单相双半波晶闸管整流电路设计(纯电阻负载

学号：0121011360301湖北民族学院科技学院课程设计题目单相双半波晶闸管整流电路的设计（纯电阻负载）学院信息工程学院专业电气工程及其自动化班级16姓名田社指导教师2015年12月29日课程设计任务书学生姓名：田社专业班级：16指导教师：工作单位：信息工程学院题目：单相双半波晶闸管整流电路的设计（纯电阻负载）初始条件:1、电源电压：交流100V/50Hz2、输出功率：500W3、移相范围0º~180º要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路、控制电路；2、用MATLAB/Simulink对设计的电路进行仿真；3、撰写课程设计报告——画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理、选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、绘出主电路典型波形，绘出触发信号（驱动信号）波形，并给出仿真波形，说明仿真过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料；5、通过答辩。时间安排：2015.12.29指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要......................................................................11整流电路供电方案的选择....................................................21.1单相桥式全控整流电路................................................21.2单相双半波可控整流电路..............................................22单相双半波晶闸管整流电路主电路设计........................................32.1总电路的原理框图...................................................32.2晶闸管工作原理......................................................32.3变压器参数计算......................................................52.3.1变压器二次侧电压的计算........................................52.3.2变压器一、二次侧电流的计算...................................52.3.3变压器容量的计算..............................................52.3.4变压器型号的选择..............................................53电路设计..................................................................63.1主电路原理图........................................................63.3保护电路原理图及工作原理............................................83.3.1过电流保护....................................................83.3.2过电压保护....................................................83.4总电路原理图........................................................94电路元件的选择...........................................................104.1整流元件的选择....................................................104.1.1整流元件中电压、电流最大值的计算.............................104.1.2整流元件型号的选择...........................................104.2保护元件的选择.....................................................114.2.1变压器二次侧熔断器的选择.....................................114.3相控触发芯片的选择.................................................115波形绘制与仿真...........................................................125.1理论波形的绘制.....................................................125.2MATLAB仿真........................................................13心得及体会.................................................................16参考文献...................................................................17本科生课程设计成绩评定表...................................................18武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书1摘要电力电子学,又称功率电子学(PowerElectronics)。它主要研究各种电力电子器件，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，或者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。随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际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、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种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，即利用具有单向导电特性的器件，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。由于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组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好课程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛，而单相全控桥式晶闸管整流电路又有利于夯实基础，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。关键词：电力电子技术控制整流武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书21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。图1单相桥式全控整流电路图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Ud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。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书32单相双半波晶闸管整流电路主电路设计2.1总电路的原理框图图2总电路的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。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。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。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。2.2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6.0(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6.0（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4图3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1和2的211PNP和221NPN晶体管，其中2J结为共用集电结。当器件加正向电压时。正偏1J结注入空穴经过1N区的输运，到达集电极结（2J）空穴电流为AI1；而正偏的3J结注入电子，经过2P区的输运到达2J结的电流为KI2。由于2J结处于反向，通过2J结的电流还包括自身的反向饱和电流COI。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，如图所示。图4晶闸管的伏安特性曲线当晶闸管AKV加正向电压时，1J和3J正偏，2J反偏，外加电压几乎全部降落在2J结上，2J结起到阻断电流的作用。随着AKV的增大，只要BOAKVV，通过阳极电流AI都很小，武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书5因而称此区域为正向阻断状态。当AKV增大超过BOV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TI，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BOV及其所对应的BOI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HI的某一临界值以下，器件才能被关断。当晶闸管处于断态（BOAKVV）时，如果使得门极相对于阴极为正，给门极通以电流GI，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压BOV以及转电流BOI都是GI的函数，GI越大，BOV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