電力電子課程設(shè)計(jì)--單相橋式全控整流電路設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書</p><p>　　學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： </p><p>　　學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 自動(dòng)化 </p><p>　　題 目： 單相橋式全控整流電

2、路設(shè)計(jì) </p><p>　?。冸娮柝?fù)載、反電勢(shì)電阻負(fù)載） </p><p>　　指導(dǎo)教師： 職稱: 講師 </p><p>　　2011年12月31日</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　11/12

3、 學(xué)年第 一 學(xué)期</p><p>　　學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： </p><p>　　課程設(shè)計(jì)題目：

4、 單相橋式全控整流電路設(shè)計(jì) </p><p>　?。冸娮柝?fù)載、反電勢(shì)電阻負(fù)載） </p><p>　　起 迄 日 期： 12月25日～ 12月31日 </p><p>　　課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 電氣工程系實(shí)驗(yàn)中心 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師：

5、 </p><p>　　系 主 任： </p><p>　　下達(dá)任務(wù)書日期: 2011年 12月 25 日</p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書</p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書</p><p

6、>　　一．單相橋式全控整流電路（純電阻負(fù)載）</p><p><b>　　1 理論設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1.1 單項(xiàng)橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載電路分析</p><p>　　單項(xiàng)橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載電路如圖（1）：</p><p><b>　　圖（1）</b></p&

7、gt;<p>　　在單項(xiàng)橋式全控整流電路中，晶閘管VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，VT2和VT3 組成另一對(duì)橋臂。在u2正半周（即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位），若4個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，負(fù)載電流id為零，ud也為零，VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u2，設(shè)VT1和VT4的漏電阻相等，則各承受u2的一半。若在觸發(fā)角α處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1、VT4即導(dǎo)通，電流從a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端。當(dāng)u2為零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降

8、到零，VT1和VT4關(guān)斷。</p><p>　　在u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角α處觸發(fā)VT2和VT3（VT2和VT3的α=0處為ωt=π），VT2和VT3導(dǎo)通，電流從電源的b端流出，經(jīng)VT3、R、VT2流回電源a端。到u2過零時(shí)，電流又降為零，VT2和VT3關(guān)斷。此后又是VT1和VT4導(dǎo)通，如此循環(huán)的工作下去，整流電壓ud和晶閘管VT1，和VT4兩端的電壓波形如下圖（2）所示，晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別

9、為U2和U2。</p><p><b>　　1.2 工作原理</b></p><p>　　第1階段（0~ωt1）：這階段u2在正半周期，a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位晶閘管VT1和VT2方向串聯(lián)后于u2連接，VT1承受正向電壓為u2/2，VT2承受u2/2的反向電壓；同樣VT3和VT4反向串聯(lián)后與u2連接，VT3承受u2/2的正向電壓，VT4承受u2/2的反向電壓。雖然VT1和

10、VT3受正向電壓，但是尚未觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載沒有電流通過，所以Ud=0，id=0。</p><p>　　第2階段（ωt1 ~π）：在ωt1 時(shí)同時(shí)觸發(fā)VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向電壓而導(dǎo)通，有電流經(jīng)a點(diǎn)→VT1→R→VT3→變壓器b點(diǎn)形成回路。在這段區(qū)間里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。由于VT1和VT3導(dǎo)通，忽略管壓降，uVT1=uVT2=0，而承受的電壓為uVT2=uVT4=u2。&

11、lt;/p><p>　　第3階段（π~ωt2 ）：從ωt=π開始u2進(jìn)入了負(fù)半周期，b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位，VT1和VT3由于受反向電壓而關(guān)斷，這時(shí)VT1~VT4都不導(dǎo)通，各晶閘管承受u2/2的電壓，但VT1和VT3承受的事反向電壓，VT2和VT4承受的是正向電壓，負(fù)載沒有電流通過，ud=0，id=i2=0。</p><p>　　第4階段（ωt2 ~π）：在ωt2 時(shí)，u2電壓為負(fù)，VT2和VT

12、4受正向電壓，觸發(fā)VT2和VT4導(dǎo)通，有電流經(jīng)過b點(diǎn)→VT2→R→VT4→a點(diǎn)，在這段區(qū)間里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。由于VT2和VT4導(dǎo)通，VT2和VT4承受u2的負(fù)半周期電壓，至此一個(gè)周期工作完畢，下一個(gè)周期，充復(fù)上述過程，單項(xiàng)橋式整流電路兩次脈沖間隔為180°。</p><p><b>　　1.3 參數(shù)計(jì)算</b></p><

