单相半控桥式晶闸管整流电路的设计-李葵

电力电子技术课程设计说明书

单相半波桥式晶闸管整流电路的设计

系、部:

学生姓名:

指导教师:

专业/班级:

级:

完成时间:电气与信息工程系李葵

王翠

自动化0801班0840******* 2011年6月3日

电力电子技术课程设计任务书

系:电气与信息工程系年级:三年级专业:自动化

摘要

单相半波桥式晶闸管整流电路是电力电子电路中出现最早的一种,它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛,例如直流电动机,电镀,电解电源,同步发电机励磁,通信系统等。

单相半波桥式晶闸管整流电路的特点简单,它比二极管整流的优点表现在可以通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压的大小,而二级管电流输出的电压指示固定不变的,它比其他整流电路的优点是电路结构简单,分析简便,而且电路中只有两个晶闸管,其控制电路相对简单。输出的波形也简单,一目了然。缺点是输出脉动大,变压器二次电流中含有直流分量,造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁芯不饱和,需要增加贴心面积,增大设备的容量。

关键词:整流电路;晶闸管;变压器

目录

第1章绪论 (1)

第2章总体方案设计 (2)

2.1 系统总体框图 (2)

2.2 主电路结构及其工作原理 (2)

2.3 参数计算 (3)

2.4 驱动电路方案 (3)

2.5 驱动电路设计 (4)

第3章仿真设计 (7)

3.1 Matlab软件介绍 (7)

3.2 仿真模型设计 (7)

3.3 仿真参数设计 (8)

3.3.1 脉冲发生器的设置 (8)

3.3.2 电源参数设置 (9)

3.3.3 晶闸管参数设置 (9)

3.3.4 显示器参数设置 (10)

3.3.5 二极管参数设置 (10)

3.3.6 负载参数设置 (11)

3.3.7仿真系统参数设置 (11)

3.4 仿真波形 (12)

3.5 仿真波形分析 (12)

参考文献 (13)

致谢 (14)

第1章绪论

电力电子技术是一门新兴技术,它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的,在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制,又具有很强的实践性。能够理论联系实际,在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。

在电力电子技术中,可控整流电路是非常重要的内容,整流电路是将交流电变为直流电的电路,其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置;电气化铁道(电气机车、磁悬浮列车等)、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术;各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电,可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。

整流电路按组成的器件不同,可分为不可控、半控与全控三种,利用晶闸管半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路;按电路接线方式可分为桥式和零式整流电路;按交流输入相数又可分为单相、多相(主要是三相)整流电路。正是因为整流电路有着如此广泛的应用,因此整流电路的研究无论在是从经济角度,还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。本设计正是结合了Matlab仿真软件对单相半控桥式晶闸管整流电路进行设计分析。

整流电路由于被众多领域所应用,所以研究性能好的整流电路具有很大的市场潜力,无论在是从经济角度,还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。整流电路由于使用高性能的电子元器件,所以工作是非常稳定的,更因为它的器件很少,所以即使是需要维修也是非常方便,只要更换元件即可。

第2章总体方案设计

2.1 系统总体框图

单相半控桥式晶闸管整流电路的设计,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,不断修正参数,直到确定符合要求的参数。

图2.1 系统总体框图

2.2 主电路结构及其工作原理

单相半波可控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少的优点,但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。较常用的是半控桥式整流电路,简称半控桥,其电路如图2.2所示。电路与单相不可控桥式整流电路相似,只是其中两个臂中的二极管被晶闸管所取代。

图2.2 单相半控桥式整流电路原理图

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+→T h1→R

→D 1→u2-。

这时Th2和D2都因承受反向电压而截止。同样,在电压u2的负半周时,Th2和D2承受正向电压。这时,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-→T h 2→R→D 2→u2+。

这时Th1和D1处于截止状态。电压与电流的波形如图2.3所示。显然,与单相半波整流相比,桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍,即

2

cos 219.00a U U +?= (2.1) 输出电流的平均值为

2

cos 19.000a R U R U I L L +?== (2.2) 2.3 参数计算

本电路由于采用了Matlab 仿真,器件的参数我们采用默认值,这里主要计算电阻的值和脉冲信号源的延迟时间。

由基本要求:输入电压:交流100V/50Hz ;输出电压:0V-50V ;输出功率:500W 可得:

Ud=0.45 U0 (1+cos а) (2.3)

即:50=0.45×100(1+cos а)

解得:а=83.62°

从而脉冲信号源一的延迟时间为:

t1=аT/360°=83.62°×0.02/360°=0.00465s

则脉冲信号源二的相位延迟应设置为:

t2=0.01+0.00465=0.01465s

由W=U^2/R ,可得:

R=50^2/500=5Ω

2.4 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,更利于系统的准确度;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;对于以锻炼个人能力设计此次课程设计显然达不到目的。

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与开发能力。

两个方案相比较而言我选择方案二。

2.5 驱动电路设计

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。仅管不同的情况对触发电路的要求也不同,但其基本要求却是相同的,具体如下

