单相双半波晶闸管整流电路的设计(反电势、电阻负载)

1前言前言前言前言电力电子学,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。2目录目录目录目录一、设计课题........................................................31.1课程设计的内容...............................................31.2设计条件.....................................................31.3要求完成的主要任务...........................................3二、设计方案的选择..................................................42.1单相桥式全控整流电路.........................................42.2单相双半波可控整流电路.......................................42.3具体供电方案.................................................5三、单相双半波晶闸管整流电路设计.....................................63.1总电路原理框图................................................63.2晶闸管工作原理................................................63.3参数的计算....................................................8㈠主电路中各元件参数的计算.....................................8㈡变压器的参数计算............................................103.4元件的选择....................................................10㈠整流元件的选择..............................................10㈡保护电路的工作原理及元器件的选择............................11四、相控触发电路原理图及工作原理.....................................134.1相控触发芯片的选择..........................................134.2相控触发工作原理及电路原理图................................14五、单相双半波整流电路的MATLAB仿真实验..............................155.1MATLAB软件介绍.............................................155.2系统建模与参数设置..........................................15㈠模型的建立.................................................15㈡模型电路参数的设置.........................................15㈢模型电路的波形显示.........................................16六、结论............................................................20七、参考文献........................................................21附录Ⅰ..............................................................22附录Ⅱ..............................................................233一、一、一、一、设计课题设计课题设计课题设计课题单相双半波晶闸管整流电路的设计（反电势、电阻负载）1.1课程设计的内容了解课程设计任务书所规定的设计内容；查阅资料文献，了解所选题目的具体要求、国内外现状，熟悉实验装置的结构、功能，看懂现有的技术、工程图纸（电气原理图、控制板原理图、电气接线图）；在熟悉工作原理的基础上实现系统中各主要部分的功能；总结实验数据，分析结果，得出结论，撰写5000字以上的设计报告（包括前言、目录、正文、结论、参考文献）。设计报告正文必须包括以下内容：①主电路选型;②主电路参数的计算：包括无源器件和有源器件的具体型号及设计参数，根据工作条件考虑各项电气参数;③电路的驱动、保护原理设计：包括晶闸管、MOSFET或IGBT元件的驱动、控制和保护电路;④A3或A4幅面的主电路图及触发电路图(或驱动电路图);⑤仿真：利用PSPICE或Matlab/Simulink仿真软件分析电路的工作过程。1.2设计条件：①电源电压：交流100V/50Hz②输出功率：5000W③移相范围30o~150o④反电势：E=70V1.3要求完成的主要任务：①主电路设计（包括整流元件定额的选择和计算等）,讨论晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响。②触发电路设计。触发电路选型（可使用集成触发器），同步信号的产生等。③晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计，计算保护元件参数并选择保护元件型号。④提供系统电路图纸不少于一张。⑤利用仿真软件分析电路的工作过程。4二、二、二、二、设计方案的选择设计方案的选择设计方案的选择设计方案的选择2.1单相桥式全控整流电路图2-1单相桥式全控整流电路图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。2.2单相双半波可控整流电路图2-2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+-VT1VT2VT3VT4U1U2++--+-U1U2U2++--+-ERu0+-iD1iD2i0VT1VT25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）。相比于单相全控整流电路，单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。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。2.3具体供电方案变压器一次侧接入电源电压为：交流100V/50Hz。变压器二次侧电压则根据已知条件提供的参数计算。6三、三、三、三、单相双半波晶闸管整流电路设计单相双半波晶闸管整流电路设计单相双半波晶闸管整流电路设计单相双半波晶闸管整流电路设计3.1总电路原理框图图3-1总电路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。设计电路如图2-2单相双半波可控整流电路所示。3.2晶闸管工作原理图3-2晶闸管的内部结构和等效电路7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3-2(a)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3-2（b）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。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1α和2α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AI1α；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KI2α。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。由上图中的参数可以得到：1α和2α分别是晶体管1V和2V的共基极电流增益，1CBOI和2CBOI分别是1V和2V的共基极漏电流。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3-3所示。图3-3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，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