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1、电气工程及其自动化专业电力电子技术课程设计任务书班级电气本科1301班学号1310240006姓名张将银川能源学院2015年12月21日目录设计任务书3前言41. 单相双半波晶闸管整流电路主电路的设计51.1晶闸管的结构51.2晶闸管的工作原理51.3晶闸管的基本特性62总电路的设计72.1总电路的原理框图72.2主电路原理图72.3主电路电路参数的计算 83. 相控触发电路的设计103.1相控触发电路工作原理 103.2相控触发芯片的选择 104. 保护电路的设计114.1过电流保护电路设计 114.2过电压保护电路设计 115电路元件的选择125.1整流元件的选择 125.2保护元件的选择
2、136. MATLAB软件的仿真146.1 MTLAB软件的介绍146.2系统建模及电路仿真 146.3系统仿真结果的分析157. 心得体会16参考文献17设计任务书一设计题目：单相双半波晶闸管整流电路的设计（阻感负载）二设计条件：1. 电源电压：交流100V/50Hz2. 输出功率：500W3. 移相范围：090三设计的主要任务：1. 根据课程设计题目，收集相关资料，并设计出主电路和控制电路；2. 用MATLAB软件对设计的电路进行仿真；3. 撰写课程设计报告，并画出主电路，控制电路的原理图，说明其工作原理，以及选择 元件参数，绘制主电路和触发电路的波形，并给出仿真波形，对仿真结果进行分析，
3、附参 考资料。前言电力电子技术通常被分为电力电子器件制造技术和交流技术两个分支。交流技术也称为 电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进 行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。电力电子技术 的应用十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输，电力系统，通信系统，计 算机系统，新能源系统等，在照明，空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。随 着社会的发展，时代的进步，电力电子技术的节能效果也十分显著，各行各业都离不开电 力电子技术，它已经逐步渗入人们的生活。在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路被称为主
4、电路， 电力电子器件是指可以直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器 件。广义上电力电子器件也可分为电真空器件和半导体器件两类。电力电子器件所能处理 电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。因为处理的电功率 较大，为了减少本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。在实际应 用当中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，将电力电子器件分为以下几类： 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型器件，这类 器件主要是指晶闸管及其大部分派生器件。控制信号既可以控制其导通，又可以
5、控制其关 断的电力电子器件被称为全控型器件，可以由控制信号控制其关断。也有不能用控制信号 来控制其通断的电力电子器件，因此也就不需要驱动电路，这就是电力二极管，又称为不 可控器件。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的设计1.1晶闸管的结构晶闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器。如图所示为晶闸管的结构和电气 图形符号。晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，分别命名为 P N P N四个区。P1 1 2 2 1 区引出阳极A，N区引出阴极K，P区引出门极G。四个区形成 J J J三个 结。22123如果正向电压加到器件上，则J处于反向偏置状态，器件A,K
6、两端之间处于阻断状态，2只能流过很小的漏电流；如果反向电压加到器件上，则J和J反偏，该器件也处于阻断1 2 状态，仅有极小的反向漏电流通过。I AA K晶闸管结构图形符号晶闸管电气图形符号12晶闸管的工作原理晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图所示。若在器件上取一倾斜 的截面，则晶闸管可以看作由P N P和N P N构成的两个晶体管V，V组112 12 2 1 2合而成。如果外电路向门极注入电流1 ,也就是注入驱动电流，则1 流入晶体管VGG2的基极，即产生集电极电流1 ,它构成晶体管V的基极电流，放大成集电极电流1，C 21C1又进一步增大 V的基极电流，如此形成强烈的正反馈，
7、最后 V 和V进入完全饱和2 1 2状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流1，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会任然维持导通状态。而若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电 压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以 下，晶闸管才能关断。所以，对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 的电路称为门极触发电路。也正是由于通过其门极只能控制其开通，不能控制 G其关断，晶闸管才被称为半控型器件。EAK晶闸管的双晶体管模型晶闸管的工作原理图13晶闸管的基本特性1.静态特性总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下
