电路中，均

15、有直流分量流过。单相全波整流电路的总体性能优于单相半波和桥 式整流电路,故广泛应用于直流电源中。变压器二次侧电压的计算电源电压交流100/ 50Hz,输出功率:500W，移相范围:0 -180R1.25Q,a0。Ud25V变压器一、二次侧电流的计算PIdR Id20AU1/Ud100/25N1/N24/1 I1Id/45A变压器容量的计算SU1i1100X50.5kVA变压器型号的选择N1:N24:1; S500VA二、电路元件的选择1、整流元件的选择由于单相双半波整流带阻性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元 件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。(1)整流元件中电压、电流最大值的计算晶闸

16、管的主要参数如下：额定电压UNVT断态重复峰值电压UDRM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 上的峰值电压。反向重复峰值电压URRM反向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 上的反向峰值电压。通常取UDRM和URRM中较小的,再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的 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UNVT N(23)2U2 (3-1)UNVT:工作电路中加在管子上的最大瞬时电压UNVT 2-32U2(141.4-212.1)V通过晶闸管的电流的平均

17、值IvTAV额定电流INVTIvtAVId/210AImnIvTAV31.4A(2)整流元件型号的选择晶闸管的选择原则：所选晶闸管电流有效值IVT大于元件在电路中可能流过的最大电流有 效值。选择时考虑(1.52)倍的安全裕量。即/1.57(19.1-25.5)A INVT20A则晶闸管的额定电流为INVT20A。在本次设计中选用2个KP20-2的晶闸管.三、保护元件的选择1、变压器二次侧熔断器的选择采用快速熔断器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。在选择快熔时应考虑：电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。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

18、 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或直流 母线中。快熔的值应小于被保护器件的允许值、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。因为晶闸管的额定电流为20A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管 额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为30A。2、晶闸管保护电路的选择(1过电流保护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, 即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。

19、(2过电压保护设备在运行过程中，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电压保护。3、保护电路原理图及工作原理图4过流、过电压保护电路四、单相双半波整流电路的相控触发器电路五、单相双半波整流电路设计总设计结果1、晶闸管工作原理晶闸管由四层半导体(P1、N1、P2、N2)组成，形成三个结J1(P1N1)、 J2(N1P2)、J3(P2N2),并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极，如图6左所 示。由于具有扩散工艺,具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图6(右) 所示的两个晶闸管

20、T1(P1-N1-P2)和(N1-P2-N2)组成的等效电路。图6晶闸管的内部结构和等效电路一个PNPN四层结构的两端器件，可以看成电流放大系数分别为和的和晶 体管,其中结为共用集电结。当器件加正向电压时。正偏结注入空穴经过区的输 运,到达集电极结()空穴电流为;而正偏的结注入电子，经过区的输运到达结的电 流为。由于结处于反向，通过结的电流还包括自身的反向饱和电流。晶闸管导通与关断两个状态是由阳极电压、阳极电流和门极电流共同决 定的。通常用伏安特性曲线来描述它们之间的关系，如图7所示。图7晶闸管的伏安特性曲线当晶闸管加正向电压时,和正偏，反偏，外加电压几乎全部降落在结上，结 起到阻断电流的作用

21、。随着的增大，只要，通过阳极电流都很小，因而称此区域为 正向阻断状态。当增大超过以后，阳极电流突然增大，特性曲线过负阻过程瞬间变 到低电压、大电流状态。晶闸管流过由负载决定的通态电流，器件压降为1V左右， 特性曲线CD段对应的状态称为导通状态。通常将及其所对应的称之为正向转折 电压和转折电流。晶闸管导通后能自身维持同态，从通态转换到断态，通常是不用 门极信号而是由外部电路控制，即只有当电流小到称为维持电流的某一临界值以 下，器件才能被关断。当晶闸管处于断态()时,如果使得门极相对于阴极为正，给门极通以电流, 那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压以及转电流都是的函数，越大， 越小。如图3

