单相双半波晶闸管整流电路阻感负载 2讲解.docx

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单相双半波晶闸管整流电路阻感负载2讲解

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

题目:

单相双半波晶闸管整流电路的设计（阻感负载）

初始条件：

1、电源电压：

交流200V/50Hz

2、输出功率：

600W

3、移相范围0º~90º

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路、控制电路；

2、用MATLAB/Simulink对设计的电路进行仿真；

3、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，并给出仿真波形，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；

4、通过答辩。

时间安排：

2012.12.24-12.29

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

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。

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。

晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明时期。

晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组。

并且，其应用范围也迅速扩大。

电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。

晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。

对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制式，简称相控方式。

晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。

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仿真软件对单相双半波晶闸管整流电路在阻感负载下进行分析。

关键词：

晶闸管，整流电路，Matlab,仿真，阻感负载，相控方式

单相双半波晶闸管整流电路的设计（阻感负载）

1单相双半波晶闸管整流电路主电路设计

1.1晶闸管的介绍

1.1.1晶闸管的结构

晶闸管是一种4层功率半导体器件，具有3个PN结，其结构和电路符号如图1-1所示。

其中，最外层的P区和N区分别引出两个电极，称为阳极A和阴极K，中间的P区引出控制极（或称门极）。

图1-1晶闸管的结构及电气符号

1.1.2晶闸管的工作原理

晶闸管组成的实际电路如图1-2所示。

图1-2组成的实际电路图

为了说明晶闸管的工作原理，可将其看成NPN和PNP两个三极管相连，用三极管的符号来表示晶闸管的等效电路，如图1-3所示。

图1-3晶闸管双晶体管模型

其工作过程如图1-4所示。

当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UZ而控制极K不加电压时，中间的PN结处于反向偏置，管子不导通，处于关断状态。

图1-4晶闸管工作原理

当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UA，且控制极G和阴极K之间也加正向电压UG时，外层靠下的PN结处于导通状态。

若V2管的基极电流为IB2，则集电极电流Ic2为β2IB2，V1管的基极电流IB1等于Vz管的集电极电流，因而V2的集电极电流Icl为βlβ2，该电流又作为V2管的基极电流，再一次进行上述的放大过程，形成正反馈。

在很短的时间（一般几微秒）两只二极管均进入饱和状态，使晶闸管完全导通。

当晶闸管完全导通后，控制极就失去了控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。

此对管子压降很小，一般为0.6～1.2V，电源电压几乎全部加在负载电阻R上，晶闸管中有电流流过，可达几十至几千安。

要想关断晶闸管，必须将阳极电流减小到不能维持正反馈过程，当然也可以将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极之间加一反向电压。

综上所述，可得如下结论：

1）晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向导通必须具有一定的条件：

阳极加正向电压，同时控制极也加正向触发电压（实际工作中，控制极加正触发脉冲信号）。

2）晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用。

要使晶闸管重新关断，必须做到以下两点之一：

一是将阳极电流减小到小于维持电流IH；二是将阳极电压减小到零或使之反向。

1.1.3晶闸管的伏安特性

晶闸管的导通和截止这两个工作状态是由阳极电压、阳极电流及控制极电流决定的，而这几个量又是互相有联系的，在实际应用上常用实验曲线来表示它们之间的关系，这就是晶闸管的伏安特性曲线，其伏安特性曲线如图1-5所示，可分为正向特性和反向特性曲线两部分。

