单相桥式全控整流电路的设计与仿真

1本科课程设计专用封面设计题目：单相桥式全控整流电路的设计与仿真所修课程名称：电力电子技术课程设计修课程时间：2012年06月17日至6月23日完成设计日期：2011年06月23日评阅成绩：评阅意见：评阅教师签名：年月日___………………………………（密）………………………………（封）………………………………（线）………………………………1单相桥式全控整流电路的设计与仿真一．设计要求（小四号黑体）1）完成单相桥式全控整流电路的设计、仿真；2）设计要求：输入：AC220V，50Hz；输出：120V，4A二．题目分析2.1单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路分析单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路如图1所示：在单项桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1、VT4即导通，电流从a端经VT1、R、VT4流回电源b端。当u2为零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。在u2负半周，仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3（VT2和VT3的α=0处为ωt=π），VT2和VT3导通，电流从电源的b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此循环的工作下去，整流电压Ud和晶闸管VT1、VT4两端的电压波形如下图2所示。晶闸管承受的最大正向电压和图1单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路原理图2反向电压分别为22U2和2U2。2.2工作原理第1阶段（0~а1）：这阶段u2在正半周期，a点电位高于b点电位晶闸管VT1和VT2方向串联后于u2连接，VT1承受正向电压为u2/2，VT2承受u2/2的反向电压；同样VT3和VT4反向串联后与u2连接，VT3承受u2/2的正向电压，VT4承受u2/2的反向电压。虽然VT1和VT3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以Ud=0，id=0。第2阶段（а1~π）：在ωt1时同时触发VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向电压而导通，有电流经a点→VT1→R→VT3→变压器b点形成回路。在这段区间里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。由于VT1和VT3导通，忽略管压降，uVT1=uVT2=0，而承受的电压为uVT2=uVT4=u2。第3阶段（π~а2）：从ωt=π开始u2进入了负半周期，b点电位高于a点电位，VT1和VT3由于受反向电压而关断，这时VT1~VT4都不导通，各晶闸管承受u2/2的电压，但VT1和VT3承受的事反向电压，VT2和VT4承受的是正向电压，负载没有电流通过，ud=0，图2单相全控桥式带电阻负载时的波形3id=i2=0。第4阶段（а2~π）：在ωt2时，u2电压为负，VT2和VT4受正向电压，触发VT2和VT4导通，有电流经过b点→VT2→R→VT4→a点，在这段区间里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。由于VT2和VT4导通，VT2和VT4承受u2的负半周期电压，至此一个周期工作完毕，下一个周期，充复上述过程，单项桥式整流电路两次脉冲间隔为180°。2.3相关参数计算整流电压平均值为：2cos19.02cos122ttdsin21222dUUUU所以可知，α角的移相范围为00-1800。向负载输出的平均电流值为：2cos19.02ddRURUI流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半（因为一个周期内每个晶闸管只有半个周期导通），即：2cos1R.450212ddVTUII三．主电路设计、元器件选型及计算：1）主电路图绘制：根据要求和单相全控桥式带电阻负载的工作原理，所设计出的单相全控桥式带电阻负载的主电路如图3所示：相关的参数已经标注在图中42）参数计算①导通角由VUU1202cos19.02d知1－2209.0240cos得出78②负载电阻R∵AI4d∴304120ddAVIUR③延迟时间t由02.036078t知延迟时间t=4.3ms④流过晶闸管电流平均值dvtI、有效值vtIAIId221dvt图3带纯电阻负载的单相桥式全控整流电路图X1ISV3SV2VV5FREQ=50VAMPL=311VOFF=0SV1SV4R130ΩX4X2X35-2sin2π122)(RUIVT有效值=180102156sin14.321302220=4.12A⑤晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为222U和22U⑥晶闸管额定电流NI，额定电压NU选择考虑1.5~2倍安全裕量,晶闸管额定电流NI=(1.5~2)×57.1VTI=3.94~5.25A22U=2×220V=311V考虑2~3倍安全裕量,晶闸管额定电压NU=(2~3)×311V=622~933V四．