單相半控橋式晶閘管整流課程設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 工作單位： </p><p>　　題 目: 單相半控橋式晶閘管整流電路

2、的設(shè)計（帶續(xù)流二極管）（阻感負(fù)載）</p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　1、電源電壓：交流100V/50Hz 2、輸出功率：500W 3、移相范圍0º~180º</p><p>　　要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）</p&

3、gt;<p>　　1、根據(jù)課程設(shè)計題目，收集相關(guān)資料、設(shè)計主電路、控制電路；</p><p>　　2、用MATLAB/Simulink對設(shè)計的電路進(jìn)行仿真； 3、撰寫課程設(shè)計報告——畫出主電路、控制電路原理圖，說明主電路的工作原理、選擇元器件參數(shù)，說明控制電路的工作原理、繪出主電路典型波形，繪出觸發(fā)信號（驅(qū)動信號）波形，并給出仿真波形，說明仿真過程中遇到的問題和解決問題的方法，附參考資料；

4、5、通過答辯。</p><p>　　時間安排：2012.12.24-12.29</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　摘要</b>&l

5、t;/p><p>　　單向橋式半控整流電路實際上是由單相橋式全控電路簡化而來的。在單相橋式全控整流電路中，每一個導(dǎo)電回路中有兩個晶閘管，即用兩個晶閘管同時導(dǎo)通以控制導(dǎo)電的回路。但實際上為了對每個導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，只需要一個晶閘管就行了，另一個晶閘管可以用二級管代替，從而得到單向半控橋式整流電路。</p><p>　　除了用二極管代替晶閘管以外，該電路在實際應(yīng)用中需加設(shè)續(xù)流二極管，以避免可能發(fā)生

6、的失控現(xiàn)象。實際運行中，若無續(xù)流二極管，則當(dāng)突然增大至或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使成為正弦半波，即半周期為正弦，另外半周期為零，其平均值保持恒定，相當(dāng)于單相半波不可控整流電路時的波形，稱為失控。有續(xù)流二極管時，續(xù)流過程由完成，在續(xù)流階段晶閘管關(guān)斷，這就避免了某一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通從而導(dǎo)致失控的現(xiàn)象?？偟膩碚f，單相橋式半控整流電路具有電路簡單、調(diào)整方便、使用元件少等優(yōu)點，而且不會導(dǎo)致失控顯現(xiàn)，續(xù)

7、流期間導(dǎo)電回路中只有一個管壓降，少了一個管壓降，有利于降低損耗。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單相 半控 續(xù)流二極管 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1系統(tǒng)總體設(shè)計1</b></p><p><b>　　2主電路設(shè)計2</b>&l

8、t;/p><p>　　2.1主電路結(jié)構(gòu)及其工作原理2</p><p><b>　　2.2參數(shù)計算3</b></p><p><b>　　3元器件選擇3</b></p><p><b>　　4控制電路設(shè)計5</b></p><p><b>　

9、　4.1同步電路5</b></p><p>　　4.2鋸齒波形成電路6</p><p>　　4.3移相控制電路7</p><p>　　4.4脈沖形成電路8</p><p><b>　　5波形仿真8</b></p><p><b>　　6心得體會16</b&g

10、t;</p><p><b>　　7參考文獻(xiàn)17</b></p><p><b>　　1系統(tǒng)總體設(shè)計</b></p><p>　　電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件作為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子

11、器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。，廣義上人們往往將主電路以外的電路都?xì)w為控制電路，從而粗略的說，電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。另外，主電路中的電壓和電流一般都比較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流。</p><p>　　在單相半控橋式晶閘管整流電路中，系統(tǒng)由主電路和控制電路組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。</p><p><b>　　圖1系統(tǒng)原理框圖

