學(xué) 號： 2011551917課 程 設(shè) 計(jì)題 目單相全控橋式晶閘管整流電路設(shè)計(jì)學(xué) 院信息工程學(xué)院專 業(yè)自動(dòng)化專業(yè)班 級自動(dòng)化4班2014年5月19日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題 目: 初始條件：單相全控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)（阻感負(fù)載）1、電源電壓：交流100V、50Hz2、輸出功率：500w3、移相范圍090摘要本次課程設(shè)計(jì)只要是對單相全控橋式晶閘管整流電路的研究。首先對幾種典型的整流電路的介紹，從而對比出橋式全控整流的優(yōu)點(diǎn)，然后對單相全控橋式晶閘管整流電路的整體設(shè)計(jì)，包括主電路，觸發(fā)電路，保護(hù)電路。主電路中包括電路參數(shù)的計(jì)算，器件的選型；觸發(fā)電路中包括器件選擇，參數(shù)設(shè)計(jì)；保護(hù)電路包括過電壓保護(hù)，過電流保護(hù)，電壓上升率抑制，電流上升率抑制。之后就對整體電路進(jìn)行Matlab仿真，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析與總結(jié)。關(guān)鍵詞：單相全控橋、晶閘管、整流13單相橋式全控整流電路電路簡圖如圖： 單相橋式全控整流電路 此電路對每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會(huì)失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率也高。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。相同的負(fù)載下流過晶閘管的平單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。 系統(tǒng)流程框圖根據(jù)方案選擇與設(shè)計(jì)任務(wù)要求，畫出系統(tǒng)電路的流程框圖如圖1-5所示。整流電路主要由驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和整流主電路組成。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，在此設(shè)計(jì)中采用單相橋式全控整流電路帶阻感性負(fù)載。輸入過電流保護(hù)整流主電路過電壓保護(hù)驅(qū)動(dòng)觸發(fā)電路輸出 系統(tǒng)流程框圖 主電路的設(shè)計(jì)主電路原理圖如圖1-6所示主電路原理圖 主電路工作波形圖 電路工作波形如圖1-7所示。為便于討論，假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)。(1) 工作原理 在電源電壓正半周期間，VT1、VT2承受正向電壓，若在時(shí)觸發(fā)，VT1、VT2導(dǎo)通，電流經(jīng)VT1、負(fù)載、VT2和T二次側(cè)形成回路，但由于大電感的存在，過零變負(fù)時(shí)，電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢使VT1、VT2繼續(xù)導(dǎo)通，直到VT3、VT4被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，VT1、VT2承受反相電壓而截止。輸出電壓的波形出現(xiàn)了負(fù)值部分。在電源電壓負(fù)半周期間，晶閘管VT3、VT4承受正向電壓，在時(shí)觸發(fā)，VT3、VT4導(dǎo)通，VT1、VT2受反相電壓截止，負(fù)載電流從VT1、VT2中換流至VT3、VT4中在時(shí)，電壓過零，VT3、VT4因電感中的感應(yīng)電動(dòng)勢一直導(dǎo)通，直到下個(gè)周期VT1、VT2導(dǎo)通時(shí)，VT3、VT4因加反向電壓才截止。值得注意的是，只有當(dāng)時(shí)，負(fù)載電流才連續(xù)，當(dāng)時(shí)，負(fù)載電流不連續(xù)，而且輸出電壓的平均值均接近零，因此這種電路控制角的移相范圍是。 整流電路參數(shù)計(jì)算1.在阻感負(fù)載下電流連續(xù)，整流輸出電壓的平均值為 由設(shè)計(jì)任務(wù)有輸出功率500w，移相范圍090，則輸出電壓平均值的最大值可由得。 U等于90V 可見，當(dāng)在范圍內(nèi)變化時(shí)，整流器可在0-90V范圍內(nèi)取值。2.整流輸出電壓有效值為100V 3.整流輸出電流平均值為：5A 4.負(fù)載大小為：20歐姆 5.在一個(gè)周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通180，兩組輪流導(dǎo)通，整流變壓器二次電流是正、負(fù)對稱的方波，電流的平均值和有效值相等，其波形系數(shù)為1。流過每個(gè)晶閘管的電流平均值與有效值分別為：2.5A (3.5355 6.晶閘管在導(dǎo)通時(shí)管壓降=0,故其波形為與橫軸重合的直線段；VT1和VT2加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒到時(shí)，VT3、VT4已導(dǎo)通，把整個(gè)電壓加到VT1或VT2上，則每個(gè)元件承受的最大可能的正向電壓等于；VT1和VT2反向截止時(shí)漏電流為零，只要另一組晶閘管導(dǎo)通，也就把整個(gè)電壓加到VT1或VT2上，故兩個(gè)晶閘管承受的最大反向電壓也為. 