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单相桥式可控整流电路的设计

什么是整流电路整流电路(Rectifying circuit)把交流电能转换为直流电能的电路。

大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。

它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。

整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。

20世纪70年代以后,主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。

滤波器接在主电路与负载之间,用于滤除脉动直流电压中的交流成分。

变压器设置与否视具体情况而定。

变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

可以从各种角度进行分类,主要分类方法有:按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种;按电路结构可分为桥式电路和零式电路;按交流舒服相数分为单相电路和多相电路;按变压器二次电流的方向是单相或双向,又分为单拍电路和双拍电路。

整流电路的发展与应用力电子器件的发展对电力电子的发展起着决定性的作用,因此不管是整流器还是电力电子技术的发展都是以电力电子器件的发展为纲的,1947年美国贝尔实验室发明了晶体管,引发了电子技术的一次革命;1957年美国通用公司研制了第一个晶体管,标志着电力电子技术的诞生;70年代后期,以门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管(BJT)和电力场效应管(power-MOSFET)为代表的全控型器件迅速发展,把电力电子技术推上一个全新的阶段;80年代后期,以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表的符合型器件异军突起,成为了现代电力电子技术的主导器件。

另外,采用全控型器件的电路的主要控制方式为PWM脉宽调制式,后来,又把驱动,控制,保护电路和功率器件集成在一起,构成功率集成电路(PIC),随着全控型电力电子器件的发展,电力电子电路的工作频率也不断提高。

同时,电力电子器件的开关损耗也随之增大,为了减小开关损耗,软开关技术便应运而生,零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)把电力电子技术和整流电路的发展推向了新的高潮。

说主要任务本次设计的主题是设计一个单相桥式电路。

确定设计方案,通过方案来设计各个单元电路,如触发电路、保护电路等。

根据要求计算参数,包括触发角的选择,输出平均电压,输出平均电流,输出有功功率计算,输出波形分析,器件戈定参数确定等。

完成这些后,将各个单元电路衔接起来,并完成主电路的设计。

然后再用MATLAB软件仿真,如有错误进行修改,最后将仿真图形保存下来。

课程设计的总体要求(1)熟悉整流和触发电路的基本原理,能够运用所学的理论知识分析设计任务。

(2)掌握基本电路的数据分析、处理;描绘波形并加以判断。

(3)能正确设计电路,画出线路图,分析电路原理。

(4)按时参加课程设计指导,定期汇报课程设计进展情况。

(5)广泛收集相关技术资料。

(6)独立思考,刻苦钻研,严禁抄袭。

(7)按时完成课程设计任务,认真、正确地书写课程设计报告。

(8)培养实事求是、严谨的工作态度和认真的工作作风。

第一章 主电路的原理与设计1. 设计方案及原理1.1 原理方框图主电路保护电路触发电路电源图1.1 电路结构框图1.2 主电路的设计电阻负载主电路主电路原理图如下:1.3 主电路原理说明1.3.1电阻负载主电路原理(1)在u2正半波的(0~α)区间,晶闸管VT1、VT4承受正向电压,但无触发脉冲,晶闸管VT2、VT3承受反向电压。

因此在0~α区间,4个晶闸管都不导通。

假如4个晶闸管的漏电阻相等,则Ut1.4=Ut2.3=1/2u2。

(2)在u2正半波的(α~π)区间,在ωt=α时刻,触发晶闸管VT1、VT4使其导通。

(3)在u2负半波的(π~π+α)区间,在π~π+α区间,晶闸管VT2、VT3承受正向电压,因无触发脉冲而处于关断状态,晶闸管VT1、VT4承受反向电压也不导通。

(4)在u2负半波的(π+α~2π)区间,在ωt=π+α时刻,触发晶闸管VT2、VT3使其元件导通,负载电流沿b→VT3→R→VT2→α→T的二次绕组→b流通,电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上,负载上有输出电压(ud=-u2)和电流,且波形相位相同。

1.4整流电路参数的计算电阻负载的参数计算如下:(1) 整流输出电压的平均值可按下式计算U d=0.45U2(1+cos) (1-1)当α=0时,取得最大值,即= 0.9 ,取=100V则U d =90V,α=180o 时,=0。

α角的移相范围为180o。

(2) 负载电流平均值为I d=U d/R=0.45U2(1+cos)/R (1-2)(3)负载电流有效值,即变压器二次侧绕组电流的有效值为I2=U2/R (1-3)(4)流过晶闸管电流有效值为IVT= I2/ (1-4)1.5 元器件的选择晶闸管的选取晶闸管的主要参数如下:①额定电压U TN通常取和中较小的,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,额定电压应为正常工作峰值电压的2~3倍,以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压U TN=(2~3)U TM (2-1) U TM:工作电路中加在管子上的最大瞬时电压②额定电流I T(AV)I T(AV) 又称为额定通态平均电流。

