单相半控桥式晶闸管整流电路的设计.doc
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1、学 号: 课 程 设 计题 目单相半控桥式晶闸管整流电路的设计(带续流二极管)(阻感负载)学 院自动化专 业自动化班 级100.班姓 名指导教师许湘莲2012年12月29日一 课程设计的性质和目的性质:是电气信息专业的必修实践性环节。目的:1、培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力;2、加深理解电力电子技术课程的基本理论;3、初步掌握电力电子电路的设计方法。二 课程设计的内容:单相半控桥式晶闸管整流电路的设计(带续流二极管)(阻感负载)设计条件:SdIT9。1、电源电压:交流100V/50Hz2、输出功率:500W3、移相范围0180三 课程设计基本要求1、两人一个题目,按学号组合;
2、2、根据课程设计题目,收集相关资料、设计主电路、控制电路;UIErH。3、用MATLAB/Simulink对设计的电路进行仿真;4、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,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。DYZg4。摘 要电力电子技术课程设计是在教学及实验基础上,对课程所学理论知识的深化和提高。本次课程设计要完成单相桥式半控整流电路的设计,对电阻负载供电,并使输出电压在0到180伏之间连续可调,由于是半控电路,因此会用到晶闸管与电力二极管。此外
3、,还要用MATLAB对设计的电路进行建模并仿真,得到电压与电流波形,对结果进行分析。6orMg。关键词:半控 整流 晶闸管目录1 设计的基本要求11wx9y。1.1设计的主要参数及要求:1TsF6k。1.2 设计的主要功能1ovHQA。2总体系统2d7QqV。2.1主电路结构及其工作原理2a3BpT。2.2 参数计算23FoXO。3硬件电路4Duh2e。3.1 系统总体原理框图4YPieC。3.2 驱动电路4eAP4N。3.2.1 驱动电路方案4KF8aW。3.2.2 驱动电路的设计5KtXUH。3.3 保护电路7HX7Mg。3.3.1 变压器二次侧熔断器77PYSu。3.3.2 晶闸管保护电
4、流71R7F2。3.4 触发电路8zKX36。4 元器件的选择9xLa7o。4.1 晶闸管9QK0jj。4.1.1 晶闸管的结构与工作原理9EEM18。4.1.2 晶闸管的选择11WuSPd。4.2 电力二极管11kcwbj。5 MATLAB建模与仿真13lHKbh。6 心得体会16DgXM3。参考文献17m801u。1 设计的基本要求1.1设计的主要参数及要求:设计条件:1、电源电压:交流100V/50Hz 2、输出功率:500W 3、移相范围01801.2 设计的主要功能 单相桥式半控整流电路的工作特点是晶闸管触发导通,而整流二极管在阳极电压高于阴极电压时自然导通。单相桥式整流电路在感性负
5、载电流连续时,当相控角90时,可实现将直流电返送至交流电网的有源逆变。在有源逆变状态工作时,相控角不应过大,以确保不发生换相(换流)失败事故。GH7Th。 不含续流二极管的电路具有自续流能力,但一旦出现异常,会导致:一只晶闸管与两只二极管之间轮流导电,其输出电压失去控制,这种情况称之为“失控”。失控时的的输出电压相当于单相半波不可控整流时的电压波形。在失控情况下工作的晶闸管由于连续导通很容易因过载而损坏。因为半导体本身具有续流作用,半控电路只能将交流电能转变为直流电能,而直流电能不能返回到交流电能中去,即能量只能单方向传递。NHWLD。 含续流二极管的电路具有电路简单、调整方便、使用元件少等优
6、点,而且不会导致失控显现,续流期间导电回路中只有一个管压降,少了一个管压降,有利于降低损耗。9QiHI。2总体系统2.1主电路结构及其工作原理 单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点,但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。其使用的电路图如下图2.1所示。fgSxA。图2.1 主体电路结构原理图 在交流输入电压u2的正半周(a端为正)时,Th1和D1承受正向电压。这时如对晶闸管Th1引入触发信号,则Th1和D1导通电流的通路为u2+Th1RD1u2-。xYMia。 这时Th2和D1都因承受反向电压而截至。同样,在电压u2的负半周时,Th2和D2承受正向电压。这时,
7、如对晶闸管Th2引入触发信号,则Th2和D2导通,电流的通路为:u2-Th2RD2u2+。M70IG。 这时Th1和D1处于截至状态。显然,与单相半波整流相比较,桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍。2.2 参数计算输出电压的平均值: (2-1)=0时,Ud=Ud0=0.9U;=1800时,Ud=0。可见,角的移相范围为1800。向负载输出的直流电流平均值为 (2-2)输出电压平均值: U=0.9U2 (2-3)KTyTL。输出电流平均值: = Ud/R (2-4)rJWlq。流过晶闸管电流有效值: I= / (2-5)3bncv。波形系数: K= I/=/2 (2-6)LE41w。交流侧相
8、电流的有效值: I=I (2-7)1OhJx。续流管电流有效值: I=I (2-8)HXdvS。 (2-9) (2-10) (2-11) (2-12) (2-13) 令0时,U2=220V,P出=50V10A=500W。Ud=0.9U2(1+)/2=198V Id=P出/Ud=10.8A,Kf=IVT/ Id=/2=0.707,晶闸管的额定电流为:IT= Kf Id/1.57=2.5A,取2倍电流安全储备,并考虑晶闸管元件额定电流系列取5A。LjBXS。晶闸管元件额定电压U2=100=141.4V,取23倍电压安全储备,并考虑晶闸管额定电压系列取300V。f8uAI。令时,IVT= Id=Id
