单相双半波晶闸管整流电路设计反电势电阻负载

1、前言电力电子学,又称功率电子学(PowerElectronics)。它主要研究各样电力电子器件，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，也许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。跟着科学技术的日趋发展,人们对电路的要求也愈来愈高,因为在生产实质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、性能稳固,利用它可以方便地获取大中、小各样容量的直流电能,是目前获取直流电能的主

2、要方法,获取了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网供应用户的是交流电，而在好多场合，比方电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要获取直流电，除了直流发电机外，最广泛应用的是利用各样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，即利用拥有单导游电特征的器件，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。因为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构成各样电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完好的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有好多相似之处，所以要学好这门课就一定做好课程设计，因此我

3、们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用特别广泛，而单相全控桥式晶闸管整流电路又有益于夯实基础，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。1目录一、设计课题.31.1课程设计的内容.31.2设计条件.31.3要求完成的主要任务.3二、设计方案的选择.42.1单相桥式全控整流电路.42.2单相双半波可控整流电路.42.3详尽供电方案.5三、单相双半波晶闸管整流电路设计.63.1总电路原理框图.63.2晶闸管工作原理.63.3参数的计算.8主电路中各元件参数的计算.8变压器的参数计算.103.4元件的选择.10整流元件的选择.10保护电路的工作原理及元器件

4、的选择.11四、相控触发电路原理图及工作原理.134.1相控触发芯片的选择.134.2相控触发工作原理及电路原理图.14五、单相双半波整流电路的MATLAB仿真实验.155.1MATLAB软件介绍.155.2系统建模与参数设置.15模型的建立.15模型电路参数的设置.15模型电路的波形显示.16六、结论.20七、参照文件.21附录.22附录.232一、设计课题单相双半波晶闸管整流电路的设计（反电势、电阻负载）1.1课程设计的内容认识课程设计任务书所规定的设计内容；查阅资料文件，认识所选题目的详尽要求、国内外现状，熟习实验装置的结构、功能，看懂现有的技术、工程图纸（电气原理图、控制板原理图、电气

5、接线图）；在熟习工作原理的基础上实现系统中各主要部分的功能；总结实验数据，分析结果，得出结论，撰写5000字以上的设计报告（包含前言、目录、正文、结论、参照文件）。设计报告正文一定包含以下内容：主电路选型;主电路参数的计算：包含无源器件和有源器件的详尽型号及设计参数，依据工作条件考虑各项电气参数;电路的驱动、保护原理设计：包含晶闸管、MOSFET或IGBT元件的驱动、控制和保护电路;A3或A4幅面的主电路图及触发电路图(或驱动电路图);仿真：利用PSPICE或Matlab/Simulink仿真软件分析电路的工作过程。1.2设计条件：电源电压：交流100V/50Hz输出功率：5000W移相范围3

6、0o150o反电势：E=70V1.3要求完成的主要任务：主电路设计（包含整流元件定额的选择和计算等）,谈论晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响。触发电路设计。触发电路选型（可使用集成触发器），同步信号的产生等。晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计，计算保护元件参数并选择保护元件型号。供应系统电路图纸许多于一张。利用仿真软件分析电路的工作过程。3二、设计方案的选择2.1单相桥式全控整流电路VT1VT2+U1U2+-34VTVT图2-1单相桥式全控整流电路图此电路对每个导电回路进行控制，不必用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流成效好，波形安稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周

7、电流方向相反且波形对称，均匀值为零，即直流重量为零，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拥有输出电流脉动小，功率要素高的特色。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。2.2单相双半波可控整流电路VTi1+U2U1-+i2VT2-U-D1i0+RD2+u0E-2-2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

8、控整流电路的Ud波形与单相全控桥的相同，交流输入端电流波形相同，变压器也不存在直流磁化的问题。当接其余负载时，也有相同的结论。所以，单相全波与单相全控桥从直流输4入端也许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（电阻性负载时）。对比于单相全控整流电路，单相全波中变压器结构较复杂，资料的耗费多。单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因此管压降也少1个。在比较二者的电路结构的优弊端今后决定采纳单相全波可控整流电路作为主电路。2.3详尽供电方案变压器一次侧

