1、XX大學課 程 設 計 說 明 書學生姓名： 學 號： 學 院： 信息與通信工程學院 專 業(yè)： 自動化 題 目： 單相橋式全控整流電路設計 （純電阻負載、反電勢電阻負載） 指導教師： 職稱: 2011年12月31日中北大學課程設計任務書 11/12 學年第 一 學期學 院： 信息與通信工程學院 專 業(yè)： 自動化 學 生 姓 名： 學 號： 課程設計題目： 單相橋式全控整流電路設計 （純電阻負載、反電勢電阻負載） 起 迄 日 期： 12月25日 12月31日 課程設計地點： 實驗中心 指 導 教 師： 系 主 任： 下達任務書日期: 2011年 12月 25 日課 程 設 計 任 務 書1設計目

2、的：1）培養(yǎng)學生文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資料。2）培養(yǎng)學生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3）培養(yǎng)學生運用知識的能力和工程設計的能力。4）提高學生課程設計報告撰寫水平。2設計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術參數(shù)、條件、設計要求等）：設計內(nèi)容：1、設計一個單相全控橋式晶閘管整流電路（純電阻負載）設計要求： 1）電源電壓：交流100V/50Hz；2）輸出功率：500W；3）移相范圍：0180。2、設計一個單相全控橋式晶閘管整流電路（反電勢電阻負載）設計要求：1）電源電壓：交流100V/50Hz；2）輸出功率：500W；3）移相范圍：30150；4）反電勢：

3、 E=70V。3設計工作任務及工作量的要求包括課程設計說明書、圖紙、實物樣品等：設計工作任務及工作量的要求：1）根據(jù)課程設計題目，收集相關資料、設計主電路和觸發(fā)電路； 2）用Multisim等軟件制作主電路和控制電路原理圖；3）撰寫課程設計報告畫出主電路、控制電路原理圖，說明主電路的工作原理，完成元器件參數(shù)計算，元器件選型，說明控制電路的工作原理，用Multisim或EWB等軟件繪出主電路典型的輸出波形（比較實際波形與理論波形），繪出觸發(fā)信號（驅(qū)動信號）波形，說明設計過程中遇到的問題和解決問題的方法，附參考資料。 課 程 設 計 任 務 書4主要參考文獻：1、樊立萍，王忠慶.電力電子技術.北京

4、:北京大學出版社,20062、徐以榮，冷增祥.電力電子技術基礎.南京：東南大學出版社，19993、王兆安,黃俊.電力電子技術.北京：機械工業(yè)出版社,20054、童詩白.模擬電子技術.北京:清華大學出版社, 20015、閻石.數(shù)字電子技術.北京:清華大學出版社, 19986、邱關源.電路.北京：高等教育出版社，19997、賀超英.MATLAB應用與實驗教程.北京：電子工業(yè)出版社，20105設計成果形式及要求：1）撰寫課程設計報告；2）用PROTEL或其它軟件畫出主電路和觸發(fā)電路原理圖；3）用EWB或其它軟件繪出主電路典型波形，觸發(fā)信號（驅(qū)動信號）波形。6工作計劃及進度：2011年 12月25日

5、12月27日 收集資料，計算所需參數(shù)并選定元器件；12月28日 12月29日 完成主電路、控制電路設計；繪出波形圖；12月30日 12月31日 完成課程設計報告，下午答辯。系主任審查意見： 簽字： 2011年12月25日一單相橋式全控整流電路（純電阻負載）1 理論設計1.1 單項橋式全控整流電路帶電阻性負載電路分析單項橋式全控整流電路帶電阻性負載電路如圖（1）： 圖（1）在單項橋式全控整流電路中，晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3 組成另一對橋臂。在u2正半周（即a點電位高于b點電位），若4個晶閘管均不導通，負載電流id為零，ud也為零，VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u2，設VT1和