12、</b></p><p><b>　　2主電路設(shè)計</b></p><p>　　2.1主電路結(jié)構(gòu)及其工作原理</p><p>　　單相半控橋式整流電路帶阻感負(fù)載且有續(xù)流二極管的主電路圖如圖2所示：</p><p>　　圖2單相半控橋式整流主電路圖</p><p>　　對于帶阻感負(fù)載的單

13、相橋式半控整流電路而言，當(dāng)負(fù)載中電感很大時，在正半周，觸發(fā)角處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。過零變負(fù)時，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通但因VT1端電位高于VD2端電位，使得電流從VD4轉(zhuǎn)移至VD2，VD4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)交流源，而是由VT1和VD2續(xù)流，在此階段。在負(fù)半周觸發(fā)角時刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，則向VT1加反壓使其關(guān)斷，經(jīng)VT3和VD2向負(fù)載供電。過零變正時，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD

14、4續(xù)流，為0 ，此后重復(fù)以上過程。</p><p>　　有續(xù)流二極管時，續(xù)流過程由完成，在續(xù)流階段晶閘管關(guān)斷，這就避免了某一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通從而導(dǎo)致失控的現(xiàn)象。同時，續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個管壓降，少了一個管壓降，有利于降低損耗。</p><p><b>　　2.2參數(shù)計算</b></p><p>　　在單相橋式半控整流電路中：</p&

15、gt;<p><b>　　輸出電壓平均值：</b></p><p>　　式中，表示交流輸入電壓有效值，表示晶閘管觸發(fā)角。</p><p><b>　　輸出電流平均值：</b></p><p>　　流過晶閘管電流有效值：</p><p><b>　　計算負(fù)載R值：</b&

16、gt;</p><p><b>　　當(dāng)為時，輸出電壓:</b></p><p><b>　　由可得：</b></p><p><b>　　3元器件選擇</b></p><p>　　由于單相橋式半控整流電路主要電力電子器件是晶閘管，所以選取元器件時主要考慮晶閘管的參數(shù)及選取原則。

17、</p><p>　　晶閘管的主要參數(shù)如下：</p><p><b>　?。?）電壓定額</b></p><p><b>　?、贁鄳B(tài)重復(fù)峰值電壓</b></p><p>　　斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓（見圖3）。國標(biāo)規(guī)定重復(fù)頻率為50Hz，每次持續(xù)

18、時間不超過10ms。規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時電壓）的90%。斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓。</p><p><b>　?、诜聪蛑貜?fù)峰值電壓</b></p><p>　　反向重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓（見圖3）。規(guī)定反向重復(fù)電壓為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）的90%。反向

19、不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。</p><p><b>　?、弁☉B(tài)（峰值）電壓</b></p><p>　　這是晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。</p><p>　　通常取晶閘管的和中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2到3倍。</

20、p><p>　　圖3晶閘管的伏安特性</p><p><b>　　（2）電流定額</b></p><p><b>　?、偻☉B(tài)平均電流</b></p><p>　　國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是標(biāo)稱

21、其額定電流的參數(shù)。同電力二極管的正向平均電流一樣，這個參數(shù)是按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。因此在使用時同樣應(yīng)像電力二極管那樣，按照實際波形的電流與晶閘管所允許的最大正玄半波電流（其平均值即通態(tài)平均電流）所造成的發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則來選取晶閘管的此項電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。一般取其通態(tài)平均電流為按此原則所得計算結(jié)果的1.5到2倍。例如，需要某晶閘管實際承擔(dān)的某波形電流有效值為400A，則可選取

22、額定電流（通態(tài)平均電流）為400A/1.57=255A的晶閘管（根據(jù)正弦半波波形平均值與有效值之比為1:1.57），再考慮裕量，比如將計算結(jié)果放大到2倍左右，則可選取額定電流500A的晶閘管。</p><p><b>　　②維持電流</b></p><p>　　維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則越小。</

23、p><p><b>　?、矍嬷娏?lt;/b></p><p>　　擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常約為的2至4倍。</p><p><b>　?、芾擞侩娏?lt;/b></p><p>　　浪涌電流是指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的