9、接入电源电压为：交流100V/50Hz。变压器二次侧电压则依据已知条件供应的参数计算。5三、单相双半波晶闸管整流电路设计3.1总电路原理框图图3-1总电路原理框图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经过过电保护电路，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。而后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。在电路中,过电保护部分我们分别选择的迅速熔断器做过流保护,而过压保护则采纳RC电路。整流部分电路则是依据题目的要求，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征

10、实现将交流变成直流的功能。单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大，并且因为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。设计电路如图2-2单相双半波可控整流电路所示。3.2晶闸管工作原理图3-2晶闸管的内部结构和等效电路6晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）构成，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3-2(a)所示。因为具有扩散工艺，拥有三结四层结构的一般晶闸管可以等效成如图3-2（b）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）构成的等效电路。一个PNP

11、N四层结构的两端器件，可以看作电流放大系数分别为和的12P1N1P2和N1P2N2晶体管，此中J2结为共用集电结。当器件加正向电压时。正偏J1结注入空穴经过N区的输运，到达集电极结（J）空穴电流为I；而正偏的J结121A3注入电子，经过P2区的输运到达J2结的电流为2IK。因为J2结处于反向，经过J2结的电流还包含自己的反向饱和电流ICO。由上图中的参数可以获取：2IG+ICBO1+ICBO2IA=1-(+)12和分别是晶体管V和V的共基极电流增益，I和I分别是V和V1212CBO1CBO212的共基极漏电流。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。平常用伏安特征曲

12、线来描述它们之间的关系，如图3-3所示。图3-3晶闸管的伏安特征曲线当晶闸管VAK加正向电压时，J1和J3正偏，J2反偏，外加电压几乎所有下降在J2结上，J2结起到阻断电流的作用。跟着VAK的增大，只要VAKVBO，经过阳极电流IA都很小，因此称此地域为正向阻断状态。当VAK增大超出VBO今后，阳极电流忽然增大，特征曲线过负阻过程瞬时变到低电压、大电流状态。晶闸管流过由负载决定的通态电流IT，器件压降为1V左右，特征曲线CD段对应的状态称为导通状态。平常将VBO及其所对应的IBO称之为正向转折电压和转折电流。晶闸管导通后7能自己保持同态，从通态变换到断态，平常是不用门极信号而是由外面电路控制，

13、即只有当电流小到称为保持电流IH的某一临界值以下，器件才能被关断。当晶闸管处于断态（VAKVBO）时，假如使得门极有对于阴极为正，给门极通以电流IG，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压VBO以及转电流IBO都是IG的函数，IG越大，VBO越小。如图3所示，晶闸管一旦导通后，即使去除门极信号，器件依旧然导通。当晶闸管的阳极有对于阴极为负，只要VAKVRO，IA很小，且与IG基本没关。但反向电压很大时（VAKVRO），经过晶闸管的反向漏电流急剧增大，表现出晶闸管击穿，所以称VRO为反向转折电压和转折电流。3.3参数的计算主电路中各元件参数的计算单相全波整流带反电动势电阻负载电路如图2-2

14、所示，波形图如图3-4所示。u0EOawti0IdOwt图3-4单相双半波可控整流带反电动势电阻负载电路波形图依据图中3-4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，此中=6。设电阻值的大小为R。由条件可以获取：（1）U2的幅值为：UEUE70V?=sin(-)=0.522?sin(-)=22=140U2=99V8（2）在一个周期内，任意t时刻所求的瞬时功率分为两部分：当0也许5t时，Pt=0；t66当5时，Pt=2U2sin(t)?(2U2sin(t)-E)R。6t6当=时，在一个周期内的均匀功率为最大值PW，有以下公式：=50006P=1-U2sin(wt)?U2sin

15、(wt)-Ed(wt)22R代入数据获取：R=0.766?输出均匀电压为:U1-tdwtV0d=U)+2E2msin()(6=100.5（4）流过负载的均匀电流为：I0d1-2U2sin(wt)-E=d(wt)=39.8AR（5）流过负载的电流有效值为：21-?2U2sin(wt)-E?I2=?d(wtAR?)=53.8?晶闸管所承受的最大反向电压为：Umax=22U2=280V（7）晶闸管所承受的最大反向电压为：IVT=I22=38A（8）晶闸管的额定电压为：UN=(23)UV取UVmax=560840N=800（9）晶闸管的额定电流为：IN=(1.52)IVT1.57=36.348.4A取