6、VT4的漏電阻相等，則各承受u2的一半。若在觸發(fā)角處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1、VT4即導通，電流從a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端。當u2為零時，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關斷。在u2負半周，仍在觸發(fā)延遲角處觸發(fā)VT2和VT3（VT2和VT3的=0處為t=），VT2和VT3導通，電流從電源的b端流出，經(jīng)VT3、R、VT2流回電源a端。到u2過零時，電流又降為零，VT2和VT3關斷。此后又是VT1和VT4導通，如此循環(huán)的工作下去，整流電壓ud和晶閘管VT1，和VT4兩端的電壓波形如下圖（2）所示，晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為U2和U2。 1.2 工作原理

7、第1階段（0t1）：這階段u2在正半周期，a點電位高于b點電位晶閘管VT1和VT2方向串聯(lián)后于u2連接，VT1承受正向電壓為u2/2，VT2承受u2/2的反向電壓；同樣VT3和VT4反向串聯(lián)后與u2連接，VT3承受u2/2的正向電壓，VT4承受u2/2的反向電壓。雖然VT1和VT3受正向電壓，但是尚未觸發(fā)導通，負載沒有電流通過，所以Ud=0，id=0。 第2階段（t1 ）：在t1 時同時觸發(fā)VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向電壓而導通，有電流經(jīng)a點VT1RVT3變壓器b點形成回路。在這段區(qū)間里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。由于VT1和VT3導通，忽略管壓降，uVT1=

8、uVT2=0，而承受的電壓為uVT2=uVT4=u2。 第3階段（t2 ）：從t=開始u2進入了負半周期，b點電位高于a點電位，VT1和VT3由于受反向電壓而關斷，這時VT1VT4都不導通，各晶閘管承受u2/2的電壓，但VT1和VT3承受的事反向電壓，VT2和VT4承受的是正向電壓，負載沒有電流通過，ud=0，id=i2=0。第4階段（t2 ）：在t2 時，u2電壓為負，VT2和VT4受正向電壓，觸發(fā)VT2和VT4導通，有電流經(jīng)過b點VT2RVT4a點，在這段區(qū)間里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。由于VT2和VT4導通，VT2和VT4承受u2的負半周期電壓，至此一個周期

9、工作完畢，下一個周期，充復上述過程，單項橋式整流電路兩次脈沖間隔為180。1.3 參數(shù)計算整流電壓平均值為： 角的移相范圍為00-1800。向負載輸出的平均電流值為： 流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半（因為一個周期內(nèi)每個晶閘管只有半個周期導通），即： 1.4晶閘管選型該電路為純電阻負載 時，不計控制角余量按計算由 得 U有效=100V，P=500W所以R= 晶閘管承受的最大反向電壓為，考慮安全余量。則晶閘管額定電壓、所選晶閘管電流有效值大于元件 在電路中可能流過的最大電流有效 值。、 選擇時考慮（1.52）倍的安全余量。即 當時晶閘管流過最大電流有效值IVT=7.84A則晶閘管額

10、定電流IT=7.841.57=4.99A ,取2倍余量，Id=9.99A 所以在本次設計中我選用4個KP20-4的晶閘管。元器件備注數(shù)量電阻201個晶閘管KP10-A4個2 仿真實驗利用MATLAB仿真軟件對單項橋式全控整流電路和控制電路進行建模并仿真。2.1 單相橋式全控整流電路帶電阻性負載MATLAB建模 單相橋式全控整流電路帶電阻性負載仿真電路圖如圖（3）所示：圖（3）2.2 仿真與分析波形圖分別代表晶體管VT上的電壓、變壓器二次側(cè)電流I2，電阻的電壓。下列波形分別是延遲角為30、60、90、120時的波形變化。（1） （1）當延遲角=30時，波形圖如圖（4）所示：（2）當延遲角=60時

11、，波形圖如圖（5）所示：圖（5）（3） 當延遲角=90時，波形圖如圖（6）所示： 圖（6）（3）當延遲角=120時，波形圖如圖（7）所示：圖（7）4.1.1觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求： 觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。 觸發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。由閘管的門極伏安特性曲線可知，同一型號的晶閘管的門極伏安特性的分散性很大，所以規(guī)定晶閘管元件的門極阻值在某高阻和低阻之間，才可能算是合格的產(chǎn)品。晶閘管器件出廠時，所標注的門極觸發(fā)電流Igt、門極觸發(fā)電壓U是指該型號的所有合格器件都能被觸發(fā)導通的最小門極電流、電壓值，

