1、電子技術(shù)課程設(shè)計說明書單相橋式全控整流電路設(shè)計學(xué)生姓名： 學(xué)號：學(xué)院：計算機與控制工程學(xué)院-專業(yè)：電氣工程及其自動化-指導(dǎo)教師：李靜 李郁峰-2016年 1 月目 錄1引言 11.1整流電路 11.2整流電路的發(fā)展與應(yīng)用 12 課程設(shè)計目的與要求12.1課程設(shè)計目的12.2課程設(shè)計的預(yù)備知識22.3 課程設(shè)計要求23元器件的選擇23.1晶閘管23.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)23.1.2晶閘管的工作原理圖23.1.3晶閘管的門極觸發(fā)條件33.1.4晶閘管的主要參數(shù)說明33.2 可關(guān)斷晶閘管44電路的結(jié)構(gòu)與工作原理54.1電路結(jié)構(gòu)54.2 工作原理54.3基本數(shù)量關(guān)

2、系55 MATLAB仿真65.1 MATLAB軟件介紹65.2 系統(tǒng)建模與參數(shù)設(shè)置65.2.1 仿真圖形65.2.2模型參數(shù)設(shè)置75.3 仿真結(jié)果與分析86 結(jié)論9參考文獻9致 謝91引言 1.1整流電路 整流電路是電力電子中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。大多數(shù)整流電路由變壓器.整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調(diào)速,發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié),電解,電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。20世紀70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中交流成分。變壓器設(shè)置與否是具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交

3、流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。可以從各種角度對整流電路進行分類，主要的分類方法有：按組成的期間可分為不可控，半控，全控三種；按電路的結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入詳述分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)的方向是單向還是雙向，又可分為單拍電路和雙拍電路。 1.2整流電路的發(fā)展與應(yīng)用 電力電子器件的發(fā)展對電力電子的發(fā)展起著決定性的作用。1947年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命；70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）.電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應(yīng)晶體管（power-MOSFET）為代表的全控型器

4、件發(fā)展迅速，把電力電子技術(shù)推上一個全新的階段；80年代后期，以絕緣極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起，成為了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。另外，采用全控型器件的電路的主要控制方式為PWM脈寬調(diào)制式，后來，又把驅(qū)動，控制，保護電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC），隨著全控型電力電子器件的發(fā)展，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。同時，電力電子器件的開關(guān)損耗也隨之增大，為了減小開關(guān)損耗，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運而生，零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）把電力電子技術(shù)和整流電路的發(fā)展推向了新的高潮。2 課程設(shè)計目的與要求2.1課程設(shè)計目的“電力電子技術(shù)”課程設(shè)計是在教學(xué)及實

5、驗基礎(chǔ)上，對課程所學(xué)理論知識的深化和提高。因此，通過電力電子計術(shù)的課程設(shè)計達到以下幾個目的：（1）培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識，并設(shè)計出具有電壓可調(diào)功能的直流電源系統(tǒng)的能力；（2）較全面地鞏固和應(yīng)用本課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌整流電路設(shè)計的基本方法。（3）培養(yǎng)獨立思考、獨立收集資料、獨立設(shè)計的能力；（4）培養(yǎng)分析、總結(jié)及撰寫技術(shù)報告的能力。2.2課程設(shè)計的預(yù)備知識熟悉電力電子技術(shù)課程、電機學(xué)課程的相關(guān)知識。2.3 課程設(shè)計要求1、單相橋式全控整流的設(shè)計要求為： 1.電源電壓：交流100V/50Hz2.輸出功率：500W3.觸發(fā)角4.反電勢、電阻負載，E=75V根據(jù)課程設(shè)計題目和設(shè)計條件，

6、說明主電路的工作原理、計算選擇元器件參數(shù)。3元器件的選擇3.1晶閘管晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代; 20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域，成為功率低頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型-普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率器件，工作時產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。引出陽極A、陰極K和

7、門極（或稱柵極）G三個聯(lián)接端。內(nèi)部結(jié)構(gòu):四層三個結(jié)如圖2.2晶閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個電極，如圖1.2(左)所示。由于具有擴散工藝，具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可以等效成如圖2.3（右）所示的兩個晶閘管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。圖2.1晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和模塊外形a)晶閘管外形 b)內(nèi)部結(jié)構(gòu) c)電氣圖形符號 d)模塊外形圖2.2 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路晶閘管的門極觸發(fā)條件（1） 晶閘管承受

8、反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通； （2）晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通；（3）晶閘管一旦導(dǎo)通門極就失去控制作用；（4）要使晶閘管關(guān)斷，只能使其電流小到零以下。晶閘管的驅(qū)動過程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于能過門極只能控制其開通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。晶閘管的主要參數(shù)說明1、額定電壓通常取和中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓

9、=（23）：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓 2、額定電流又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40°和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負載流過正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°的電路中，結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。：額定電流有效值，根據(jù)管子的 換算出， 、 三者之間的關(guān)系： (5-2-1)(5-2-2)3.2 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管簡稱GTO可關(guān)斷晶閘管的工作原理：圖3.1GTO的結(jié)構(gòu)、等效電路和圖形符號GTO的導(dǎo)通機理與SCR是完全一樣的。 GTO一旦導(dǎo)通之后，門極信號是可以撤除的，在制作

10、時采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和，而不像普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。 GTO在關(guān)斷機理上與SCR是不同的。門極加負脈沖即從門極抽出電流（即抽出飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子），強烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。4電路的結(jié)構(gòu)與工作原理4.1電路結(jié)構(gòu)圖 4.1 單相橋式全控整流電路(反電勢負載)的電路原理圖圖 4.2 單相橋式全控整流電路(反電勢負載)的電路波形4.2 工作原理當整流電壓的瞬時值小于反電勢E 時，晶閘管承受反壓而關(guān)斷，這使得晶閘管導(dǎo)通角減小。晶閘管導(dǎo)通時，晶閘管關(guān)斷時，。與電阻負載相比晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)電，稱作停止導(dǎo)電角。

11、 若<時，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負電壓，不可能導(dǎo)通。為了使晶閘管可靠導(dǎo)通，要求觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當于觸發(fā)角被推遲，即=。4.3基本數(shù)量關(guān)系a.直流輸出電壓平均值b.輸出電流平均值C.流過晶閘管電流有效值整流輸出電流有效值：因為P=500W，E=75V，則，所以R=14輸出平均電流： 1.79A流過晶閘管的電流平均值：0.89A5 MATLAB仿真5.1 MATLAB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，使用MATLAB對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用

12、MATLAB的Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用Power System工具箱進行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。5.2 系統(tǒng)建模與參數(shù)設(shè)置5.2.1 仿真圖形圖 5.1單相橋式全控整流電路(反電勢負載)的MATLAB仿真模型模型參數(shù)設(shè)置在此電路中，輸入電壓的電壓設(shè)置為100V，頻率設(shè)置為50Hz，電阻阻值設(shè)置為14歐姆，脈沖輸入的周期設(shè)置為0.02（與輸入電壓一致周期），觸發(fā)角分別設(shè)置為30°，因為兩個晶閘管在對應(yīng)時刻不斷地周期性交替導(dǎo)通，關(guān)斷，所以脈沖出發(fā)周期應(yīng)相差180°。a.交流電源參數(shù)圖5.2

13、交流電壓源參數(shù)設(shè)置b.同步脈沖信號發(fā)生器參數(shù)圖5.3觸發(fā)角為30°時，觸發(fā)信號參數(shù)設(shè)置圖5.4觸發(fā)角為210°時，觸發(fā)信號參數(shù)設(shè)置c.負載上的參數(shù)設(shè)置R=10，反電動勢U=75Vd.示波器參數(shù)示波器八個通道信號從上到下依次是：1.電源電壓；2.輸入電流；3.觸發(fā)信號1； 4.觸發(fā)信號2；5.晶閘管電壓；6.流過晶閘管；7.電流負載電流；8.負載兩端的電壓。5.3 仿真結(jié)果與分析圖 5.5單相橋式全控整流電路仿真結(jié)果(反電勢負載)當我們在電阻性負載上面再加一個反電勢時，電路中當電樞電感不足夠大時，輸出電流波形斷續(xù)，使晶閘管-電動勢系統(tǒng)的機械性變軟，為此通常在負載回路串接平波電

14、抗器以減小電流脈動，延長晶閘管導(dǎo)通時間，如果電感足夠大，電流就能連續(xù)。單相全控橋式整流電路主要適用于4KW左右的整流電路，與單相半波可控整流電路相比，整流電壓脈動減小，每周期脈動倆次。變壓器二次側(cè)流過正反倆個方向的電流，不存在直流磁化，利用率高。6 結(jié)論當晶閘管導(dǎo)通時，輸出端電壓仍是100v，當電流斷續(xù)，晶閘管阻斷時，輸出端電壓即為反電勢電壓，因為輸出平均電壓比電阻負載時高，其輸出平均電壓為83.97v。經(jīng)計算得d=，根據(jù)設(shè)計要求，不滿足>d，即晶閘管不可以正常觸發(fā)導(dǎo)通。參考文獻1.王兆安.電力電子技術(shù).機械工業(yè)出版社.20092.李傳琦.電力電子技術(shù)計算機仿真實驗.電子工業(yè)出版社.20053.洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.機械工業(yè)出版社.20064.鐘炎平.電力電子電路設(shè)計.華中科技大學(xué)出版社.2010致 謝在這次課程設(shè)計的撰寫中，我得到了許多人的幫助。首先我要感謝我的老師在課程設(shè)計上給予我的指導(dǎo)、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次設(shè)計