24、不重復(fù)性最大正向過載電流。浪涌電流有上下兩個級，這個參數(shù)可以作為設(shè)計保護(hù)電路的依據(jù)。</p><p>　　根據(jù)以上敘述，可得到晶閘管額定電壓：</p><p><b>　　晶閘管額定電流：</b></p><p><b>　　4控制電路設(shè)計</b></p><p>　　控制電路由五個基本環(huán)節(jié)：同步環(huán)

25、節(jié)、鋸齒波的形成、脈沖移相、脈沖的形成與放大。下面分別介紹。</p><p><b>　　4.1同步電路</b></p><p>　　同步環(huán)節(jié)電路如圖4所示。在鋸齒波同步的觸發(fā)電路中，觸發(fā)電路與主電路的同步是指要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。鋸齒波是由開關(guān)Q2管來控制的。Q2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波，Q2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度，Q2

26、開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率。要使出發(fā)脈沖與主電路電源同步，使Q2的開關(guān)頻率與主電路電源頻率同步就可達(dá)到。同步信號由同步變壓器得到，其與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。</p><p>　　電路由R1、C1、D1、D2、和Q1組成。</p><p>　　在電源電壓負(fù)半周下降段時，D1導(dǎo)通，C1端電壓隨電源電壓變化，Q1金吒管基極為方向偏置，Q1截止。電源電壓進(jìn)入負(fù)半周上升段時，D1截止，

27、電源經(jīng)過R1為C1反向充電，因選取的時間常數(shù)較大，uc1上升緩慢，當(dāng)上升到大約1.4V時，Q1從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)，uc1鉗位。直至再次過零變負(fù)，重復(fù)上述過程。</p><p>　　圖4 同步電路、鋸齒波形成電路</p><p>　　4.2鋸齒波形成電路</p><p>　　鋸齒波形成電路如圖4所示。其組成電路是由Q1、Q2、Q3、R3、R5、C2、RV1、D3組

28、成，其中Q1、RV1、D3組成恒流源，Q3、R5為射極輸出器。</p><p>　　當(dāng)Q1導(dǎo)通時，電容C2經(jīng)過R3迅速放電，Uc2近于零。在Q1轉(zhuǎn)為截止時，恒流源給電容uc2充電，則電容兩端電壓線性增長，知道Q1再次飽和導(dǎo)通，C2放電為止。同步開關(guān)Q1周期性變化時，C2端形成一鋸齒波。鋸齒波是由開關(guān)Q1管控制。</p><p>　　鋸齒波的頻率由同步變壓器所接的交流電壓以及Q1管的開關(guān)頻率

29、決定，鋸齒波起點基本就是同步電壓由正變負(fù)的過零點，斜由RV1調(diào)節(jié)，鋸齒波寬度即Q1截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時間，取決于充電時間常數(shù)。</p><p><b>　　4.3移相控制電路</b></p><p>　　移相控制電路如圖5所示。</p><p>　　移相控制電路由Q3、Q4組成，移相控制有三個信號：偏置電壓、鋸齒波、控制電壓。三個信號疊加控制Q4。

30、通過調(diào)節(jié)偏置電壓使形成的電壓在控制角為90度時過零。</p><p><b>　　圖5移相控制電路</b></p><p><b>　　4.4脈沖形成電路</b></p><p>　　脈沖形成電路如圖6所示。</p><p>　　電路由Q4、Q5組成脈沖形成環(huán)節(jié)，Q6、Q7組成脈沖放大環(huán)節(jié)?？刂齐妷?/p>

