晶闸管单相桥式可控整流电路.docx

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晶闸管单相桥式可控整流电路

晶闸管单相桥式可控整流电路

说明书

学院：

电信学院

专业班级：

09级电气二班

姓名：

***

学号：

********

指导老师：

***

摘要

本设计是以matlab编程软件下进行的，首先安装matlab软件，在根据设计任务说明说上要求的设计出单相桥式可控整流电路，用晶闸管的可控性能组成，设计具有高效，精度高等，而在这之前必须要学会使用MATLAB软件。

电阻电感性负载单相桥式可控整流电路的各个波形要有一定的了解和熟悉.并且参考个资料进行设计。

第一章设计要求

第二章制度设计方案

第三章主电路的设计

第四章元件和电路参数的计算

第五章系统仿真

第六章波形分析

第七章设计总结

附录参考文献

第一章设计要求

1.1设计任务及技术要求

计算机仿真具有效率高，精度高，可控性高和成本低等特点，已经广泛应用与电力电子电路的分析和设计中。

计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解释法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物调制和调试相互补充，最大限度地降低设计成本，缩短系统研制周期。

可以说，电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和试验过程。

通过本次仿真，学生可以初步认识电力电子计算机仿真的优势，并掌握电力电子计算机仿真的基本方法。

1，晶闸管单相全控桥式整流电路，参数要求：

电网频率f=50Hz

电网额定电压U1=380V

电网电压波动正负10%

阻感性负载电压0——190V可调。

2设计内容

（1）制定设计方案

（2）主电路设计及主电路元件选择

（3）驱动电路和保护电路设计及参数计算，器件选择

（4）绘制电路原理图

（5）总体电路原理图及其说明书

3仿真任务要求

（1）熟悉matlab、simulink、powersystem中的仿真模块用法及功能

（2）根据设计电路搭建仿真模型

（3）设置参数并进行仿真

（4）给出不同触发角时对应的UdIdi2和Ivt1的波形

4设计总体要求

（1）熟悉整理和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务

（2）掌握基本电路的数据分析，处理；描绘波形并加以判断

（3）能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理

（4）广泛收集相关技术资料

（5）按时完成课设设计任务，认真，正确的书写课程设计报告

第二章制定设计方案

2.1整流电路

单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。

而负载性质又分为带电阻性负载、电阻-电感性负载和反电动势负载时的工作情况。

单相桥式全控整流电路（电阻-电感性负载）

电路简图如下：

图2.1

此电路对每个导电回路进行控制，与单相桥式半控整流电路相比，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。

变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。

单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。

 单相全控桥式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。

根据以上的分析，我选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为电阻-电感性负载）。

2.2器件的选择

1.晶闸管

晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（SiliconControlledRectifier--

SCR），是最早出现的可控型电力电子器件。

20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。

能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。

晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管。

但由于只能控制其导通不能控制其关断，故称晶闸管为半控型器件。

1）晶闸管的结构

晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。

引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。

内部结构:

四层三个结如图2.2

2）晶闸管的工作原理图

晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极，如图1.2（左）所示。

由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图2.3（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。

图1晶闸管内部结构及等效电路

3）晶闸管的门极触发条件

（1）:

晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；

（2）：

晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；

（3）：

晶闸管一旦导通门极就失去控制作用；

（4）：

要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下。

晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流ＩＧ的电路称为门极触发电路。

也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

第三章主电路的设计

3.1系统总设计框图

系统原理方框图如2所示：

图2.系统原理方框图

3.2系统主体电路原理及说明

图3阻感性负载电路（a）工作波形（b）

假设，工作于稳定状态，负载电流连续，近似为一平直的直线。

（1）工作原理

在电源电压

正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在

时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在，

过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。

输出电压的波形出现了负值部分。

在电源电压

负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在

时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在

时，电压

过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。

值得注意的是，只有当

时，负载电流

才连续，当

时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是

。

（1）

输出电压平均值

和输出电流平均值

（1）

（2）

（2）晶闸管的电流平均值

和有效值

（3）

（4）

（3）输出电流有效值I和变压器二次电流有效值

（5）

（4）晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压均为

3.3原理图分析

该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发电路构成。

输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。

在电路中还加了防雷击的保护电路。

然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。

整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。

在电路中,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护,而过压保护则采用RC电路。

这部分的选择主要考虑到电路的简单性，所以才这样的保护电路部分。

整流部分电路则是根据题目的要求，选择的我们学过的单相桥式整流电路。

该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能。

触发电路是由设计题目而定的，题目要求了用单结晶体管直接触发电路。

单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大，而且由于是直接触发电路它的结构比较简单。

一方面是方便我们对设计电路中变压器型号的选择。

第四章元件和电路参数计算

4.1晶闸管的主要参数说明：

1、额定电压UTn

通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。

在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压

UTn=（2～3）UTM

UTM：

工作电路中加在管子上的最大瞬时电压

2、额定电流IT（AV）

IT（AV）又称为额定通态平均电流。

其定义是在室温40°和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。

将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。

ITn：

额定电流有效值，根据管子的IT（AV）换算出，

IT（AV）、ITMITn三者之间的关系：

（6）

（7）

3、维持电流IH

维持电流是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。

维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。

4、掣住电流IL

晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件

导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。

一般掣住电流比维持电流大（2～4）倍。

5、通态平均管压降UT（AV）。

指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正

弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.4～1.2V。

6、门极触发电流Ig。

在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所用

的门极电流，一般为毫安级。

7、断态电压临界上升率du/dt。

在额定结温和门极开路的情况下，不会导致

晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。

一般为每微秒几十伏。

8、通态电流临界上升率di/dt。

在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电

流上升率。

若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。

9、波形系数：

有直流分量的电流波形，其有效值

与平均值

之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。

（7）

额定状态下，晶闸管的电流波形系数

（8）

4.2晶闸管的选型

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。

Udmax=190V时，不计控制角余量按

计算

由

得

=211V

考虑2倍裕量：

直接

取422V

晶闸管的选择原则：

Ⅰ、所选晶闸管电流有效值

大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。

Ⅱ、选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。

即

当

时，

晶闸管额定电流

考虑2倍裕量：

取6.4A

所以在本次设计中我选用4个KP10-3的晶闸管。

第五章系统仿真

带电阻电感性负载的仿真：

启动MATLAB，进入SIMULINK后建文档，绘制单相桥式全控整流电路模型，如图，双击各模块，在出现的对话框内设置模块。

5.1仿真电路图（图4）

图4，仿真接线图

5.2触发电路的设计图

图5触发电路参数设计

5.3触发角为0时的各个波形

图6触发角为0，L=0.01，R=100

5.3触发角为30是的波形

图7触发角为30，L=0.01，R=100

图8触发角为30，L=0.001，R=100

图9触发角为30，L=0.01，R=10

图10触发角为30，L=0.001，R=10

5.4触发角为60

图11触发角为60，L=0.01，R=100

图12触发角为60，L=0.001，R=100

图13触发角为60，L=0.01，R=10

图14触发角为60，L=0.001，R=10

5.5触发角90

图15触发角为90，L=0.01，R=100

图16触发角为90，L=0.001，R=100

图17触发角为90，L=0.01，R=10

图18触发角为90，L=0.001，R=10

第五章波形分析

阻感性负载的单相桥式可控整流电路，假设电感足够大，负载电流保持连续且基本持平，电路已处于稳定。

在U2正半周，如在WT=a时刻给VT1和VT4门极施加触发脉冲Ug，VT14，VT4导通，如果忽略晶闸管的导通压降，则Ud=U2，电流从电源a端经VT1,负载，VT4流回电源b端。

至WT=3.14时，U2=0V。

但流过晶闸管VT1,VT4的电流并没有降为0，因为此前电感中的储能并没有释放完，需要继续释放，一部分向负载电阻供电，一部分经变压器返回电网，电感要阻止电流的变化，在电感的作用下电流会沿着原来的方向继续流动，此时尽管U2已经转到负半周，但VT1和VT4任会继续导通，直到WT=3.14+a，给VT2和VT3施加触发脉冲，由于此时VT2和VT3已承受正呀，VT2和VT3导通，U2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反向电压使之关断也是原来流过VT1和VT4的电流虚实一道VT2和VT3上实现换流，依次类推。

阻感性负载的电阻不同而导致其波形也不相同，并且电阻的大小决定了晶闸管的电压也有细微的波形变化，i2和id波形也将变化，这由于负载的变化所决定的；而当电感变化时，电流的续流能力也将变化，如果太小甚至出现断流，这是由电感的特性所决定的；而触发角不同，晶闸管的导通时间也将不同，从而使整流电压得到控制，这也是可控整流电压的最重要的一点，他是实现电压可控的重要部分，可以从图中看出他的平均电压Ud将不同，而这和理论基本相符合，各个波形也彻底的改变。

有的波形与理想波形有一定的差距，这是由于器件的参数所造成的需要修改参数进行再次看波形，直到与理想波形一致。

第六章设计总结

这次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在课本中没有完全介绍的。

要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到了很多相关的知识，为这次课程设计做了很多帮助。

对于课程设计的内容，首先要做的应是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。

整流电路中，基本元件的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。

设计过程中，我明白了整流电路，尤其是单相全控桥式整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。

这次的课程设计是我设计时间最长的一次，也是收获最大的一次。

虽然设计过程中遇到很多问题，尤其是保护电路的设计，因为课上没有讲到保护电路的内容，保护电路的理解不够全面，设计的时候是一头雾水，但还是在老师的帮助下，我一一解决了。

整个课程设计过程中，由于理论知识的缺乏，以及对课程设计的不熟悉，课程设计还有很多不足之处，在以后的课程设计中，在将来自己通过学习进行改正。

在这里谢谢老师您的指导

参考文献

（1）浣喜明，姚为正《电力电子技术》高等教育出版社2004

（2）黄俊《半导体交流技术》机械工业出版社1980

（3）李传琦《电力电子技术计算机仿真实验》电子工业出版社2006

（4）王兆安，刘进军《电力电子技术》机械工业出版社2009

（5）李先允《电力电子技术》中国电力出版社2010