電力電子單相雙半波晶閘管整流電路設(shè)計(jì)

1、摘要 電力電子技術(shù)是一門新興技術(shù)，它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而成的，在電氣自動(dòng)化專業(yè)中已成為一門專業(yè)基礎(chǔ)性強(qiáng)且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程體現(xiàn)了弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。它包括了晶閘管的結(jié)構(gòu)和分類、晶閘管的過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無(wú)源逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。 整流電路按組成的器件不同，可分為不可控、半控與全控三種，利用晶閘管半導(dǎo)體器件構(gòu)成的主要有半控和全控整流電路；按電路接線方式可分為橋式和零式整流電路；按交流輸入相數(shù)又可分為單相、多相（主要是三相）整流電路。正是因?yàn)?/p>

2、整流電路有著如此廣泛的應(yīng)用，因此整流電路的研究無(wú)論在是從經(jīng)濟(jì)角度，還是從科學(xué)研究角度上來(lái)講都是很有價(jià)值的。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)  晶閘管  控制  整流AbstractPower electronic technology is a new technology, it is made up of electricity, electronics and control theory of three disciplines cross, in the electrical automation has become a strong professio

3、nal basic and closely contact with production indispensable professional basic course. This course embodies the weak current control of the high voltage, but also has very strong practicality. It includes the structure and classification of the thyristor, thyristor of overvoltage and overcurrent pro

4、tection method, controlled rectifier circuit, thyristor active passive inverter circuit, thyristor inverter circuit, PWM control technology, ac voltage regulator, dc chopper and the working principle of frequency conversion circuit.Rectifier circuit according to the composition of different devices,

5、 can be divided into uncontrolled, half controlled with all three, using thyristor semiconductor devices are mainly composed of half and full controlled rectifier circuit; According to the circuit connection mode can be divided into the bridge rectifier circuit and zero; According to the ac input nu

6、mber and can be divided into single phase, multiphase (mainly) three-phase rectifier circuit. It is because the rectifier circuit has such a wide range of applications, so the study of the rectifier circuit in from the economic point of view, or from the perspective of scientific research is very va

7、luable.Keywords : Power electronic technology thyristor control rectifier設(shè)計(jì)課題目: 單相雙半波晶閘管整流電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）技術(shù)要求 : (1)  電網(wǎng)供電電壓：交流100V/50Hz；    (2)   輸出功率：500W；  (3)  (3)  移相范圍：0°180°目錄一. 設(shè)計(jì)原理-1. 晶閘管的介紹-2. 總電路設(shè)計(jì)3. 主電路.4. 相控觸發(fā)電路工作原理5.

8、 保護(hù)電路二.參數(shù)計(jì)算-1. 變壓器參數(shù)計(jì)算2. 晶閘管電壓電流的計(jì)算3.晶閘管的型號(hào)選擇三. 波形仿真-1. 理論波形2. MATLAB仿真四. 設(shè)計(jì)總計(jì)-五. 參考文獻(xiàn)-一 、 設(shè)計(jì)原理 1. 晶閘管的介紹晶閘管是一種4層功率半導(dǎo)體器件，具有3個(gè)PN結(jié)，其結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)如圖所示。其中，最外層的P區(qū)和N區(qū)分別引出兩個(gè)電極，稱為陽(yáng)極A和陰極K，中間的P區(qū)引出控制極（或稱門極） 晶閘管的結(jié)構(gòu)及電氣符晶閘管的工作原理晶閘管由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個(gè)結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個(gè)電極，如圖五(a)

9、所示。由于具有擴(kuò)散工藝，具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可以等效成如圖五（b）所示的兩個(gè)晶閘管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極A和陰極K之間加正向電壓UA，且控制極G和陰極K之間也加正向電壓UG時(shí)，外層靠下的PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。若V2管的基極電流為IB2，則集電極電流Ic2為2IB2，V1管的基極電流IB1等于Vz管的集電極電流，因而V2的集電極電流Icl為l2，該電流又作為V2管的基極電流，再一次進(jìn)行上述的放大過(guò)程，形成正反饋。在很短的時(shí)間（一般幾微秒）兩只二極管均進(jìn)入飽和狀態(tài)，使晶閘管完全導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管完全導(dǎo)通后，控制極就失

10、去了控制作用，管子依靠?jī)?nèi)部的正反饋始終維持導(dǎo)通狀態(tài)。此對(duì)管子壓降很小，一般為0. 61.2 V，電源電壓幾乎全部加在負(fù)載電阻R上，晶閘管中有電流流過(guò)，可達(dá)幾十至幾千安。要想關(guān)斷晶閘管，必須將陽(yáng)極電流減小到不能維持正反饋過(guò)程，當(dāng)然也可以將陽(yáng)極電源斷開(kāi)或者在晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間加一反向電壓。晶閘管的伏安特性曲線：總電路的設(shè)計(jì)總電路的原理框圖 總電路原理圖2.用單相雙半波波可控整流電路作為主電路主電路原理圖如下：?jiǎn)蜗嚯p半波整流電路 單相雙半波（全波）可控整流電路中，變壓器T帶抽頭，在U2正半周，VT1工作,變壓器二次繞組上半部分通過(guò)電流。U2負(fù)半周，VT2工作，變壓器

