单相半控桥式晶闸管整流电路(电阻负载)

电气工程学院电力电子课程设计设计题目：单相半控桥式晶闸管整流电路（电阻负载）学号：姓名：同组人：指导教师：设计时间：设计地点：

电力电子课程设计成绩评定表姓名学号课程设计题目：单相半控桥式晶闸管整流电路（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）指导教师签字：年月日

电力电子课程设计任务书学生姓名：指导教师：一、课程设计题目：单相半控桥式晶闸管整流电路（电阻负载）二、课程设计要求1.根据具体设计课题的技术指标和给定条件，独立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；2.查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数，对设计方案进行仿真；3.完成预习报告，报告中要有设计方案，设计电路图，还要有仿真结果；4.进实验室进行电路调试，边调试边修正方案；5.撰写课程设计报告——最终的电路图、调试过程中遇到的问题和解决问题的方法。三、进度安排1．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24写设计总结报告与答辩1合计5设计调试地点：电气楼4102．执行要求课程设计共5个选题，每组不得超过2人，要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的详细电路（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告雷同。摘要本次课程设计的题目为：单相半控桥式晶闸管整流电路，其中负载为纯电阻负载。电路设计的主要参数及要求：1、电源电压：交流100V/50Hz；2、输出功率：500W；3、移相范围：0º-180º。对于单相半控桥式晶闸管整流电路（电阻负载），其电路设计的主要功能为：单相桥式半控整流电路的工作特点是晶闸管触发导通，而整流二极管在阳极电压高于阴极电压时自然导通。单相桥式半控整流电路在纯电阻负载电流连续时，当相控角α<180°时，可实现将交流电功率变为直流电功率的相控整流，同时，调节触发电路，可改变触发角进行调压；在α>180°时，由于二极管的单相导电性，电路无法实现逆变，输出电压为零。关键词：单相半控桥式晶闸管整流电路、纯电阻负载、相控角调节AbstractABSTRACT：Curriculumdesigntopics:single-phasehalf-controlledbridgethyristorrectifiercircuit,wheretheloadispurelyresistiveload.Themainparametersandrequirementsofthecircuitdesign:1,thepowersupplyvoltage:AC100V/50Hz,outputpower:500W;2;3,thephaseshiftrange:0º~180º.Forthesinglephasehalfcontrolledbridgethyristorrectifiercircuit(resistiveload),themainfunctionofthecircuitdesign:Characteristicsofsinglephasebridgehalfcontrolledrectifiercircuitistriggeredthyristorturn-on,andrectifierdiodeishigherthanthatofcathodevoltageintheanodevoltagenaturalconduction.Singlephasebridgehalfcontrolledrectifiercircuitloadcurrentiscontinuousinthepureresistance,whilethemouldingsα<180°,canrealizethephasecontrolrectifier,ACpowerintoDCpoweratthesametime,adjustingtriggercircuit,whichcanchangethetriggerangleregulator;whenα>180°,becausethephaseconductivitydiode,thecircuitcannotbeachievedinverter,outputvoltagetozero.KEYWORDS：Singlephasehalfcontrolledbridgethyristorrectifiercircuit,pureresistiveload,adjustphasemouldings

