单相桥式晶闸管全控整流电路课程设计

学号：0121011360219课程设计题目单相全控桥式晶闸管整流电路设计学院自动化学院专业自动化专业班级自动化1002班姓名李志强指导教师许湘莲2012年12月29日武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：李志强专业班级：自动化1002班指导教师：许湘莲工作单位：武汉理工大学题目:初始条件：单相全控桥式晶闸管整流电路的设计（阻感负载）1、电源电压：交流220V、50Hz2、输出功率：1KW3、移相范围0°~90°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：2012.12.24-12.29指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书摘要本次课程设计只要是对单相全控桥式晶闸管整流电路的研究。首先对几种典型的整流电路的介绍，从而对比出桥式全控整流的优点，然后对单相全控桥式晶闸管整流电路的整体设计，包括主电路，触发电路，保护电路。主电路中包括电路参数的计算，器件的选型；触发电路中包括器件选择，参数设计；保护电路包括过电压保护，过电流保护，电压上升率抑制，电流上升率抑制。之后就对整体电路进行Matlab仿真，最后对仿真结果进行分析与总结。关键词：单相全控桥、晶闸管、整流武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书目录1系统方案及主电路设计............................................11.1整流电路对比...............................................11.2系统流程框图...............................................31.3主电路的设计...............................................31.4整流电路参数计算...........................................51.5晶闸管元件的选择...........................................62驱动电路设计.....................................................72.1触发电路简介...............................................72.2触发电路设计要求...........................................72.3集成触发电路TCA789.........................................82.3.1TCA785芯片介绍.......................................82.3.2TCA785锯齿波移相触发电路............................123保护电路设计....................................................133.1过电压保护................................................133.2过电流保护................................................143.3电流上升率di/dt的抑制....................................143.4电压上升率du/dt的抑制.....................................154系统MATLAB仿真................................................164.1MATLAB软件介绍............................................164.2系统建模与参数设置........................................164.3系统仿真结果及分析........................................20设计体会...........................................................24参考文献...........................................................25武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书11系统方案及主电路设1.1整流电路对比我们知道，单相整流电路形式是各种各样的，可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，整流的结构也是比较多的。因此在做设计之前我们主要考虑了以下几种方案：方案一：单相桥式半控整流电路电路简图如图1-1：图1-1单相桥式半控整流电路对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当α突然增大至180°或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期为ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。方案二：单相桥式全控整流电路电路简图如图1-2：图1-2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。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书2方案三：单相半波可控整流电路：电路简图如图1-3：图1-3单相半波可控整流电路此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a移相范围为180。但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。实际上很少应用此种电路。方案四：单相全波可控整流电路：电路简图如图1-4：图1-4单相全波可控整流电路此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，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。不存在直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。相同的负载下流过晶闸管的平单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在均电流减小一半；且功率因数提高了一半。综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电路。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书31.2系统流程框图根据方案选择与设计任务要求，画出系统电路的流程框图如图1-5所示。整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路带阻感性负载。图1-5系统流程框图1.3主电路的设计主电路原理图如图1-6所示图1-6主电路原理图输入过电流保护整流主电路过电压保护驱动触发电路输出武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4图1-7主电路工作波形图电路工作波形如图1-7所示。为便于讨论，假设电路已工作于稳态。(1)工作原理在电源电压2u正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在t时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在，2u过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压2u负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在t时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在2t时，电压2u过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。值得注意的是，只有当时2，负载电流di才连续，当时2，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是20。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书51.4整流电路参数计算1.在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为2221222sin()cos0.9cosdUUtdtUU(1-1)由设计任务有输出功率1KW，220VU2，移相范围0º~90º，则输出电压平均值dU的最大值可由下式可求得。20.9cos00.92201198VdUU(1-2)可见，当在2/~0范围内变化时，整流器可在0~198V范围内取值。2.整流输出电压有效值为2221(2sin)()220VUUtdtU(1-3)3.整流输出电流平均值为：14.55220ddPKWIAUV(1-4)4.负载大小为：220484.55dddUVRIA(1-5)5.在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，整流变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值dI和有效值I相等，其波形系数为1。流过每个晶闸管的电流平均值与有效值分别为：10.54.552.275222TdTdddIIIIAA(1-6)114.553.222222TTdddIIIIAA(1-7)6.晶闸管在导通时管压降Tu=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压2u加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于22U；VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压2u加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为22U。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书61.5晶闸管元件的选择1、晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值TNI大于实际流过管子电流最大有效值TI，即TNI=1.57)(AVTITI或)(AVTI57.1TI(1-8)考虑（1.5～2）倍的裕量：()223.224.11.571.57TTAVIIA(1-9)此外，还需注意以下几点：①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。2、晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压乘以（2～3）倍的安全裕量，即可确定晶闸管的额定电压：222220(622933)TMUUVV（23）（23）(2～3)222220(622933)TMUUVV（23）（23）(2～3)222220(622933)TMUUVV（23）（23）(622～933)222220(622933)TMUUVV（23）（23）(1-10)取800V。由以上分析计算知选取晶闸管的型号为58KP。3、58KP晶闸管的