22、所示，晶闸管一旦导通后，即使去除门极信号，器件仍然然导通。当晶闸管的阳极相对于阴极为负，只要，很小，且与基本无关。但反向电压很 大时()，通过晶闸管的反向漏电流急剧增大，表现出晶闸管击穿，因此称为反向转 折电压和转折电流。2、总电路的原理框图系统原理方框图如图所示：3、总电路原理图4、总电路工作原理该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发 电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或 短路故障时,不至于伤害到晶闸管和负载。在电路中还加了防雷击的保护电路。 然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。整流电路中的晶闸管在触发信号 的作用下动作，以发

23、挥整流电路的整流作用。在电路中，过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护，而过压 保护则采用RC电路。这部分的选择主要考虑到电路的简单性，所以才这样的保护 电路部分。整流部分电路则是根据题目的要求，我们选择学过的单相全波整流电 路。该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功 能。触发电路是由设计题目而定的，题目要求了用单结晶体管直接触发电路。单 结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大,而且由于是直接触发电路它的结构 比较简单。一方面是方便我们对设计电路中变压器型号的选择。5、绘制输出波形即Ud ,id波形6、绘制触发信号波形第二章仿真算法ode23tb,仿真时间0

24、.1sR16.2Q a0a30a60a90a120a150电路调试由于此实验主要是搭建控制电路,主电路、保护电路等由于危险性均不需 要我们搭建。具体控制电路搭建的实验步骤如下：1、按照元器件清单领取元件（领取元件过程中遇到了诸多问题，比如说 470uF的电容就不好找。一开始我们打算用510kQ和47uF的电阻电容搭配，来代 替51kQ和470uF的电阻电容，不过之后找到了 474电容,实验也得以继续。）2、领取面包板,并准备开始连接电路（一开始领的面包板是新的，插起来 不是很容易，之后我们又换了一块板子，经过测试，可以使用而且插口比较松，这 也给我们以后的实验提供了方便）3、搭建第一部分:33

25、9比较器输出相位差180的两路方波（一开始这一 部分出现了问题，在波形正半周时，经339与零点位比较，可以出来较好的方波, 而负半周却得不出来。后来经过分析，可能是负半周波形超过其比对的范围，导致 波形失真。于是我们用减小正弦波幅值的方法得到了很好的正负方波。）4、搭建第二部分:用324运放积分出锯齿波（这部分电路远离比较简单, 但是连线很复杂，因为三极管的管脚和电容、运放负端均有连线，所以跨越的区域 就会比较宽。而且电阻和电容的搭配也需要考虑，因为我们之后找到了 474电容, 才可以继续用51kQ的电阻来做积分电路的电阻。）5、搭建第三部分:用339搭建比较电路（这里比较麻烦的地方就是比较点

26、 位的电源是5V电源，需要重新设置电源区域,而且需要连接到学生电源的5V档 上。其他的电路和之前的比较电路相似，而且339.324的电源均为12V的电源。）6、搭建第四部分:555构成多谐振荡器（这一部分要求没有那么严格，电 容和电阻的大小选择比较灵活。比如说33nF的电容不好找，就选择223电容（22nF）代替，因为这个电路只要产生出高频脉冲就可以了。最终产生的高频脉冲的频率为 3.35kHz。）7、搭建第五部分:用7408芯片和前面产生的方波相与（这一部分比较简 单，只要能得出可以调整触发角的方波就可以了。将示波器x轴放大，可以观测方 波中的脉冲;调节电位器,可以观测方波的触发角在变化。）第四章结论实验结果：1、在双踪示波器分别接到输出方波和基准正弦信号的时候,调节电位器, 可以观察到方波的触发角从0开始变化，最终可达到150左右。也就是说此控 制电路的触发角范围为0150。2、在双踪示波器分别接到输出的两个方波上时，通过调节波形的地的位 置，可以清楚的观察出两路方波相位相差180。实验结论：通过控制电路的搭建，可以基本实现两路可调相位、相差18