9、=10.8A时,此时流过续流二极管的电流最大为10.8A,取2倍电流安全储备,并考虑晶闸管元件额定电流系列取20A。续流二极管两端的最大电压为Ud=220V, 取23倍电压安全储备,并考虑晶闸管额定电压系列去220V。所以选择续流二极管额定电压为220V,额定电流为20A的晶闸管和二极管,电感取无穷大,L=150H,R=20。dujBq。3硬件电路3.1 系统总体原理框图单相半控桥式整流电路的设计,我们首先对电路原理进行分析,通过分析,结合具体的性能指标求出相应的参数,然后在Matlab仿真软件中建立仿真模型,仿真模型采用交流输入电源,使用晶闸管和二极管作为整流器件,通过不断仿真、调试、不断修
10、改参数,知道符合正确的参数要求。其系统原理框图如下图3.1ZKyez。图 3.1 系统原理框图其对应波形原理图如图3.2所示图 3.2 波形原理图3.2 驱动电路3.2.1 驱动电路方案方案一:采用专用集成芯片产生驱动信号。专用集成芯片对于整个系统来说非常好:集成度高,不易产生各种干扰;产生的驱动信号精确度高,更便于系统的精确度:简单、省事,易于实现。但是,专用集成芯片的价格比较昂贵且不易购买;对于锻炼个人能力用专用芯片业很难达到效果。7wlNx。方案二:采用LM339、ICL8083等构成的驱动电路虽然效果不是很好,但是它完全是硬件驱动,能更好的锻炼人的知识运用和能力的开发。IJudi。两个
11、方案相比较而言我选择方案二。3.2.2 驱动电路的设计 晶闸管门极触发信号由触发电路提供,由于晶闸管电路种类很多,如整流、逆变、交流调压、变频等;所带负载的性质也不相同,如电阻性负载、电阻电感性负载、反电势负载等。尽管不同情况对触发电路的要求也不同,但是其基本的要求却是相同的,具体如下J8Y8v。 (a)触发信号应有足够的功率这些指标在产品样本中均已标明,由于晶闸管元件门极参数分散性大,且触发电压、电流手温度影响会发生变化。例如元件温度为1000C时触发电流、电压值比在室温时低23倍;元件温度为-400C时触发电流、电压值比在室温时高23倍;为了使元件在各种工作条件下都能可靠的触发,可参考元件
12、出厂的实验数据或产品目录,设计触发电路的输出电压、电流值,并留有一定的裕量。一般可取两倍左右的触发电流裕量,而触发电压按触发电流的大小来决定,但是应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。8PSNu。(b)触发脉冲信号应有一定的宽度 普通晶闸管的导通时间一般为6us,故触发脉冲的宽度至少应有6us以上,对于电感性负载,由于电感会抑制电流的上升,触发脉冲的宽度应该更大些,通常为0.5ms1ms,否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的擎住电流时,此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。q93kX。单结晶体管原理单结晶体管(简称UJT)又称基极二极管,它是一种只有PN结和两个电
13、阻接触电极的半导体器件,它的基片为条状的高阻N型硅片,两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其符号和等效电如下图3.3所示。h1Vcc。图 3.3 单结晶体管的符号和等效电路图结晶体管的特性从图(a)可以看出,两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。Rbb=rb1+rb2式中:Rb1第一基极与发射结之间的电阻,其数值随发射极电流ie而变化,rb2为第二基极与发射结之间的电阻,其数值与ie无关;发射结是PN结,与二极管等效。M9OeR。若在两面三刀基极b2,b1间加上正电压Vbb,则A点电压为:VA=rb1/(rb1+rb2)vbb=(
14、rb1/rbb)vbb=Vbb式中:称为分压比,其值一般在0.30.85之间,如果发射极电压VE由零逐渐增加,就可测得单结晶体管的伏安特性,见图3.4v4DLo。图 3.4 单结晶体管的伏安特性(1)当VeVbb时,发射结处于反向偏置,管子截止,发射极只有很小的漏电流Iceo。(2)当VeVbb+VD VD为二极管正向压降(约为0.7V),PN结正向导通,Ie显著增加,rb1阻值迅速减小,Ve相应下降,这种电压随电流增加反而下降的特性,称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点,与其对应的发射极电压和电流,分别称为峰点电压Ip和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流,它是使单结晶体管导通所需
15、的最小电流,显然Vp=Vbb。ZAze8。(3)随着发射极电流Ie的不断上升,Ve不断下降,降到V点后,Ve不再下降了,这点V称为谷点,与其对应的发射极电压和电流,称为谷点电压Vv和谷点电流Iv。SESoJ。(4)过了V后,发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态,所以uc继续增加时,ie便缓慢的上升,显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压,如果VeVv,管子重新截止。T8yEO。单结晶体管的主要参数(1)基极间电阻Rbb发射极开路时,基极b1,b2之间的电阻,一般为2-10千欧,其数值随温度的上升而增大。FdEHs。(2)分压比由管子内部结构决定的参数,一般为0.3-0.85。
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