12、所以在接近坐標原點處以觸發(fā)脈沖應一定的寬度且脈沖前沿應盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的，也就是晶閘管的導通需要一定的時間。只有當晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時，晶閘管才能導通，所以觸發(fā)信號應有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導通，為了可靠地、快速地觸發(fā)大功率晶閘管，常常在 觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個觸發(fā)脈沖。 觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導通后才能撤掉，晶閘管對觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應大于產(chǎn)品提出的數(shù)據(jù)，但也不能

13、太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發(fā)導通。 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。單相全控橋式整流電路帶電阻性負載時，要求觸發(fā)脈沖的移項范圍是0度180度，觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個周期都以相同的控制角被觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應該相同，而且要有固定的相位關系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時受控于電壓uc與同步電壓us控制。 強觸發(fā)電流波形圖 觸發(fā)電路圖 因為VT1跟VT3共陰極，所以VT1和VT3可以共一個觸發(fā)器，VT2和VT4分別用一個觸發(fā)器，所

14、以用上圖觸發(fā)電路觸發(fā)VT2和VT4，VT1和VT3可以用類似的一個觸發(fā)器觸發(fā)。2 單相橋式全控整流電路（反電勢負載）1電路結(jié)構與工作原理（1）電路結(jié)構單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）電路圖如下圖所示： 單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）電路圖（2）工作原理1）若是感性負載，當u2在正半周時，在t處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，VT1導通后，電流從u2正端VT1LRVD4u2負端向負載供電。u2過零變負時，因電感L的作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導通。但a點電位低于b點，使電流從VD4轉(zhuǎn)移至VD2，VD4關斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是經(jīng)VT1和VD2續(xù)流，則ud=0。2） 在u2負半周t+

15、時刻觸發(fā)VT3使其導通，則向VT1加反壓使之關斷，u2經(jīng)VT3LRVD2u2端向負載供電。u2過零變正時，VD4導通，VD2關斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。此后重復以上過程。2、單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）原理電路單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）仿真電路圖如下圖所示： 單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）仿真電路圖 當晶閘管導通時，輸出端電壓仍是ud=u2，當電流斷續(xù)，晶閘管阻斷時，輸出端電壓Ud=E，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Ud=E+當時，如果觸發(fā)脈沖寬度小于則電路無法工作，如為寬脈沖觸發(fā)，則總是在處觸發(fā)脈沖起作用，其最大輸出平均電壓

16、為可見其最大輸出平局電壓Udm與停止導電角有關。當=900，Udm=，即反電勢E的高度與供電電壓峰值相等的極限情況，實際上這時負載電流為零，電路已不能工作，因此，反電勢越高，停止導電角越大，輸出的電壓就越高，電流斷續(xù)情況越嚴重。 為了改善這種情況，增加導電角，可在電路中串聯(lián)平波電抗器，即變?yōu)殡姼?，反電勢負載。3參數(shù)計算根據(jù)波形得負載端有效電壓U有效=105.15V因為P=500W，E=70，所以R=7.4晶閘管的最大反向電壓為，則額定電壓取3倍余量為424.2V所以流過晶閘管的最大電流有效值IVT=4.75A，則IT=IVT1.57=3.02A，取3倍余量，IT=9.07A元器件備注數(shù)量晶閘管KP10A4個電阻7.41個直流電源E70V1個3、仿真與分析下列所示波形圖中，波形圖分別代表晶體管VT1上的電流和電壓、負載（純電阻）的電流、交流電源的輸出電流、負載（純電阻）的電壓、晶體管VT2上的電壓和電流。下列波形分別是延遲角為30、60、90時的波形變化。（1）當延遲角=30時，波形圖如下圖所示： =30單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）波形圖（2）當延遲角=60時，波形圖如下圖所示： =60單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）波形圖（3）當延遲角=90時，波形圖如下圖所示： =90單相橋式全控整流電路（電阻性反電勢）波形圖3 總結(jié) 通過單相全控橋式整流電路的設計，使