31、加在Q4基極上。當(dāng)偏移電壓、鋸齒波和控制電壓疊加為反向時，Q4截止，Q5飽和導(dǎo)通，Q6、Q7處于截止?fàn)顟B(tài)，無脈沖輸出，電容C3充電，充滿電后電容兩端電壓接近2E（30V）；當(dāng)偏移電壓、鋸齒波和控制電壓疊加為正向時，Q4導(dǎo)通，C3端電位由E（15V）下降到1V左右，Q5基極電位下降到-2E，Q5立即截止。Q5集電極電位由-E上升到2.1V，Q6、Q7導(dǎo)通輸出脈沖。</p><p><b>　　圖6脈沖形成

32、電路</b></p><p><b>　　5波形仿真</b></p><p>　　仿真電路圖如圖7所示：</p><p><b>　　圖7 仿真電路圖</b></p><p>　?。?）當(dāng)觸發(fā)角時的波形仿真圖如圖8所示：</p><p>　　圖8 觸發(fā)角時的波形仿

33、真圖</p><p>　　如圖8所示，第一通道是輸出電流的波形，第二通道是輸出電壓的波形，第三通道是交流源的波形，第四、第五通道分別是VT1、VT3的出發(fā)信號的波形。</p><p>　　由于續(xù)流二極管的存在，在交流電源電壓的負(fù)半周時的輸出電壓與在交流電壓源的正半周時的輸出電壓波形相同。由于帶的是阻感負(fù)載，其對電路中電流的變化有抗拒作用，即延遲了晶閘管的觸發(fā)信號，所以觸發(fā)信號到來時，輸出波

34、形并不會立即產(chǎn)生變化，而是延遲一段時間后才變?yōu)檎也ㄐ巍?lt;/p><p>　　由于負(fù)載中所帶電感較大（1H），所以輸出電流波形近似穩(wěn)定，接近于一條直線。</p><p>　　以下分別是、、、、時的波形仿真圖。</p><p>　?。?）當(dāng)觸發(fā)角時的波形仿真圖如圖9所示：</p><p>　　圖9觸發(fā)角時的波形仿真圖</p>&l

35、t;p>　　如圖9所示，第一通道是輸出電流的波形，第二通道是輸出電壓的波形，第三通道是交流源的波形，第四、第五通道分別是VT1、VT3的出發(fā)信號的波形。</p><p>　　由于續(xù)流二極管的存在，在交流電源電壓的負(fù)半周時的輸出電壓與在交流電壓源的正半周時的輸出電壓波形相同。由于帶的是阻感負(fù)載，其對電路中電流的變化有抗拒作用，即延遲了晶閘管的觸發(fā)信號，所以觸發(fā)信號到來時，輸出波形并不會立即產(chǎn)生變化，而是延遲一

36、段時間后才變?yōu)檎也ㄐ巍?lt;/p><p>　　由于負(fù)載中所帶電感較大（1H），所以輸出電流波形近似穩(wěn)定，接近于一條直線。觸發(fā)角，所以輸出電壓波形比電源電壓延遲相位。</p><p>　?。?）當(dāng)觸發(fā)角時的波形仿真圖如圖10所示：</p><p>　　圖10當(dāng)觸發(fā)角時的波形仿真圖</p><p>　　如圖10所示，第一通道是輸出電流的波形，第二

37、通道是輸出電壓的波形，第三通道是交流源的波形，第四、第五通道分別是VT1、VT3的出發(fā)信號的波形。</p><p>　　由于續(xù)流二極管的存在，在交流電源電壓的負(fù)半周時的輸出電壓與在交流電壓源的正半周時的輸出電壓波形相同。由于帶的是阻感負(fù)載，其對電路中電流的變化有抗拒作用，即延遲了晶閘管的觸發(fā)信號，所以觸發(fā)信號到來時，輸出波形并不會立即產(chǎn)生變化，而是延遲一段時間后才變?yōu)檎也ㄐ巍?lt;/p><p&