13、p><b>　　整流電壓平均值為：</b></p><p>　　α 角的移相范圍為00-1800。</p><p>　　向負(fù)載輸出的平均電流值為：</p><p>　　流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半（因?yàn)橐粋€(gè)周期內(nèi)每個(gè)晶閘管只有半個(gè)周期導(dǎo)通），即：</p><p><b>　　1.4晶閘管

14、選型</b></p><p><b>　　該電路為純電阻負(fù)載</b></p><p>　　時(shí)，不計(jì)控制角余量按計(jì)算</p><p><b>　　由 得 </b></p><p>　　U有效=100V，P=500W</p><p><b>　　所以R

15、= </b></p><p>　　晶閘管承受的最大反向電壓為，考慮安全余量。則晶閘管額定電壓</p><p>　　Ⅰ、所選晶閘管電流有效值大于元件 在電路中可能流過的最大電流有效 值。</p><p>　?、?、 選擇時(shí)考慮（1.5～2）倍的安全余量。即</p><p>　　當(dāng)時(shí)晶閘管流過最大電流有效值IVT=7.84A<

16、/p><p>　　則晶閘管額定電流IT=7.84÷1.57=4.99A ,取2倍余量，Id=9.99A </p><p>　　所以在本次設(shè)計(jì)中我選用4個(gè)KP20-4的晶閘管。</p><p><b>　　2 仿真實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　利用MATLAB仿真軟件對(duì)單項(xiàng)橋式全控整流電路和控制電路進(jìn)行建模并仿真

17、。</p><p>　　2.1 單相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載MATLAB建模</p><p>　　單相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載仿真電路圖如圖（3）所示：</p><p><b>　　圖（3）</b></p><p><b>　　2.2 仿真與分析</b></p><p&g

18、t;　　波形圖分別代表晶體管VT上的電壓、變壓器二次側(cè)電流I2，電阻的電壓。下列波形分別是延遲角α為30°、60°、90°、120°時(shí)的波形變化。</p><p>　　（1）當(dāng)延遲角α=30°時(shí)，波形圖如圖（4）所示：</p><p>　　（2）當(dāng)延遲角α=60°時(shí)，波形圖如圖（5）所示：</p><p>

19、<b>　　圖（5）</b></p><p>　　當(dāng)延遲角α=90°時(shí)，波形圖如圖（6）所示：</p><p><b>　　圖（6）</b></p><p>　?。?）當(dāng)延遲角α=120°時(shí)，波形圖如圖（7）所示：</p><p><b>　　圖（7）</b>

20、;</p><p><b>　　4.1.1觸發(fā)電路</b></p><p>　　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。觸發(fā)電路對(duì)其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求： </p><p>　?、?觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。</p><p>　?、?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）。</p>

21、<p>　　由閘管的門極伏安特性曲線可知，同一型號(hào)的晶閘管的門極伏安特性的分散性很大，所以規(guī)定晶閘管元件的門極阻值在某高阻和低阻之間，才可能算是合格的產(chǎn)品。晶閘管器件出廠時(shí)，所標(biāo)注的門極觸發(fā)電流Igt、門極觸發(fā)電壓U是指該型號(hào)的所有合格器件都能被觸發(fā)導(dǎo)通的最小門極電流、電壓值，所以在接近坐標(biāo)原點(diǎn)處以觸發(fā)脈沖應(yīng)一定的寬度且脈沖前沿應(yīng)盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個(gè)過程的，也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時(shí)間。只有當(dāng)晶閘管的陽極電

22、流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，所以觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導(dǎo)通，為了可靠地、快速地觸發(fā)大功率晶閘管，常常在 觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個(gè)觸發(fā)脈沖。</p><p>　　③ 觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。</p><p>　　觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導(dǎo)通

23、后才能撤掉，晶閘管對(duì)觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應(yīng)大于產(chǎn)品提出的數(shù)據(jù)，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場(chǎng)合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通。</p><p>　?、?觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。</p><p>　　單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)，要求觸發(fā)脈沖的移項(xiàng)范圍是0度~180度，

24、</p><p>　　⑤觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。</p><p>　　為了使晶閘管在每一個(gè)周期都以相同的控制角被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應(yīng)該相同，而且要有固定的相位關(guān)系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時(shí)受控于電壓uc與同步電壓us控制。</p><p><b>　　強(qiáng)觸發(fā)電流波形圖</b></p&

25、gt;<p><b>　　觸發(fā)電路圖</b></p><p>　　因?yàn)閂T1跟VT3共陰極，所以VT1和VT3可以共一個(gè)觸發(fā)器，VT2和VT4分別用一個(gè)觸發(fā)器，所以用上圖觸發(fā)電路觸發(fā)VT2和VT4，VT1和VT3可以用類似的一個(gè)觸發(fā)器觸發(fā)。</p><p>　　單相橋式全控整流電路（反電勢(shì)負(fù)載）</p><p>　　1．電路結(jié)構(gòu)與