其定义是在室温40°和规定的冷却条件下,元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中,结温不超过额定结温时,所允许的最大通态平均电流值。

将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。

在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大,只要其最大电流有效值不大于额定电流的有效值,散热冷却符合规定,则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。

在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大,只要其最大电流有效值不大于额定电流的有效值,散热冷却符合规定,则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。

1.6 对于电阻负载的单相桥式全控整流电路计算为:取U2=100V,当α<90°当0 o时Ud=100V,P=500W,由P=U2/R得出R=20带入(1-2)、(1-3)和(1-4)得,负载电流I2的有效值,即I2=5A流过晶闸管的电流有效值I VT=3.53A额定电流I T(AV) =2.25A则电流定额为1.5的额定电流为3.37A第二章 触发器的设计2.1 晶闸管的触发电路图2.1 晶闸管触发电路图2.2 晶闸管触发电路工作原理(1) 由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。

(2) 当V1、V2导通时,通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。

(3) VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。

(4) 为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分,还需适当附加其它电路环节。

晶闸管触发电路应满足下列要求:A、触发脉冲的宽度应该保证晶闸管的可靠导通,对感性和反电动势负载的变流器采用宽脉冲或脉冲列触发,对变流器的启动,双星型带平衡电抗器电路的触发脉冲应该宽于30°,三相全控桥式电路应小于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。

B、脉冲触发应有足够的幅度,对户外寒冷场合,脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3—5倍,脉冲前沿的陡度也要增加。

一般需达1-2A/us所提供的触发脉冲不应超过晶闸管门极的电压、电流和额定功率,且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。

并且应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及主电路的电气隔离。

第三章 仿真分析与调试3.1 单相全控桥式整流电路(电阻性负载)仿真电路图图4.1 单相桥式全控整流电路(电阻性负载)仿真电路图3.2仿真与分析波形图分别代表晶体管VT14上的电流I14、晶体管VT14上的电压U14、电阻负载上的电压Ud,电阻负载上的电流Id。

下列波形分别是延迟角α为30°、60°、90°、120°时的波形变化。

(1)当延迟角α=30°时,波形图如图4.2所示:图4.2 α=30°单相桥式全控整流电路(电阻性负载)波形图(2)当延迟角α=60°时,波形图如图4.3所示:图4.3 α=60°单相桥式全控整流电路(电阻性负载)波形图(3)当延迟角α=90°时,波形图如图4.4所示:图4.4 α=90°单相桥式全控整流电路(电阻性负载)波形图(4)当延迟角α=120°时,波形图如图4.5所示:图4.5 α=120°单相桥式全控整流电路(电阻性负载)波形图3.3单相全控桥式整流电路小结单相全控桥式整流电路(电阻性负载)是典型单相全控桥式整流电路,共用了四个晶闸管,两只晶闸管接成共阳极,两只晶闸管接成共阴极,每一只晶闸管是一个桥臂,桥式整流电路的工作方式特点是整流元件必须成对以构成回路,负载为电阻性。

3.4画图与调试过程中遇到的问题和解决问题的方法问题(一)开始进入画图软件时一点都不知道怎么去调用各种元器件。

解决方法:在网上看了个视频就差不多可以画完问题(二)在最后进入调试阶段,显示的波形不对解决方法:仔细检查个各元器件的参数是不是正确。

检测示波器的量程有没有选对,最后发现是我的示波器量程没选对第四章心得与体会通过这次对单相桥式全控整流电路的课程设计,让我对整流电路有了更加清晰的认识,同时也对触发电路和保护电路也有了更深刻的认识,这次课程设计应用到各种软件,设计时借助各种软件进行系统模型仿真,用各种软件对该电路进行分析,大大简化了计算和绘图步骤。

书写课程设计说明书时使用WORD软件,使我掌握了许多关于WORD编辑和排版技巧,提高了自身对一些基本软件的应用技能。

总之,这次课程设计不仅增加了我的知识积累,让我有机会将课堂上所学的电力电子理论知识运用到实际中, 这次课程设计的每个实验细节和每个数据,都离不开老师您的细心指导。

帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

由于本人的设计能力有限,在设计过程中难免出现错误,恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正,本人将万分感谢。

参考文献[1] 王兆安,黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2008[2] 黄俊,秦祖荫.电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,1991[3] 林渭勋.现代电力电子技术. 北京:机械工业出版社,2006[4] 王维平.现代电力电子技术及应用.南京:东南大学出版社,1999[5] 叶斌.电力电子应用技术及装置.北京:铁道出版社,1999[6] 马建国,孟宪元.电子设计自动化技术基础.北京:清华大学出版社,2004[7] 马建国.电子系统设计.北京:高等教育出版社,2004[8] 王锁萍.电子设计自动化教程.四川:电子科技大学出版社2002。

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