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1、-*工业应用技术学院课程设计任务书题目 单相半控桥式晶闸管整流电路的设计 专业、班级*主要内容、根本要求、主要参考资料等：一、主要内容1电源电压：交流220V/50Hz2输出电压范围：20V-50V3最大输出电流：10A4电源效率不低于70%二、根本要求1、主要技术指标1具有过流保护功能，动作电流为12A；2具有稳压功能。2、设计要求1合理选择晶闸管型号；2完成电路理论设计、绘制电路图、电路图典型波形并进展模拟仿真。二、主要参考资料1 王兆安，黄俊，电力电子技术第4版M，：机械工业，2000.2 王兆安，*明勋，电力电子设备设计和应用手册第2版M，：机械工业，2005.4 康华光，陈大钦，电子
2、技术根底-模拟局部第5版M，：高等教育，2005.4 陈治明，电力电子器件根底M，：机械工业，2005.5 吴丙申，模拟电路根底M，：理工大学，2007.6 马建国，孟宪元，电力设计自动化技术根底M，：清华大学，2004.完 成 期 限：指导教师签名：课程负责人签名：年 月 日1.设计的根本要求1.1 设计的主要参数及要求： 设计要求：1、电源电压：交流220V/50Hz2、输出电压范围：20V-50V3、最大输出电流：10A4、具有过流保护功能，动作电流：12A5、具有稳压功能6、电源效率不低于70%1.2 设计的主要功能单相桥式半控整流电路的工作特点是晶闸管触发导通，而整流二极管在阳极电压
3、高于阴极电压时自然导通。单相桥式整流电路在感性负载电流连续时，当相控角90时，可实现将直流电返送至交流电网的有源逆变。在有源逆变状态工作时，相控角不应过大，以确保不发生换相换流失败事故。2.总体系统的设计2.1 主电路方案论证方案1：单相半控桥式整流电路含续流二极管单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，而且不会导致失控显现，续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。方案2：单相半控桥式整流二极管不含续流二极管不含续流二极管的电路具有自续流能力，但一旦出现异常，会导致：一只晶闸管与两只二极管之间轮流导电，其输出电压失去控制，这种情况称之为失控。
4、失控时的的输出电压相当于单相半波不可控整流时的电压波形。在失控情况下工作的晶闸管由于连续导通很容易因过载而损坏。因为半导体本身具有续流作用，半控电路只能将交流电能转变为直流电能，而直流电能不能返回到交流电能中去，即能量只能单方向传递。经过比较本设计选择方案一含续流二极管的单相半控桥式整流电路能更好的到达设计要求。2.2 主电路构造及其工作原理单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。其使用的电路图如以下图2.1所示。图2.1 主体电路构造原理图在交流输入电压u2的正半周a端为正时，Th1和D1承受正向电压。这时如对晶闸管Th1
5、引入触发信号，则Th1和D1导通电流的通路为u2+Th1RD1u2-。这时Th2和D1都因承受反向电压而截至。同样，在电压u2的负半周时，Th2和D2承受正向电压。这时，如对晶闸管Th2引入触发信号，则Th2和D2导通，电流的通路为：u2-Th2RD2u2+。这时Th1和D1处于截至状态。显然，与单相半波整流相比较，桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍，即输出电压的平均值：输出电流的平均值：2.3 参数计算输出电压平均值：U=0.9U2输出电流平均值：= Ud/Ra) 流过晶闸管电流有效值：I= /波形系数：K= I/=/2交流侧相电流的有效值:I=I续流管电流有效值：I=I令0时，U2=2
6、20V,P出=50V10A=500W。Ud=0.9U2(1+)/2=198VId=P出/Ud=10.8A，Kf=IVT/ Id=/2=0.707，晶闸管的额定电流为：IT= Kf Id/1.57=2.5A,取2倍电流平安储藏，并考虑晶闸管元件额定电流系列取5A。晶闸管元件额定电压U2=100=141.4V，取23倍电压平安储藏，并考虑晶闸管额定电压系列取300V。令时，IVT= Id=Id=10.8A时，此时流过续流二极管的电流最大为10.8A，取2倍电流平安储藏，并考虑晶闸管元件额定电流系列取20A。续流二极管两端的最大电压为Ud=220V, 取23倍电压平安储藏，并考虑晶闸管额定电压系列去
7、220V。所以选择续流二极管额定电压为220V,额定电流为20A的晶闸管和二极管，电感取无穷大，L=150H，R=20。3.硬件电路3.1 系统总体原理框图单相半控桥式整流电路的设计，我们首先对电路原理进展分析，通过分析，结合具体的性能指标求出相应的参数，然后在Matlab仿真软件中建立仿真模型，仿真模型采用交流输入电源，使用晶闸管和二极管作为整流器件，通过不断仿真、调试、不断修改参数，知道符合正确的参数要求。其系统原理框图如以下图2.1其对应波形原理图如图3.1所示图 3.1 系统原理框图图 3.2 波形原理图3.2 驱动电路3.2.1 驱动电路方案方案一：采用专用集成芯片产生驱动信号。专用
8、集成芯片对于整个系统来说非常好：集成度高，不易产生各种干扰；产生的驱动信号准确度高，更便于系统的准确度：简单、省事，易于实现。但是，专用集成芯片的价格比较昂贵且不易购置；对于锻炼个人能力用专用芯片业很难到达效果。方案二：采用LM339、ICL8083等构成的驱动电路虽然效果不是很好，但是它完全是硬件驱动，能更好的锻炼人的知识运用和能力的开发。两个方案相比较而言我选择方案二。3.2.2 驱动电路的设计晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等；所带负载的性质也不一样，如电阻性负载、电阻电感性负载、反电势负载等。尽管不同情况对触发电路的要求也不同，但是
