单相双半波晶闸管整流电路设计(纯电阻负载).doc

.-1 单相双半波晶闸管整流电路供电方案的选择1.1 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。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。1.2 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。具体供电方案电源电压：交流100V/ 50Hz1.3 变压器相关参数的计算电源电压交流100/ 50Hz ，输出功率：500W，移相范围：0 -180。设R=1.25 , =0P=Ud/R U d =25V变压器一 、二次侧电流P=IdR Id=20A U1/Ud=100/25 N1/N2=4/1 I1=Id/4=5 A变压器容量S=U1i1=1005=0.5kVA 变压器型号的选择N1:N2=4：1 S=0.5kVA2 单相双半波晶闸管整流电路主电路设计2.1 主电路原理框图及原理图系统原理方框图如图所示：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。系统原理图如图所示：由原理图得相应的波形图如下：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。 (1) 输出平均电压为： （1-1）(2)流过负载的平均电流为： （1-2）(3)二极管所承受的最大反向电压为： （1-3）(4)单相全波整流电路的脉动系数s与单相桥式整流电路相同： （1-4）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。 2.2 相控触发电路原理图及工作原理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掣住电流而维持导通。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。单结晶体管触发电路：由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如图5.0所示。2.3 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。电路具有输出负载能力大、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点。3 电路元件的选择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。3.1 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3.0(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3.0（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。图3.0 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6.3所示。图3.1 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。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。3.2 整流元件中电压、电流最大值的计算晶闸管的主要参数如下：额定电压UNVT （1） 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。（2）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 （23）2U2 （3-1） UNVT ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 UNVT =(2-3)2U2=（141.4-212.1）V （3-2）通过晶闸管的电流的平均值IvT(AV) 额定电流INVT Ivt(AV)=Id/2=10A （3-3）Im=IVt(AV)=31.4A （3-4）3.3 整流元件型号的选择晶闸管的选择原则：1 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。2 选择时考虑（1.52）倍的安全裕量。即/1.57=（19.1-25.5）A （3-5） INVT =20A 则晶闸管的额定电流为INVT=20A.在本次设计中选用2个KP20-2的晶闸管.4 保护元件的选择4.1 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：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。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。4.2 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。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。4.3 保护电路原理图及工作原理图4.0 过流、过电压保护电路晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。5 MATLAB仿真5.1 MATLAB简介 MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面。接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。5.2 MATLAB仿真图如图5-1所示图5-1 仿真原理图5.3 结果及分析1）当a= 时，仿真波形如下所示：分析：由公式得理论值：Ud=22.5VId=Ud/R=22.5/1.25=18A，而由波形所得测量值的幅值ud=24.5V,代入上公式的Ud=22.3V,误差百分数：U%=(22.5-22.3)/22.5=0.89% 误差分析：可能是在波形上读数时有误差或是图中其他元器件的影响而出现了误差。2）当a= 时，仿真波形如下所示：分析：由公式得理论值：Ud=19.21V，Id=Ud/R=19.21/1.25=15.36A,而由波形所得测量值的幅值ud=25V,代入上公式的Ud=19.21V，误差百分数：U%=(19.21-19.21)/19.21=0,误差分析：数值上没误差，但波形图不是突变的，可能是误差或是图中其他元器件带感性的影响而出现了误差。3）当a= 时，仿真波形如下所示：分析：由公式得理论值：Ud=11.25V，Id=Ud/R=11.25/1.25=9A,而由波形所得测量值的幅值ud=23V,代入上公式的Ud=10.35V,误差百分数：U%=(11.25-10.35)/11.25=8%误差分析：可能是在波形上读数时有误差或是图中其他元器件的影响而出现了误差。4）当a= 时，仿真波形如下所示：分析：由公式得理论值：Ud=1.50V，Id=Ud/R=1.50/1.25=1.2A,而由波形所得测量值的幅值ud=8V,代入上公式的Ud=1.4V,误差百分数：U%=(1.5-1.3)/1.5=6%误差分析：可能是在波形上读数时有误差或是图中其他元器件的影响而出现了误差总结：通过这次选择对单相双半波整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，同时也提高了我的动手能力。 当我们设计一个电路时，首先应该要了解相关的理论知识，这样才能设计出更好的电路。在整流电路设计中，我们需要首先选择好开关器件的选择和触发电路，因为这对整个设计很重要，是我们设计好这个电路的关键。开关器件和触发电路选择好了，对整流电路的性能指标影响很大。 在这次课程设计过程中，也碰到了一些难题，像晶闸管的选择及相关参数的计算，由于在平时没特别注意这一方面，所以对晶闸管不是特别理解。在整个课程设计中贯穿的计算过程没能很好的把握。但在同学之间的相互讨论和自己找到的一些资料最后还是完成了这次设计，虽然很辛苦，但也很开心。在往后的学习中要认真学习，对电力电子课程进行全面补充。为以后深入的学习做准备。通过这次课程设计，我对于文档的格式、设计要求有了一定的了解，也让我明白了只有理论知识和实践相结合，才能提高自己的学习能力，同时在设计中发现了自己的不足之处，只有发现自己的缺点才能不断的进步。同时通过这次设计也为今后的毕业设计提供了借鉴思路。参考文献：王兆安 黄俊 编著 电力电子技术（第四版） 机械工业出版社林渭勋编著电力电子电路 浙江大学出版社邵丙衡 编著 电力电子技术 清华大学出版社陈志明 编著 电力电子器件基础 机械工业出版社