11、二次繞組下半部分流過(guò)反向電流。由上波形圖知,單相雙半波可控整流電路的Ud波形與單相全控橋的一樣，交流輸入端電流波形一樣，變壓器也不存在直流磁化的問(wèn)題。3. 相控觸發(fā)電路工作原理晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過(guò)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：  1) 觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。 2) 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）。 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(yáng)極電流能迅速上升超過(guò)掣住電流而維持導(dǎo)通。 4)  觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)

12、極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。相控觸發(fā)芯片的選擇相控觸發(fā)電路芯片選擇KJ004集成觸發(fā)電路芯片觸發(fā)器KJ004引腳圖如圖觸發(fā)器KJ004管腳功能如表所示相控觸發(fā)電路原理圖保護(hù)電路原理圖及工作原理1. 過(guò)電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì) 設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過(guò)電壓和雷擊過(guò)電壓的侵襲。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過(guò)電壓出現(xiàn)，因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)電壓保護(hù)。2. 過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì) 當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路，驅(qū)動(dòng)、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障，外部出現(xiàn)負(fù)載過(guò)載；直流側(cè)短路，可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生逆變失敗以及交流電源電壓過(guò)

13、高或過(guò)低均能引起裝置或其他元件的電流超過(guò)正常工作電流，即出現(xiàn)過(guò)電流。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)電流保護(hù)。 過(guò)流、過(guò)電壓保護(hù)電路圖如下：二.參數(shù)計(jì)算1. 變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算電源電壓交流100/50Hz，輸出功率：500W，移相范圍：0°至180°。 設(shè)R=1.25 , =0°變壓器一二次側(cè)電流計(jì)算P=Id²R，Id=20A            U1/Ud=100/25，N1/N2=4

14、/1，I1=Id/4=5 A 變壓器容量計(jì)算S=UI=100×5=0.5kVA變壓器型號(hào)N1:N2=4：1;     S=0.5Kva2. . 單相全波整流電路的輸出電壓晶閘管的參數(shù)計(jì)算整流元件中電壓、電流最大值的計(jì)算1. 額定電壓2. 額定電流整流元件型號(hào)的選擇晶閘管的選擇原則： 所選晶閘管電流有效值IVT大于元件在電路中可能流過(guò)的最大電流有效值。 2.選擇時(shí)考慮（1.52）倍的安全裕量。3. 波形仿真 1. 理論波形如下理論觸發(fā)信號(hào)波形 2. MATLAB仿真MATLAB

15、軟件介紹本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）之意，主要用于方便矩陣的存取，其基本元素是無(wú)須定義維數(shù)的矩陣。MATLAB是用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書寫程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈

16、活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。MATLAB中的電路模型圖中pulse generation產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)更改其中的phase delay調(diào)整相角，示波器scope記錄各處產(chǎn)生的電壓波形。當(dāng)=60時(shí)，仿真波形結(jié)果 圖中U2為二次側(cè)兩端電壓，Vg為觸發(fā)脈沖電壓，Ud為電阻兩端（即輸出端）電壓，Thyristor為VT1晶閘管兩端電壓。 當(dāng)=60°時(shí)，仿真波形如上所示。在觸發(fā)延遲角到來(lái)前，Ud兩端電壓為0，電源電壓完

17、全施加于晶閘管兩端，該段晶閘管中沒(méi)有電流形成。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來(lái)后，晶閘管兩端電壓幾乎為0，此時(shí)電源電壓完全加在負(fù)載上。半個(gè)周期后，電源電壓反向，晶閘管承受反壓而關(guān)斷，電源電壓都加在晶閘管兩端，輸出端電壓為0。 當(dāng)=120°時(shí)，仿真波形結(jié)果   當(dāng)=120°時(shí)，仿真波形如上所示。在觸發(fā)延遲角到來(lái)前，Ud兩端電壓為0，電源電壓完全施加于VT1晶閘管兩端，電路中沒(méi)有電流形成。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來(lái)后，VT1晶閘管兩端電壓幾乎為0，此時(shí)電源電壓完全加在負(fù)載上。半個(gè)周期后，電源電壓反向，晶閘管承受反壓而關(guān)斷，電源電壓都加在晶閘管兩端，輸出端電壓為0。和=

18、60°時(shí)相比，電源電壓完全加在VT1晶閘管兩端的時(shí)間更長(zhǎng)，晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間更短。 當(dāng)=180時(shí)，仿真波形結(jié)果 當(dāng)=180°時(shí)，電源電壓始終加在晶閘管兩端，輸出端電壓恒為0，電路中至始至終沒(méi)有形成電流。 綜合以上，對(duì)電路中的單個(gè)晶閘管進(jìn)行分析可知，當(dāng)0<<180°時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)，觸發(fā)角到來(lái)前，由晶閘管承受電源電壓，觸發(fā)脈沖到來(lái)后，電源電壓幾乎完全加在輸出端，半個(gè)周期后，由晶閘管承受反壓，電路關(guān)斷。當(dāng)180°后，電路在整個(gè)周期都處于關(guān)斷狀態(tài)，電源電壓完全由晶閘管承擔(dān)。 得出結(jié)論，的移相范圍為0180°。四 總結(jié) 這次電力電子課程設(shè)計(jì)，不僅對(duì)課堂上的知識(shí)很好的溫習(xí)了，還加強(qiáng)了我的動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。通過(guò)參加這次電力電子的課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多