觸發(fā)電路簡介電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子的重要環(huán)節(jié)，對整個(gè)裝置的性能有很大的影響。采用良好的性能的驅(qū)動(dòng)電路?？梢允闺娏﹄娮悠骷ぷ髟诒容^理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，對裝置的運(yùn)行效率，可靠性和安全性都有很大的意義。對于相控電路這樣使用晶閘管的場合，在晶閘管陽極加上正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上觸發(fā)電壓，晶閘管才能從截止轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通，習(xí)慣上稱為觸發(fā)控制。提供這個(gè)觸發(fā)電壓的電路稱為晶閘管的觸發(fā)電路。它決定每一個(gè)晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻，是晶閘管裝置中不可缺少的一個(gè)重要組成部分。晶閘管相控整流電路，通過控制觸發(fā)角的大小即控制觸發(fā)脈沖起始位來控制輸出電壓的大小，為保證相控電路的正常工作，很重要的一點(diǎn)是應(yīng)保證觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。2.2 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)要求晶閘管的型號很多，其應(yīng)用電路種類也很多，不同的晶閘管型號，應(yīng)用電路對觸發(fā)信號都會(huì)有不同的要求。但是，歸納起來，晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)，過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。不管是哪種觸發(fā)電路，對它產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖都有如下要求：1、觸發(fā)信號為直流、交流或脈沖電壓，由于晶閘管導(dǎo)通后，門極觸發(fā)信號即失去了控制作用，為了減小門極的損耗，一般不采用直流或交流信號觸發(fā)晶閘管，而廣泛采用脈沖觸發(fā)信號。2、觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。觸發(fā)信號功率大小是晶閘管元件能否可靠觸發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。由于晶閘管元件門極參數(shù)的分散性很大，且隨溫度的變化也大，為使所有合格的元件均能可靠觸發(fā)，可參考元件出廠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄來設(shè)計(jì)觸發(fā)電路的輸出電壓、電流值，并有一定的裕量。 3、觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈搏沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)信號導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。普通晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間約法為6，故觸發(fā)電路的寬度至少應(yīng)有以上，對于電感性負(fù)載，由于 電感會(huì)抑制電流的上升，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)更大一些，通常為0.5至1，此外，某些具體電路對觸發(fā)脈沖寬度會(huì)有一定的要求，如三相全控橋等電路的觸發(fā)脈沖寬度要大于60或采用雙窄脈沖。為了快速而可靠地觸發(fā)大功率晶閘管，常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加一個(gè)強(qiáng)觸發(fā)脈沖，強(qiáng)觸發(fā)脈沖的電流波形如圖2-1所示。強(qiáng)觸發(fā)電流的幅值可達(dá)到最大觸發(fā)電流的5倍。前沿約為幾。 強(qiáng)觸發(fā)電流波形4、觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖稱相范圍必須滿足電路要求。為保證控制的規(guī)律性，要求晶閘管在每個(gè)陽極電壓周期都在相同控制角觸發(fā)導(dǎo)通，這就要求脈沖的頻率必須與陽極電壓同步。同時(shí)，不同的電路或者相同的電路在不同的負(fù)載、不同的用途時(shí)，要求的變化的范圍（移相范圍）亦即觸發(fā)脈沖前沿與陽極電壓的相位變化范圍不同，所用觸發(fā)電路的脈沖移相范圍必須滿足實(shí)際的需要。圖2-3 TCA785鋸齒波移相觸發(fā)電路原理圖鋸齒波斜率由電位器RP1 調(diào)節(jié)，RP2 電位器調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角。