38、gt;　　由于負(fù)載中所帶電感較大（1H），所以輸出電流波形近似穩(wěn)定，接近于一條直線。觸發(fā)角，所以輸出電壓波形比電源電壓延遲相位。</p><p>　?。?）當(dāng)觸發(fā)角時的波形仿真圖如圖11所示：</p><p>　　圖11當(dāng)觸發(fā)角時的波形仿真圖</p><p>　　如圖11所示，第一通道是輸出電流的波形，第二通道是輸出電壓的波形，第三通道是交流源的波形，第四、第五通道

39、分別是VT1、VT3的出發(fā)信號的波形。</p><p>　　由于續(xù)流二極管的存在，在交流電源電壓的負(fù)半周時的輸出電壓與在交流電壓源的正半周時的輸出電壓波形相同。由于帶的是阻感負(fù)載，其對電路中電流的變化有抗拒作用，即延遲了晶閘管的觸發(fā)信號，所以觸發(fā)信號到來時，輸出波形并不會立即產(chǎn)生變化，而是延遲一段時間后才變?yōu)檎也ㄐ巍?lt;/p><p>　　由于負(fù)載中所帶電感較大（1H），所以輸出電流波形近

40、似穩(wěn)定，接近于一條直線。觸發(fā)角，所以輸出電壓波形比電源電壓延遲相位。</p><p>　　（5）當(dāng)觸發(fā)角時的波形仿真圖如圖12所示：</p><p>　　圖12觸發(fā)角時的波形仿真圖</p><p>　　如圖12所示，第一通道是輸出電流的波形，第二通道是輸出電壓的波形，第三通道是交流源的波形，第四、第五通道分別是VT1、VT3的出發(fā)信號的波形。</p>

41、<p>　　由于續(xù)流二極管的存在，在交流電源電壓的負(fù)半周時的輸出電壓與在交流電壓源的正半周時的輸出電壓波形相同。由于帶的是阻感負(fù)載，其對電路中電流的變化有抗拒作用，即延遲了晶閘管的觸發(fā)信號，所以觸發(fā)信號到來時，輸出波形并不會立即產(chǎn)生變化，而是延遲一段時間后才變?yōu)檎也ㄐ巍?lt;/p><p>　　由于負(fù)載中所帶電感較大（1H），所以輸出電流波形近似穩(wěn)定，接近于一條直線。觸發(fā)角，所以輸出電壓波形比電源電壓延遲

42、相位。。</p><p>　　（6）當(dāng)觸發(fā)角時的波形仿真圖如圖13所示：</p><p>　　圖13觸發(fā)角時的波形仿真圖</p><p>　　如圖12所示，第一通道是輸出電流的波形，第二通道是輸出電壓的波形，第三通道是交流源的波形，第四、第五通道分別是VT1、VT3的出發(fā)信號的波形。</p><p>　　由于續(xù)流二極管的存在，在交流電源電壓的

43、負(fù)半周時的輸出電壓與在交流電壓源的正半周時的輸出電壓波形相同。由于帶的是阻感負(fù)載，其對電路中電流的變化有抗拒作用，即延遲了晶閘管的觸發(fā)信號，所以觸發(fā)信號到來時，輸出波形并不會立即產(chǎn)生變化，而是延遲一段時間后才變?yōu)檎也ㄐ巍?lt;/p><p>　　由于負(fù)載中所帶電感較大（1H），所以輸出電流波形近似穩(wěn)定，接近于一條直線。觸發(fā)角，所以輸出電壓波形比電源電壓延遲相位。</p><p>　?。?）當(dāng)

44、觸發(fā)角時的波形仿真圖如圖14所示：</p><p>　　圖14觸發(fā)角時的波形仿真圖</p><p>　　通過以上波形仿真可以看出，隨著觸發(fā)角的增大，輸出電壓逐漸減小，當(dāng)觸發(fā)角為時，輸出電壓為最大；當(dāng)觸發(fā)角為時，輸出電壓為最小，接近于零。</p><p>　　仿真中遇到的問題和解決辦法：</p><p>　　在設(shè)計仿真電路時，第一次添加器件進(jìn)行