(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、电流值受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2~3倍;元件温度为-400c时,触发电流、电压值比在室温时高2~3倍。为了使元件在各种工作条件下都能可靠地触发,可参考元件出厂的试验数据或产品目录,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大小来决定,但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。

(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6sμ,故触发脉冲的宽度至少应有6 sμ以上,对于电感性负载,由于电感会抑制电流的上升,触发脉冲的宽度应更大一些,通常为0.5ms~1ms,否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的掣住电流时,此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。

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。其符号和等效电路如图2.3所示

图2.3 单结晶体管符号、等效电路

(1)单结晶体管的特性

从图 4.1(b)中可以看出,两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻为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。若在两面三刀基极b2,b1间加上正电压Vbb,则A点电压为:V A=[rb1/(rb1+rb2)]vbb=(rb1/rbb)vbb=ηVbb式中:η称为分压比,其值一般在0.3—0.85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2.4。

图2.4 单结晶体管的伏安特性

(a)当Ve〈ηVbb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。

(b)当Ve≥ηVbb+VD时,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的最小电流,显然Vp=ηVbb。

(c)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。

(d)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Ve〈Vv,管子重新截止。

(2)单结晶体管的主要参数

(a)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。

(b)分压比η由管子内部结构决定的参数,一般为0.3~0.85。

(c)eb1间反向电压Vcb1 b2开路,在额定反向电压Vcb2下,基极b1与发射极e之间的反向耐压。

(d)反向电流Ieo b1开路,在额定反向电压Vcb2下,eb2间的反向电流。

(e)发射极饱和压降Veo在最大发射极额定电流时,eb1间的压降。

(f)峰点电流Ip单结晶体管刚开始导通时,发射极电压为峰点电压时的发

射极电流。

单结晶体管触发电路如图2.5所示,波形为图2.6所示。

图2.5 单结晶体管触发电路

图2.6 单结晶体管触发信号波形

第3章仿真设计

3.1 Matlab软件介绍

Matlab是以矩阵为基本编程单元的一种程序设计语言,它提供了各种矩阵的运算与操作,并有较强的绘图功能,是目前国际上最流行的控制系统计算机辅助设计软件。新版本的推出,使得Matlab的应用范围更加广泛,而且增加了许多工具箱,如信号处理、通信系统、虚拟现实、系统辨识、神经网络、模糊逻辑、实时空间等学科和领域的工具箱,以供不同专业的科研技术人员开发利用。

Simulink是Matlab软件的扩展,它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包,它和Matlab语言的主要区别在于,与用户的交互接口是基于Windows模型化图形输入,使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非编程上。目前Math works公司已经把Simulink发展成为一个系列产品。例如Mat2lab/Simulink中Sim Power Systems是专为电力电子和电气传动系统仿真设计的,包含有少数开关装置和简单电力电子转换器。转换器的开关器件是基于由V - R - L支路组成的微模型结构,为使开关器件正常工作,在开关器件两端并接R - C吸收电路。

3.2 仿真模型设计

图3.1 仿真模型图

3.3 仿真参数设计

3.3.1 脉冲发生器的设置

图3.2 脉冲信号源一的参数设置图

图3.3 脉冲信号源二的参数设置图

图3.4 电源参数设置图3.3.3 晶闸管参数设置

图3.5 晶闸管参数设置图

图3.6 显示器参数设置图3.3.5 二极管参数设置

图3.7 二极管参数设置图

图3.8 负载参数设置图3.3.7仿真系统参数设置

图3.9 仿真系统参数设置

3.4 仿真波形

图4.10 仿真输出波形图

3.5 仿真波形分析

设u为整流电源正弦电压瞬时值,ug1 为Th1 的门极脉冲、ug2 为Th2的门极脉冲、I1为流经二极管D1与晶闸管Th1 的电流、I2为流经二极管D2与晶闸管Th2 的电流、ud 为整流输出电压。图13为控制角а=83.62°时的仿真输出波形图,图中自上而下依次为u、ug1 、ug2 、I1、I2、ud 瞬时波形。从仿真结果中可以知道,当输入电压为100V/50Hz时,输出功率为500W,输出电压为50V。输出的波形是非常漂亮的,达到了设计的要求。

参考文献

[1]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2009.

[2]吴晓燕,张双选.MATLAB在自动控制中的应用[M].西安:西安电子科技大

学出版社,2006.

[3] 康华光,陈大钦,张林.电子技术基础-模拟部分[M].5版.北京:高等教育

出版社,2006.

[4] 邱光源,罗先觉.电路[M].5版.北京:高等教育出版社,2006.

致谢

本次电力电子技术课程设计的顺利完成,我要特别感谢我们的王翠老师,是她平时尽心尽力的讲课让我有了扎实的电力电子技术理论基础。另外,在整个过程中,还要感谢我们全体组员,是大家在一起讨论一起研究,互相帮助,共同进步,感谢大家一起为这次课程设计营造了良好的气氛。这次,我还要特别感谢董海兵老师,他不但教我安装了Matlab仿真软件,还耐心地教会了我如何使用这个仿真软件,让我在设计的过程中节省了很多时间。大家的无私地给了我很大的帮助,所以在此我要再一次向他们表示衷心的感谢。

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