主电路仿真分析根据主电路原理图，用orCAD软件对带串电阻负载的单相桥式全控整流电路进行仿真。仿真得到的输出电压、电流波形如图4：图4输出电流和电压波形Time0s10ms20ms30ms40ms50ms60ms70ms80ms90ms100msV(X3:K)0V400V800V-I(R1)0A10A20ASEL6由以上两幅图可知，带纯电阻负载的单相桥式全控整流电路输出的电流波形与电压波形基本一致。由于晶闸管导通角78，延迟时间t=4.3ms,所以晶闸管在4.3ms之后导通。傅里叶分析如图5：由图5可知，带纯电阻负载的单相桥式全控整流电路的电流中，仅含有偶次谐波。谐波次数越高，谐波幅值越小。五．控制电路设计经分析，可以采用锯齿波同步移相触发电路Ⅰ、Ⅱ作为控制电路，该触发电路由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成，其原理图如图6所示。图5纯电阻负载的单相桥式全控整流电路电流基波和各次谐波波形7由3V、3VD、2VD、1C等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压UT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由1V、2V等元件组成的恒流源电路，当3V截止时，恒流源对2C充电形成锯齿波；当3V导通时，电容2C通过3R、3V放电。调节电位器1pR可以调节恒流源的电流大小，从而改变锯齿波的斜率。控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压在5V基极综合叠加，从而构成移相控制环节，2pR、3pR分别调节控制电压Uct和偏移电压Ub的大小。6V、7V构成脉冲波形放大环节，C5为强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲。本装置有两路锯齿波同步移相触发电路Ⅰ和Ⅱ，在电路上完全一样，只是锯齿波触发电路Ⅱ输出的脉冲相位与Ⅰ恰好互差180°。六．设计总结通过这次关于单相桥式全控整流的课程设计，我明白了很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在课本中没有完全介绍的。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到了很多相关的知图6控制电路图VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7VD8VD9VD10T3T4T5T6T7T2T1R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11C1C2C3C4Rp1Rp2Rp3-15VTP1TP2TP3TP4TP5VT1TP6C5G1K1G2K2+15V8识，为这次课程设计做了很多帮助。对于课程设计的内容，首先要做的应是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。整流电路中，基本元件的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。设计过程中，我明白了整流电路，尤其是单相全控桥式整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。在这次课程设计中，我们也遇到了很多问题，特别是有关于仿真设计的，但还是通过努力逐步解决了。以前老师在课堂上进行仿真的时候，记得不够认真，仿真步骤也没有记牢，在实践的时候只能一筹莫展，最后只能在老师的指导帮助下一步步完成。我们在实践仿真中，熟悉了对orCAD的操作，使我们更形象的了解了各种数据的变换。另外通过这次课程设计，我对文档的编排也有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了一部分，当然没有全部。整个课程设计过程中，由于理论知识的缺乏，以及对课程设计的不熟悉，课程设计还有很多不足之处，在以后的课程设计中，我会努力完善自己。参考文献：[1]王兆安编著.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2004年5月.[2]徐强.专业基础实验教程.西南交通大学出版社,2010年3月.[3]王维平.电力电子及应用.东南大学出版社,2000年.[4]石磊.张国强等编著.电路设计标准课程.清华大学出版社,2009年.[5]叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，1999年.[6]马建国.孟宪元.电子设计自动化技术基础。清华大学出版社，2004年.[7]丁道红.电力电子技术.北京：航空工业出版社，1992年.[8]林渭勋主编.电力电子电路.杭州:浙江大学出版社,1999年.[9]郝万新.电力电子技术.北京化学工业出版社,2005年.9评分表：设计计算（30分）仿真验证（50分）控制电路的设计（20分）总成绩教师签名根据课题参数进行分析（10分）电路主电路设计，主开关元器件的选型等（20分）仿真模型的建立(20分)仿真参数的设置（15分）仿真的效果(15分)