單相橋式晶閘管全控整流電路課程設(shè)計(jì).doc

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1、學(xué) 號(hào)： 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(jí)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：?jiǎn)蜗嗳貥蚴骄чl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(duì)單相全控橋式晶閘管整流電路的研究。首先對(duì)幾種典型的整流電路的介紹，從而對(duì)比出橋式全控整流的優(yōu)點(diǎn)，然后對(duì)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

2、電流保護(hù)，電壓上升率抑制，電流上升率抑制。之后就對(duì)整體電路進(jìn)行Matlab仿真，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析與總結(jié)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嗳貥?、晶閘管、整流13單相橋式全控整流電路電路簡(jiǎn)圖如圖： 單相橋式全控整流電路 此電路對(duì)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(duì)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

3、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、V

4、T2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(shì)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(shì)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

5、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(duì)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

6、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(jiǎn)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(duì)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(duì)裝置的運(yùn)行效率，可靠性和安全性都有很大的意義。對(duì)于相控電路這樣使用晶閘管的場(chǎng)合，在晶閘管陽(yáng)極加上正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上觸發(fā)

7、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(hào)很多，其應(yīng)用電路種類也很多，不同的晶閘管型號(hào)，應(yīng)用電路對(duì)觸發(fā)信號(hào)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(duì)它產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖都有如下要求

8、：1、觸發(fā)信號(hào)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(hào)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(hào)觸發(fā)晶閘管，而廣泛采用脈沖觸發(fā)信號(hào)。2、觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。觸發(fā)信號(hào)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(hào)導(dǎo)通后，陽(yáng)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)

9、電路的寬度至少應(yīng)有以上，對(duì)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(duì)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極電壓同步。同時(shí)，不同的電路或者相同

10、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(yáng)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(duì)同步交流電源的過零點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，從而可保證觸發(fā)脈沖與晶閘管的陽(yáng)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(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主

11、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(duì)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(cè)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(hào)1、2的振幅為1V，周期為0.0

12、2s（即頻率為50Hz），當(dāng)觸發(fā)角為0時(shí)，設(shè)置觸發(fā)信號(hào)1的初相位為0s（即0），觸發(fā)信號(hào)2的初相位為0.01s（即180） 觸發(fā)角為0時(shí)，觸發(fā)信號(hào)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

13、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(hào)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(hào)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

14、。4、數(shù)據(jù)分析：（1）、=0，實(shí)際值Ud=90.069；理論值Ud=90；實(shí)測(cè)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(cè)值和理論值非常接近，誤差極?。唬?）、=60，實(shí)際值Ud=45.034；理論值Ud=45；實(shí)測(cè)值和理論值非常接近，誤差極小；（2）、=00，實(shí)際值Ud=0.062；理論值Ud=0；實(shí)測(cè)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(duì)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。

15、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(shí)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(shí)，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(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須把所學(xué)的理論知識(shí)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(duì)我的無私幫助。