目录系统方案设计···························································1一、主电路方案设计··························································1主电路方案论证······················································1主电路结构及其工作原理··············································2参数计算····························································3主电路器件选用······················································3二、控制电路方案设计························································42.1触发控制电路方案····················································42.1.1方案一····························································42.1.2方案二····························································5第二章仿真·································································8一、主电路仿真·····························································81.1仿真设置····························································81.2仿真结果····························································10二、控制电路仿真···························································112.1方案一仿真··························································112.2方案二仿真··························································132.2.1各部分电路分析与仿真·············································142.2.2输出控制信号仿真·················································17第三章电路调试·····························································19一、实物制作······························································19二、实际控制信号测量······················································202.1电路各组成部分输出波形·············································202.2控制信号输出波形···················································21第四章结论································································24第五章心得体会与建议······················································25参考文献····································································26附录1：元器件清单···························································27第一章系统方案设计一、主电路方案设计1.1主电路方案论证方案一：单相半控桥式整流电路（含续流二极管）单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，而且不会导致失控显现，续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗，如图1-1。图1-1含续流二极管方案二：单相半控桥式整流二极管（不含续流二极管）不含续流二极管的电路具有自续流能力，但一旦出现异常，会导致：一只晶闸管与两只二极管之间轮流导电，其输出电压失去控制，这种情况称之为“失控”。失控时的的输出电压相当于单相半波不可控整流时的电压波形。在失控情况下工作的晶闸管由于连续导通很容易因过载而损坏。因为半导体本身具有续流作用，半控电路只能将交流电能转变为直流电能，而直流电能不能返回到交流电能中去，即能量只能单方向传递，如图1-2。图1-2不含续流二极管经过比较本设计选择方案一含续流二极管的单相半控桥式整流电路能更好的达到设计要求。1.2主电路结构及其工作原理单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。其使用的电路图如下图2-1所示。图1-3主体电路结构原理图在交流输入电压u2的正半周（a端为正）时，Th1和D1承受正向电压。这时如对晶闸管Th1引入触发信号，则Th1和D1导通电流的通路为u2+→Th1→R→D1→u2-。这时Th2和D1都因承受反向电压而截至。同样，在电压u2的负半周时，Th2和D2承受正向电压。这时，如对晶闸管Th2引入触发信号，则Th2和D2导通，电流的通路为：u2-→Th2→R→D2→u2+。这时Th1和D1处于截至状态。显然，与单相半波整流相比较，桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍，即输出电压的平均值：U输出电流的平均值：I1.3参数计算输出电压平均值：U输出电流平均值：I流过晶闸管电流有效值：I交流侧相电流的有效值：I续流管电流有效值：I1.4主电路器件选用：由已知条件可知U1=100VPo=500W移相范围0°—180°假设R=1.25Ω，α=0°，可得：UI输出电压有效值：U所以变压器变比：N变压器选用变压器容量S=500VA变比N2取4：1晶闸管选用（考虑裕量）额定电压：U额定电流：I流过晶闸管电流有效值：I晶闸管平均电流(有裕量)：I故选用额定电压为100V，通态平均电流为20A的晶闸管。二、控制电路方案设计为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。2.1触发控制电路方案对于触发电路通常有如下要求：触发电路输出的脉冲必须具有足够的功率；触发脉冲必须与晶闸管的主电压保持同步；触发脉冲能满足主电路移相范围的要求；触发脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡。2.1.1方案一:单结晶体管自激振荡电路：1.电源接通：E通过Re对C充电，时间常数为ReC；2.Uc增大，达到UP，单结晶体管导通，C通过R1放电；3.Uc减少，达到Uv，单结晶体管截止，ｕR1下降，接近于零；4.重复充放电过程。Re的值不能太大或太小，满足电路振荡的Re的取值范围：E-图2-1仿真电路图2.1.2方案二：图2-2控制电路原理图图2-3仿真电路图主要元器件（1）LM339LM339引脚图LM393引脚图主要功能：LM339内部装有四个独立的电压比较器，每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。在任意一个输入端加一个固定电压做参考电压，另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。由于本次实验过程中LM339较为紧缺，所以我们改用LM393进行试验，因为LM339与LM393的功能与性能较为接近，只是封装稍有不同。（2）LM324主要功能：LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。“V+”、“V-”为正、负电源端，每一个运算放大器有3个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，，还有一个为输出端。两个信号输入端中，“-”为反相输入端，表示运放输出端的信号与该输入端的位相反；“+”为同相输入端，表示运放输出端的信号与该输入端的相位相同。（3）LM555主要功能：LM555时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。其中6脚为阀值端（TH），是上比较器的输入；2脚为触发端（TR），是下比较器的输入；3脚为输出端（OUT），有0和1两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定；7脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚为复位端（R）；5脚为控制电压端(CV)，可以用它来改变上下触发电平值；8脚为电源（VCC），1脚为地（GND）。（4）74LS08主要功能：内部有四个独立的逻辑“与”门，14端为电源端，7为接地端。各部分电路：图2-4同步电路图图2-5锯齿波产生电路图图2-6比较电路图图2-7多谐振荡电路图图2-8“与”电路图具体方案设计与分析请见仿真部分。