9、其根本的要求却是一样的，具体如下a触发信号应有足够的功率这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流手温度影响会发生变化。例如元件温度为1000C时触发电流、电压值比在室温时低23倍；元件温度为-400C时触发电流、电压值比在室温时高23倍；为了使元件在各种工作条件下都能可靠的触发，可参考元件出厂的实验数据或产品目录，设计触发电路的输出电压、电流值，并留有一定的裕量。一般可取两倍左右的触发电流裕量，而触发电压按触发电流的大小来决定，但是应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。b触发脉冲信号应有一定的宽度普通晶闸管的导通时间一般为6us，故触发脉
10、冲的宽度至少应有6us以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应该更大些，通常为0.5ms1ms，否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的擎住电流时，此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。单结晶体管原理单结晶体管简称UJT又称基极二极管，它是一种只有PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其符号和等效电如以下图3.3所示。图 3.3 单结晶体管的符号和等效电路图结晶体管的特性从图一可以看出，两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。Rbb=r
11、b1+rb2式中：Rb1第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而变化，rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关；发射结是PN结，与二极管等效。假设在两面三刀基极b2，b1间加上正电压Vbb，则A点电压为：VA=rb1/rb1+rb2vbb=rb1/rbbvbb=Vbb式中：称为分压比，其值一般在0.30.85之间，如果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图3.4图 3.4 单结晶体管的伏安特性1当VeVbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。2当VeVbb+VD VD为二极管正向压降约为0.7V，PN结正向导通，Ie
12、显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对应的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Ip和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然Vp=Vbb。3随着发射极电流Ie的不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不再下降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压Vv和谷点电流Iv。4过了V后，发射极与第一基极间半导体内的载流子到达了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢的上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果VeVv，管子重新截止。单结晶体
13、管的主要参数1基极间电阻Rbb发射极开路时，基极b1，b2之间的电阻，一般为210千欧，其数值随温度的上升而增大。2分压比由管子内部构造决定的参数，一般为0.30.85。3eb1间反向电压Vcb1 b2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。4反向电流Ieo b1开路，在额定反向电压Vcb2下，eb2间的反向电流。5发射极饱和压降Veo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。6峰点电流Ip单结晶体管刚开场导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电流。单结晶体管电路如以下图3.5所示，波形图如图3.6所示图 3.5 单结晶体管触发电路图图 3.6 触发信号波形3.3 保护
14、电路3.3.1 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、应用最广泛的一种过电流保护措施。在选择快速熔断时应考虑：1电压等级应根据熔断后快速熔断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接形式确定。快速熔断一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串联于阀侧交流母线或直流母线中。3快速熔断值应小于被保护器件的允许值。4为保护熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。因为晶闸管的额定电流为10A，快速熔断器电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为15A。3.3.2 晶闸管保护电流过流保护：当电力电子变流装置内部*些器件被击
15、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上下；均能引起装置或其它元件的电流超过正常的工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进展适当的过流保护。其保护原理图如以下图3.7所示。过压保护：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，设备自身运行过程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展适当的过压保护。其保护原理图如以下图3.8所示。图 3.7 过流保护原理图图 3.8 过压保护原理图4.电路元件的选择4.1 变压器的选择电源电压：220V/50Hz，输出电压：20V-50V，输出电流：10A，设R=5。变压器一