8、：(1) 当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) 当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开通。(3) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管 都保持导通。(4) 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的 电流降到接近于零的某一数值以下。2. 动态特性晶闸管开通和关断的动态过程的物理机理很复杂，其开通过程描述的是使门极在坐 标原点时刻开始受到理想阶跃电流触发的情况。由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间， 再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。而关
9、 断过程描述的是对已导通的晶闸管，外电路所加电压在某一时刻突然由正向变为反向的情 况。由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时, 其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程。2总电路的设计21总电路的原理框图如图所示，总电路主要由四部分组成，其中有电源，整流电路，触发电路和保护 电路。输入的信号经过变压器后通过保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于 损坏晶闸管和负载。将经变压和保护后的信号输入整流电路中。另外，选取快速熔断器做 过流保护，用RC电路做过压保护，从而利用晶闸管的开关特性实现该电路的功能。触发电路单项电源1.、变压器,|整流主Z负载电路输出 /*
10、电路总电路的原理框图2.2主电路原理图单向双半波可控整流电路中变压器为二次绕组带中心抽头，结构较复杂。而且该电路 中只用两个晶闸管，但晶闸管承受的最大电压为2、迈U 2，且导电回路中只含一个晶闸 管。当负载由电阻和电感组成时称为阻感负载，由于电感储能，而且储能不能突变，因此 在电感变化时，电感两端将产生感应电动势，引起电压降。负载中电感量的大小不同，整 流电路的工作情况及输出 U 1的波形具有不同的特点。当负载电感量L较小时，负载 d d上的电流不连续；当电感L增大时，负载上电流不连续的可能性就会减小；当电感很大， 且 L远大于R时，这种负载为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流的变化，负 d
11、d载电流连续时可看作一条水平直线。TVT1主电路原理图如图所示，在电源电压正半周期间，晶闸管VT 承受正向电压，VT 承受反向电1 2压。若在 t=a时触发，VT 导通，电流经，阻感负载和T二次侧中心抽头形 1 1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VT继续导通，1 直到VT 被触发时，VT承受反相电压而截至。2 1在电源电压负半周期间，晶闸管VT承受正向电压，在t =a+兀时触发，VT导2 2 通，VT反向截至，负载电流从VT 中换流至中。在t=2兀时，电压过零，VT1 1 2 2 因电感L中的感应电动势一直导通，直到下一个周期VT导通时。1只有当兀/2时，负载电
12、流才连续，当a 叫2 时，负载电流不连续，而且输出 电压的平均值接近于零，因此该电路控制角的移相范围是0K-2。2.3主电路电路参数的计算(1)在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为:Ud=少7U2Si血血）=2迈 U COSa = 0.9U COSavA_兀22由设计要求可知：输出功率P=500W，U2=100V,则输出电压平均值U 的最大值为:dU =100X0.9X1=90 (V)d所以，当a在0兀辽 范围内变化时，整流器可在045 V范围内取值。(2) 整流电流输出平均值为:50090=5.56 A(3) 在一个周期内每组晶闸管各导通180度，两组轮流导通，整流变压器二次电流是正
13、，负对称的方波，电流的平均值1和有效值/相等，其波形系数为1。 d1流过每个晶闸管的电流平均值1与有效值1分别为：dVTVTI =11 = 1X 5.56 = 2.78AdVT 2 d 2X 5.56 = 3.93A(4) 晶闸管在导通时管压降u = 0，故其波形为与横轴重合的直线段，VT1和VT2加正 r向电压，但触发脉冲还没到时间，VT3,VT4已导通，把整个电压U2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2.2U ； VT1和VT2反向截止时漏电流为2零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压U 2加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受 的最大反向电压也为2迈U。23.
14、相控触发电路的设计31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。（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擎住电流而维持导通。（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。32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使用于单向，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
15、180度的移相脉冲，可以方便的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。单结晶体管触发电路由单结晶体管构成，该触发电路具有简单，可靠，抗干扰能力 强，温度补偿性能好，脉冲前沿陡等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。它 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所示5Vr-oJ10口121415*-hE一丄L.相控触发电路图4保护电路的设计41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