26、工作原理</p><p><b>　?。?）電路結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢(shì)）電路圖如下圖所示：</p><p>　　單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢(shì)）電路圖</p><p><b>　?。?）工作原理</b></p><p>　　1

27、）若是感性負(fù)載，當(dāng)u2在正半周時(shí)，在ωt＝α處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，VT1導(dǎo)通后，電流從u2正端→VT1→L→R→VD4→u2負(fù)端向負(fù)載供電。u2過零變負(fù)時(shí)，因電感L的作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通。但a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)，使電流從VD4轉(zhuǎn)移至VD2，VD4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是經(jīng)VT1和VD2續(xù)流，則ud=0。</p><p>　　2） 在u2負(fù)半周ωt＝π+α?xí)r刻觸發(fā)VT3使其導(dǎo)通，則向VT1

28、加反壓使之關(guān)斷，u2經(jīng)VT3→L→R→VD2→u2端向負(fù)載供電。u2過零變正時(shí)，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。此后重復(fù)以上過程。</p><p>　　2、單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢(shì)）原理電路</p><p>　　單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢(shì)）仿真電路圖如下圖所示：</p><p>　　單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢(shì)）仿真電

29、路圖</p><p>　　當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，輸出端電壓仍是ud=u2，當(dāng)電流斷續(xù)，晶閘管阻斷時(shí)，輸出端電壓Ud=E，即為反電勢(shì)電壓，因?yàn)檩敵銎骄妷罕入娮柝?fù)載時(shí)高，其輸出平均電壓為</p><p><b>　　Ud=E+</b></p><p>　　當(dāng)α<時(shí)，如果觸發(fā)脈沖寬度小于則電路無法工作，如為寬脈沖觸發(fā)，則總是在處觸發(fā)脈沖起作用，其最

30、大輸出平均電壓為</p><p>　　可見其最大輸出平局電壓Udm與停止導(dǎo)電角有關(guān)。當(dāng)=900，Udm=，即反電勢(shì)E的高度與供電電壓峰值相等的極限情況，實(shí)際上這時(shí)負(fù)載電流為零，電路已不能工作，因此，反電勢(shì)越高，停止導(dǎo)電角越大，輸出的電壓就越高，電流斷續(xù)情況越嚴(yán)重。</p><p>　　為了改善這種情況，增加導(dǎo)電角，可在電路中串聯(lián)平波電抗器，即變?yōu)殡姼?，反電?shì)負(fù)載。</p>&

31、lt;p><b>　　3參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　根據(jù)波形得負(fù)載端有效電壓</p><p>　　U有效=105.15V</p><p>　　因?yàn)镻=500W，E=70，所以R=7.4</p><p>　　晶閘管的最大反向電壓為，則額定電壓取3倍余量為424.2V</p><p>

32、　　所以流過晶閘管的最大電流有效值IVT=4.75A，</p><p>　　則IT=IVT÷1.57=3.02A，取3倍余量，IT=9.07A</p><p><b>　　3、仿真與分析</b></p><p>　　下列所示波形圖中，波形圖分別代表晶體管VT1上的電流和電壓、負(fù)載（純電阻）的電流、交流電源的輸出電流、負(fù)載（純電阻）的電

33、壓、晶體管VT2上的電壓和電流。下列波形分別是延遲角α為30°、60°、90°時(shí)的波形變化。</p><p>　?。?）當(dāng)延遲角α=30°時(shí)，波形圖如下圖所示：</p><p>　　α=30°單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢(shì)）波形圖</p><p>　?。?）當(dāng)延遲角α=60°時(shí)，波形圖如下圖所示：<

34、;/p><p>　　α=60°單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢(shì)）波形圖</p><p>　?。?）當(dāng)延遲角α=90°時(shí)，波形圖如下圖所示：</p><p>　　α=90°單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢(shì)）波形圖</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>

35、;　　通過單相全控橋式整流電路的設(shè)計(jì)，使我加深了對(duì)整流電路的理解，讓我對(duì)電力電子技術(shù)產(chǎn)生了濃烈的興趣。要設(shè)計(jì)一個(gè)電路，首先要對(duì)所設(shè)計(jì)電路的原理知識(shí)了解很深，這樣才能設(shè)計(jì)出較好的電路，完成預(yù)期的效果。在整流電路中，開關(guān)器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關(guān)鍵的，開關(guān)器件和觸發(fā)電路選擇的好，對(duì)整流電路的性能指標(biāo)影響很大，在設(shè)計(jì)過程中，由于晶閘管的選擇不當(dāng)而有好幾次沒有得到理想的波形。</p><p>　　本次電路的設(shè)計(jì)碰到