第二章仿真一、主电路仿真1.1仿真设置主电路仿真采用Matlab进行，利用Simulink中模块所建原理图：参数设置：电源参数设置：晶闸管参数设置：二极管参数设置：控制脉冲参数设置：晶闸管Thyristor1与晶闸管Thyristor2的脉冲相差180°。1.2仿真结果当α=0°时：考虑晶闸管与二极管自身的压降，电压最大值约为98.4V。仿真结果正确。当α=30°时：当α=90°时：当α=120°时：当α=180°时：二、控制电路仿真2.1方案一仿真主控制电路仿真采用Multisim进行，利用Multisim中自带模型所建原理图：此控制电路为主电路其中一个晶闸管的控制电路。其调节电位器Key=A可调节α。脉冲仿真结果如下：（图中比例为1V/Div）当α=0°时：电位器0％当α=30°时：电位器16.7％当α=90°时：电位器50％当α=120°时：电位器66.7％当α=180°时：电位器100％由上图可见，其脉冲波形并不如理想模型，而且在调节电位器时，其α调节到0°或者180°附近时就开始呈现不稳定状态，即α无法稳定实现0°-180°的调节范围。2.2方案二仿真主控制电路仿真采用Multisim进行，利用Multisim中自带模型所建原理图：2.2.1各部分电路分析与仿真：1）同步电路及移相工作原理：利用LM339构造同步电路，由9V正弦电源与0V接地电位进行比较，当正半周时，“+”端电位比“-”端电位高，于是LM339输出高电平，当负半周时，“-”端电位比“+”端电位高，LM339输出低电位；如此重复，产生于正弦电源同相的方波。将LM339的输入端电源反接，通过LM339进行移相，输出与输入正弦波相位差180°的方波，如下图所示：2）锯齿波产生电路工作原理：当1）中输出为负电平时，三极管截止。由放大器虚地的概念，LM324的负输入端接近为零。负电平通过电阻R1对电容C1反向充电，使b点电压从零电位随时间按斜率UiRiCi线性上升，一直充到低电平tL结束为止。因为积分器输出电压，Uo=-UiR1C1tL。在此处Ui=-12V，Uo=5V，tL=10ms。由此式理论计算得到R1C1=0.024s。经过实验的不断调试，最后得出了来的结果是R1=51k，C13）比较电路工作原理：再次利用LM339构成比较电路，比较信号为上一部分输出的锯齿波和一个可调的0—5V直流电源，当“+”端电位比“-”端电位高时，LM339输出高电平，当“-”端电位比“+”端电位高，LM339输出低电位；如此重复，产生于另一个方波信号。通过改变电位器R4的大小，可以改变输入“-”端的参考电压的值，从而改变输出方波的上升沿，调节范围从0—180°。4）多谐振荡器电路工作原理：此电路由555和其周围的电阻、电容构成的多谐振荡器，产生一些列的高频脉冲列。接通电源瞬间，电容Ｃ3上没有电荷，此时THR==0V，所以=H，T管截止，经R1、R2对C充电，，随着时间的推移，THR=TRI=逐渐升高，当该电位达到2/3时，由H变为L，T管由截止变为导通。此后C经过T管放电，（为T管导通电阻），THR=TRI=逐渐下降，当该电位下降到/3时，有L突变为H，T管由导通变为截止。此后C又充电，电路重复上述过程，进入下一个周期，如此周而复始，电路便处于振荡状态，输出周期性的矩形脉冲。工作波形如上图所示。如果忽略T管的导通电阻则可以求得，。5）逻辑“与”电路工作原理：利用74ls08D的“与”门，将第（3）与（4）电路输出的波形进行“与”运算，即可产生我们需要的触发脉冲。2.2.2输出控制信号仿真：当α=0°时：电位器100％当α=60°时：电位器66.7％当α=90°时：电位器50％当α=150°时：电位器16.7％当α=180°时：电位器0％由上图可知，其调相范围为0°-180°，输出脉冲波形完整且稳定，符合要求。因此，综合上述两种方案的仿真结果可得出，方案二相比于方案一更为合适。

第三章电路调试一、实物制作本次试验主要制作控制电路部分，实物如下图：经实际调整，我们对电路中的一些原件参数进行调整。将锯齿波产生电路图中的电容调整为C=2.2μF，与LM324引脚2所连接的电阻调整为R=10.4kΩ。二、实际控制信号测量2.1电路各组成部分输出波形锯齿波产生电路输出波形：比较电路输出波形：多谐振荡器电路输出波形：2.2控制信号输出波形当α=0°时：电位器100％当α=90°时：电位器50％当α=150°时：电位器16.7％当α=180°时：电位器0％由上图可知，其调相范围为0°-180°，输出脉冲波形完整且稳定，符合要求。同时，我们进行调试时候发现，由于锯齿波波形不够理想，导致出现当α>180°时，脉冲信号才能完全去除。

第四章结论本次课程设计的题目为：单相半控桥式晶闸管整流电路，其中负载为纯电阻负载。电路设计的主要参数及要求：1、电源电压：交流100V/50Hz；2、输出功率：500W；3、移相范围：0º-180º。在进行实物制作时，完成了控制电路的制作，即实现了题目中的移相范围：0º-180º。方案设计与仿真分析所得的电路与仿真结果，在实际制作时需要不断进行调整才能真正运行。

第五章心得体会与建议此次课程设计的课题是“单相半控桥式整流