图1-5晶闸管的伏安特性

1）晶闸管的正向特性

当U>O时对应的特性曲线为正向特性。

由图1-5可知，晶闸管的正向特性分为关断状态OA段和导通状态BC段。

当控制极电流IG=0时，逐渐增加阳极电压U，观察阳极电流I的变他情况。

开始时，三个PN结只有一个导通，晶闸管处于关断状态，只有很小的正向漏电流。

当电压增加到正向转折电压U=UBO时，晶闸管突然导通，进入伏安特性的BC段。

此时晶闸管可通过较大的电流，而管压降很小。

在晶闸管导通后，若减小正向电压，则正向电流就逐渐减小。

当电流小到某一数值时，晶闸管又从导通状态转为阻断状态，这时所对应的最小电流称为维持电流IH。

从图1-5的晶闸管的正向伏安特性曲线可见，当阳极正向电压高于转折电压时，元件将导通。

但是这种导通方法很容易造成晶闸管的不可恢复性击穿而使元件损坏，在正常工作时是不采用的。

晶闸管的正常导通受控制极电流IG的控制，为了正确使用晶闸管，必须了解其控制极特性。

当控制极加正向电压时，控制极电路就有电流IG，晶闸管容易导通，其正向转折电压降低，特性曲线左移。

控制极电流越大，正向转折电压越低。

改变控制极电流IG，控制极电流越大（IGl>IG2>0），转折电压UBO就越低。

2）晶闸管的反向特性

当U

当晶闸管加反向电压时，三个PN结中有两个是反向偏置，只有很小的反向漏电流IR。

反向电压U增加到一定数值后，反向电流急剧增加，使晶闸管反向击穿，将这一电压值称为反向转折电压UBR。

此时，晶闸管的工作状态与控制极是否加触发电压无关。

但晶闸管一旦反向击穿就永久损坏，在实际应用中应避免出现这种状况。

1.2总电路的设计

1.2.1总电路的原理框图

总电路原理图如1-6所示。

图1-6总电路的原理框图

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。

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。

整流部分电路则是根据题目的要求为单相双半波整流电路。

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。

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。

方便我们对设计电路中变压器型号的选择。

1.2.2主电路原理图

单相双半波整流电路如图1-7所示。

图1-7单相双半波整流电路

单相双半波可控整流电路中，变压器T带抽头，在U2正半周，VT1工作,变压器二次绕组上半部分通过电流。

U2负半周，VT2工作，变压器二次绕组下半部分流过反向电流。

由上波形图知,单相双半波可控整流电路的Ud波形与单相全控桥的一样，交流输入端电流波形一样，变压器也不存在直流磁化的问题。

当接其他负载时，也由相同的结论单相全控桥整流电路如图1-8所示。

图1-8单相全控桥整流电路图

因此，单相双半波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是一致的。

二者区别在于：

单相双半波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。

单相双半波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应的，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。

单相双半波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而也少了一次管压降。

单相双半波整流电路阻感负载电路如图1-9所示。

图1-9单相双半波整流电路阻感负载电路图

在电源电压正半周期间，晶闸管VT1承受正相电压，VT2承受反相电压。

若在ωt=a时触发，VT1导通，电流经VT1、阻感负载、和T二次侧中心抽头形成回路，但由于大电感的存在，电压过零变负时，电感上的感应电动势使VT1继续导通，直到VT2被触发时，VT1承受反向电压而截至。

在电源电压负半周期间，晶闸管VT2承受正向电压，在ωt=a+π时触发，VT2导通，VT1反向则截止，负载电流从VT1中换流至VT2中。

在ωt=2π时，电压过零，VT2因电感L中的感应电动势一直导通，直到下一个周期VT1导通时。

只有当a≤π/2时,负载电流才连续,当a>π/2时,负载电流不连续,而且输出电压的平均值接近于零,因此这种电路控制角的移相范围是0~π/2。

1.3相控触发电路设计

1.3.1相控触发电路工作原理

晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。

触发电路对其产生的触发脉冲要求：

1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。

1.3.2相控触发芯片的选择

相控触发电路芯片选择KJ004集成触发电路芯片构成的集成触发器KJ004可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。

器件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。

电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。

触发器KJ004引脚图如图1-10所示。

图1-10KJ004引脚图

触发器KJ004管脚功能如表1-1所示。

表1-1触发器KJ004管脚功能表

功能

输出

空

锯齿波形成

-Vee（1kΩ）

空

地

同步输入

综合比较

空

微分阻容

封锁调制

输出

+Vcc

引线脚号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

单结晶体管触发电路由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。

他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，相控触发电路如图1-11所示。

图1-11相控触发电路图

1.4保护电路设计

1）过电流保护电路设计

当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路，驱动、触发电路或控制电路发生故障，外部出现负载过载；直流侧短路，可逆传动系统产生逆变失败以及交流电源电压过高或过低均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。