16、IN=40A9变压器的参数计算（1）变压器二次侧电压的计算：在变压器一次侧接入100V/50Hz的电源电压，输出功率5000W，移相范围：30-150。经过计算，R=0.766,变压器二次侧的电压值有效值为：2U2=198V。其频率为50Hz。（2）变压器一二次侧电流的计算：N1=U1=1依据条件有，N22U22，当变压器二次侧绕组的一半有电流经过时，且二次侧电流的有效值I2=53.8A，此时变压器一次侧电流的有效值为：I1=I2=53.8A（3）变压器容量的计算：=U1I1=100V53.8A=5.38kVA（4）变压器型号的选择：N1:N2=1:2S=5.38kVA3.4元件的选择整流元件

17、的选择因为单相双半波整流带阻性负载主电路主要元件是晶闸管，所以采纳元件时主要考虑晶闸管的参数及其采纳原则。晶闸管的主要参数以下：电压定额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，同意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，同意重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压UTM平常取UDRM和URRM中较小的，再取凑近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在采纳管子时，额定电压要留有必定裕量，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UTM=min(UDRM,UR

18、RM)UNVT(23)22U2=560840V取UNVT=800VUNVT：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压10电流定额INVT通态均匀电流IT(AV)，其定义是晶闸管在室温40和规定的冷却条件下，结温不超出额定结温时所同意的流过的最大工频正弦半波电流的均匀值。将此电流按晶闸管标准电流取周边的电流等级即为晶闸管的额定电流。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IN=(1.52)IVT1.57=36.348.4A取INVT=40A则晶闸管的额定电流为INVT=40A。在本次设计中采纳2个KP50-10D的晶闸

19、管。保护电路的工作原理及元器件的选择（1）保护电路的工作原理过电流保护（overcurrentprotection）过电流保护就是当电流超出预约最大值时，使保护装置动作的一种保护方式。当流过被保护原件中的电流超出早先整定的某个数值时，保护装置启动，并用时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号。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；外面出现负载过载；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；均能引起装置或其余元件的电流超出正常工作电流，即出现过电流。所以，一定对电力电子装置进行合适的过电流保护。过电压保护（overvolta

20、geprotection）过电压保护是当电压超出预约最大值时，使电源断开或使受控设备电压降低的一种保护方式。设备在运转过程中，会遇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，设备自己运转中以及非正常运转中也有过电压出现，所以，一定对电力电子装置进行合适的过电压保护。晶闸管的过流、过压保护电路如图3-5所示。RCFUVT图3-5晶闸管的过流、过电压保护电路11（2）保护电路元器件的选择过变压器二次侧保护，采纳迅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。选择迅速熔断器应试虑：电压等级应依据熔断后快熔实质承受的电压来确立，取800V电压值。电流容量应按其在主电路中的

21、接入方式和主电路联系形式确立。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或直流母线中。快熔的I2t值应小于被保护器件的最大同意Imax2t值。为保证熔体在正常过载状况下不融化，应试虑其时间电流特征。因为晶闸管的额定电流为40A,迅速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以迅速熔断器的熔断电流为60A。选择型号为KH000-63A/1000VAC。对过电压、过电流保护，采纳并联RC电路的方式，对电阻和电容大小采纳的计算式以下：电容C的选择：C-8IF选择2uF的电容。=(2.55)10NVT=12电阻R的选择：R=(24)535(0.367I2)=54.21

22、08.4?选择80?电阻。12四、相控触发电路原理图及工作原理4.1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适用于单相、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,可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路拥有输出负载能力大、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色。芯片KJ004的原理图如图4-1所示：4-1芯片KJ004的内部原理图芯片KJ004有12个引脚，其封装引脚图如图4-2所示：KJ004KJ004图4-

23、2芯片KJ004的外面引脚图13该芯片的引脚功能如表4-1所示：功能输出空锯齿波形成-Vee(1k)空地同步输入综合比较空微分阻容关闭调制输出+Vcc引线脚号123456789101112131415164-1芯片KJ004的引脚功能表4.2相控触发工作原理及电路原理图晶闸管触发主要有移相触发、过零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：触发信号可为直流、交流或脉冲电压。触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。触发脉冲应有必定的宽度，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出掣住电流而保持导通。触发脉冲一定与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围一定满足