交流電源采用同步變壓器提供，同步變壓器與整流變壓器為同一輸入，根據(jù)TCA785能可靠地對同步交流電源的過零點(diǎn)進(jìn)行識別，從而可保證觸發(fā)脈沖與晶閘管的陽極電壓保持同步。同步變壓器的變比選為。 系統(tǒng)MATLAB仿真 MATLAB軟件介紹本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，使用MATLAB對控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱對其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用Power System工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。 系統(tǒng)建模與參數(shù)設(shè)置單相全控橋式整流電路模型主要由交流電源、同步觸發(fā)脈沖、晶閘管全控橋、電感負(fù)載、測量等部分組成。采用MATLAB面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的單相全控橋式整流電路仿真模型如圖所示。單相全控橋式整流電路仿真模型相應(yīng)參數(shù)設(shè)置1 交流電壓源參數(shù)U=100V，f=50Hz 2負(fù)載參數(shù)R=20，L=1H；3脈沖發(fā)生器觸發(fā)信號1、2的振幅為1V，周期為0.02s（即頻率為50Hz），當(dāng)觸發(fā)角為0時(shí)，設(shè)置觸發(fā)信號1的初相位為0s（即0），觸發(fā)信號2的初相位為0.01s（即180） 觸發(fā)角為0時(shí)，觸發(fā)信號參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真。圖6-2是單相全控橋式整流電路仿真模型在觸發(fā)角分別為0、45、60、90時(shí)的輸出曲線。從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。觸發(fā)角為0觸發(fā)角為45觸發(fā)角為60觸發(fā)角為90 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真。圖6-2是單相全控橋式整流電路仿真模型在觸發(fā)角分別為0、45、60、90時(shí)的輸出曲線。從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。單相全控橋式整流電路理論波形1、 在電源電壓正半周期，晶閘管TV1（和TV4）承受正向電壓，在時(shí)施加觸發(fā)信號CF1，使晶閘管TV1（和TV4）導(dǎo)通，則電源電壓通過TV1和TV4加至負(fù)載上，晶閘管TV1兩端的電壓近視為0（忽略管壓降）。當(dāng)電源電壓過零變負(fù)時(shí)，由于電感的存在，TV1（和TV4）仍繼續(xù)導(dǎo)通，負(fù)載電流Zi和電壓Zu連續(xù)。2相比較，分別在=45、=60施加觸發(fā)信號CF1，晶閘管TV1（和TV4）導(dǎo)通后，負(fù)載電壓Zu接近于變壓器二次側(cè)電壓AC的波形。負(fù)載電流Zi存在斷續(xù)，可知已知電感（700mH）還不夠大，與前面的理論分析假設(shè)的大電感有區(qū)別。3當(dāng)觸發(fā)角=90，理論值平均電壓Ud=0，圖中Zu接近于0。4、數(shù)據(jù)分析：（1）、=0，實(shí)際值Ud=90.069；理論值Ud=90；實(shí)測值和理論值非常接近，誤差極小，產(chǎn)生的誤差可能是計(jì)算問題；（2）、=45，實(shí)際值Ud=64.056；理論值Ud=64；實(shí)測值和理論值非常接近，誤差極??；（3）、=60，實(shí)際值Ud=45.034；理論值Ud=45；實(shí)測值和理論值非常接近，誤差極?。唬?）、=00，實(shí)際值Ud=0.062；理論值Ud=0；實(shí)測值和理論值非常接近，誤差極小。設(shè)計(jì)體會(huì)不得不說，這次電力電子的課程設(shè)計(jì)使我受益匪淺。我選的課題是單相橋式整流帶阻感性負(fù)載電路，通過平常在課堂上的學(xué)習(xí)，我們對這個(gè)電路在理論上已經(jīng)有了非常充分的了解，課題看起來貌似也不難。但通過這幾天的設(shè)計(jì)，我深深的感悟到理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，光具有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只要在親自動(dòng)手操作的過程中，在不斷發(fā)現(xiàn)問題再改正問題的過程中，我們才能收獲知識，得到進(jìn)步。此次的設(shè)計(jì)過程中，我更進(jìn)一步地熟悉了單相橋式整流電路的原理以及觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，在這個(gè)過程中我也遇到了困難，通過查閱資料，相互討論，我準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了，這也是我最大的收獲，使自己的實(shí)踐能力有了進(jìn)一步的提高。另外，通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。最后，我要特別感謝同學(xué)們對我的無私幫助。