因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。

2）过电压保护电路设计

设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。

同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，因此，必须对电力电子装置进行适当的过电压保护。

过流、过压保护电路如图1-12所示。

图1-12过流、过电压保护电路图

2电路参数及元件选择

2.1主电路电路参数计算

1）在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为：

（2-1）

由设计任务有输出功率P=600W,电感L=1000mH，

，则输出电压平均值

的最大值可由下式可求得。

（2-2）

可见，当

在

范围内变化时，整流器可在0~45V范围内取值。

2）整流输出电流平均值为：

（2-3）

3）在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，整流变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值

和有效值I相等，其波形系数为1。

流过每个晶闸管的电流平均值

与有效值

分别为：

=

（2-4）

（2-5）

4）晶闸管在导通时管压降

=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压

加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于

；VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压

加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为

。

2.2电路元件的选择

2.2.1整流元件的选择

由于单相双半波整流带阻性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。

晶闸管的主要参数如下：

1）额定电压UNVT

断态重复峰值电压UDRM是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的峰值电压。

反向重复峰值电压URRM是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

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，额定电压要留有一定裕量，应为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压

UNVT≥（2～3）2

U2（3-1）

UNVT：

工作电路中加在管子上的最大瞬时电压

UNVT=（2--3）2

U2=（282.8-424.3）V

2）额定电流INVT

考虑安全裕量，INVT=

2.2.2保护元件的选择

变压器二次侧熔断器采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。

在选择快熔时应考虑：

1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。

快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。

3）快熔的

值应小于被保护器件的允许

值。

4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。

3MATLAB仿真

3.1MATLAB软件介绍

本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意，主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。

MATLAB是用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。

Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

3.2系统建模及电路仿真

仿真电路如图3-1所示。

图3-1仿真电路图

电路仿真波形如下：

1）当α=0゜时，仿真波形如图3-2所示。

图3-2α=0゜时，仿真波形图

2）当α=60゜时，仿真波形如图3-3所示。

图3-3α=60゜时，仿真波形图

3）

当α=90゜时，仿真波形如图3-4所示。

图3-4α=90゜时，仿真波形图

3.3系统仿真结果及分析

当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。

图3-2、图3-3、图3-4分别是单相双半波晶闸管整流电路仿真模型在

分别为0°、60°、90°时的输出曲线。

从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。

4心得体会

这次电力电子课程设计，不仅对课堂上的知识很好的温习了，还加强了我的动手、思考和解决问题的能力。

通过参加这次电力电子的课程设计，我学到了很多无法在课堂上学到的知识。

在课堂上我们学习的都是理论知识，而课程设计是锻炼我们把那些理论运用到我们实际的生活中。

此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了单相双半波整流电路的原理以及触发电路的设计。

当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高。

另外，通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，还必须把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

作为一名学习自动化的大三学生，我觉得能做类似的课程设计师十分有意义的，而且是十分必要的。

这几天的课程设计让我明白理论知识运用到实践中来有一定的难度，但现实生活中却无处不体现了电力电子知识。

大二也做过类似的课程设计，这次课程设计运用了一些学习软件，让我了解并深入的明白了这些软件的用途。

在这次课程设计过程中，碰到的难题就是对晶闸管的相关参数的计算，因为在学习中没能很好的系统的总结晶闸管相关知识。

在整个课程设计中贯穿的计算过程没能很好的把握。

在今后要认真学习，对电力电子课程进行补充。

为以后的工作做铺垫，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子技术这门课程，把以前一些没弄懂的问题基本掌握了。

参考文献

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M]（第4版）.北京：

机械工业出版社，2000

[2]浣喜明，姚为正.电力电子技术[M].北京：

高等教育出版社，2004.128-145

[3]王兆安,黄俊.电力电子技术[M]（第5版）.北京：

机械工业出版社，2009.19-94

[4]陆秀令,张振飞.电力电子技术实验指导书[M].衡阳：

湖南工学院电气与信息工程系，2010.10-18

[5]周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真[M].北京：

中国电力出版社，2006.188-278

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

课程设计题目：

单相双半波晶闸管整流电路的设计（阻感负载）

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

序号

评定项目

评分成绩

1

选题合理、目的明确（10分）

2

设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）

3

设计结果可信（例如：

系统建模、求解，仿真结果）（25分）

4

态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）

5

设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）

6

答辩（20分）

总分

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日