24、电路要求。单结晶体管触发电路由单结晶体管构成的触发电路拥有简单、靠谱、抗搅乱能力强、温度赔偿性能好，脉冲前沿徒等长处，在容量小的晶闸管装置中获取了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分构成，电路图如图4-3所示。图4-3相控触发电路原理图14五、单相双半波整流电路的MATLAB仿真实验5.1MATLAB软件介绍本次系统仿真采纳目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行电算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传达函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行电算机仿真研究。其余一种是面向控制系统电气原理结构图，使用PowerSys

25、tem工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采纳后一种方法。5.2系统建模与参数设置模型的建立单相双半波晶闸管整流电路模型主要由交流电源、同步触发脉冲、反电动势电阻负载、丈量等部分构成。采纳MATLAB面向电气原理结构图方法构成的单相双半波整流电路仿真模型如图5-1所示。图5-1单相双半波整流电路仿真模型模型电路参数的设置在搭建好图5-1所示的单相双半波整流电路以后，需要对电路中各个元器件的参数进行设置。双击SeriesRLCBranch元件，选择Branchtype为R，即只含有电阻，并且设Resistance(Ohms)参数为0.766。双击反电动势负载器件DCVoltageSour

26、ced，设置参数Amplitude(V)为70。在电路顶用到的双半波模型可以用两个交流电压源ACVoltageSource取代，双击元件，更正峰值电压参数Peakamplitude(V)为140，设置频率Frequency(Hz)为50。控制晶闸管的触发脉冲PulseGenerator只要要一个，双击以后，设置其参数Period(secs)为0.01，即频率为100Hz。设置参数Phasedelay(secs)的值，可以控制晶闸管的触发角。15模型电路的波形显示设置不一样的触发角，观察仿真电路的波形，主要观察电压源波形、输出电路中的电压波形、电流波形以及电阻负载两端的电压波形。在以下图形中，第

27、一个波形图为电压源波形，第二个波形图为输出电路中的电压波形，第三个波形图为输出电路中的电流波形，第四个波形图为电阻负载两端的电压波形。o当触发角=15时，对应的PulseGenerator器件的参数Phasedelay(secs)图5-2触发角=15o时的电路波形图当触发角=30o时，对应的PulseGenerator器件的参数Phasedelay(secs)设置为0.00167。输出波形如图5-3所示：图5-3触发角=30o时的电路波形图当触发角=45o时，对应的PulseGenerator器件的参数Phasedelay(secs)16设置为0.0025。输出波形如图5-4所示：图5-4触发

28、角=45o时的电路波形图o当触发角=60时，对应的PulseGenerator器件的参数Phasedelay(secs)图5-5触发角=60o时的电路波形图o当触发角=90时，对应的PulseGenerator器件的参数Phasedelay(secs)图5-6触发角=90o时的电路波形图当触发角=120o时，对应的PulseGenerator器件的参数Phasedelay17(secs)设置为0.00668。输出波形如图5-7所示：图5-7触发角=120o时的电路波形图当触发角=135o时，对应的PulseGenerator器件的参数Phasedelay(secs)设置为0.0075。输出波形

29、如图5-8所示：图5-8触发角=135o时的电路波形图当触发角=150o时，对应的PulseGenerator器件的参数Phasedelay(secs)设置为0.00835。输出波形如图5-8所示：图5-8触发角=150o时的电路波形图18当触发角=165o时，对应的PulseGenerator器件的参数Phasedelay(secs)设置为0.009185。输出波形如图5-9所示：图5-9触发角=165o时的电路波形图从以上的波形图可以看出，输出电流在一个周期内有部分时间为0的状况，称为电流断续。当触发角030o时，触发脉冲到来，晶闸管承受负电压，不行能导通。为了使晶闸管靠谱导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当t=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲依旧存在。这样，相当于触发角被推延了。但是当150o180o时，触发脉冲到来，晶闸管承受负电压，依旧不行能导通，即晶闸管在150ot180o段内截止。当负载为直流电动机时，假如出现电流断续，则电动机的机械特征将很软。一般在主电路的直流输出侧串联一个平波电抗器，用来简绍电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。19六、设计总结经过单相双半波整流电路的