单相全波整流电路的设计电力电子

1单相全波整流电路的设计摘要随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛应用。但是晶杂管相控整流电路中随着触发角α的增大，电流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就构成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为1。这种整流电路称为高功率因素整流器，它具有广泛的应用前景。电力电子器件是电力电子技术发展的基础。正是大功率晶闸管的发明，使得半导体变流技术从电子学中分离出来，发展成为电力电子技术这一专门的学科。而二十世纪九十年代各种全控型大功率半导体器件的发明，进一步拓展了电力电子技术应用和覆盖的领域和范围。电力电子技术的应用领域已经深入到国民经济的各个部门，包括钢铁、冶金、化工、电力、石油、汽车、运输以及人们的日常生活。功率范围大到几千兆瓦的高压直流输电，小到一瓦的手机充电器，电力电子技术随处可见。关键词：电力电子，整流电路23目录1设计任务................................................................41.1设计目的..........................................................41.2设计内容..........................................................41.3设计要求..........................................................42设计内容...............................................................52.1基本原理介绍......................................................52.2电路设计的经济性论证..............................................62.3主电路设计........................................................62.3.1触发电路....................................................62.3.2形成与脉冲放大环节..........................................82.3.2锯齿波形成与脉冲移相环节....................................82.3.3驱动电路.....................................................92.3.4保护电路.....................................................93参数设定...............................................................123.1180°调压.........................................................123.2移相调压.........................................................144参数计算...............................................错误!未定义书签。4.1计算公式.........................................................164.2参数选择：.......................................................164.3计算：T=1/f=1/50=0.02s...........................................175仿真...................................................................185.1触发角为30度....................................................185.2触发角为90度....................................................195.3触发角为120度...................................................206波形分析...............................................................21心得体会................................................................22参考文献................................................................2341设计任务1.1设计目的电力电子技术课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。因此，要求同学能综合应用所学知识，设计出具有电压可调功能的直流电源系统，能够较全面的巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌控整流电路分析的基本方法。培养学生独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；培养分析、总结及撰写技术报告的能力。1.2设计内容在充分理解单相全波整流电路工作原理的基础上，设计出单相全波整流电路带电阻负载、阻感负载时的电路原理图，使用PSIM软件对所设计的电路带不同负载的情况下晶闸管取三个不同的触发角（要求α＞90°，=90°和＜90°各取一个角度）进行仿真，分别获得Ud、Id、UVT、IVT、I2波形，并对所给出的角度计算上述数值。1.3设计要求1）设计出合理的整流电路图。2）选择不同触发角度，仿真出波形并作计算。3）给出详细的仿真过程描述和详细的计算步骤和过程。52设计内容2.1基本原理介绍单相全波整流电路如图2-1所示，图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压V1变成整流电路要求的交流电压，Rl是要求的直流供电的负载电阻。图2-1原理图单相全波整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，晶闸管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。在v2的正半周，电流从电压器副边线圈的上端流出，只能经过VT1流向Rl，在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。在v1的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过VT2流向Rl，电流流过Rl时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。图2-2工作波形根据上述分析，可得单相全波整流电路的工作波形如图2-2所示。由图可见，通过负载Rl的电流il以及电压vl的波形都是单方向的全波脉动波形。62.2电路设计的经济性论证1）单相全波整流电路中的变压器的二次绕组带中心抽头，结构较复杂。绕组及铁心对铜、铁等材料的消耗比单项全控桥多，在有色金属资源有限的情况下，这是不利的。2）单相全波整流电路中只用两个晶闸管，比单项全控桥式可控整流电路少两个，相应的，晶闸管的门极驱动电路也少两个，但是在单相全波整流电路中，晶闸管承受的最大电压使单相全控桥式整流电路的两倍。3）单相全波整流电路中，导电回路只含一个晶闸管，比单项桥式少一个，因而也少了一次管压降。从上述2）、3）考虑，同时其纹波电压较小，因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高，所以单相全波整流电路适宜于在地输出电压的场合。2.3主电路设计主电路如图2-3所示：图2-3主电路图2.3.1触发电路晶闸管最重要的特性是可控的正向导通特性.当晶闸管的阳极加上正向电压后,还必须在门极与阴极之间加上一个具有一定功率的正向触发电压才能打通,这一正向触7发电压的导通是由触发电路提供的,根据具体情况这个电压可以是交流、直流或脉冲电压。由于晶闸管被触发导通以后，门极的触发电压即失去控制作用，所以为了减少门极的触发功率，常常用脉冲触发。触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。为了保证晶闸管电路能正常，可靠的工作，触发电路必须满足以下要求：触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。由闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散性很大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流Igt、门极触发电压U是指该型号的所有合格器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通，对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为0.5~1MS，相当于50HZ、18度电度角。为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，要求触发脉冲的移项范围是0度~180度，带大电感负载时，要求移项范围是0度~90度；三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是0度~90度。同步电压：来自同步电源(同步电源变压器)，经锯齿波形成电路，得到与电源同步的锯齿波电压。缺少同步电压则不能形成锯齿波电压，将无触发脉冲；锯齿波电压：锯齿波电压与控制电压，偏移电压叠加，在其交叉点形成触发脉冲；没有锯齿波电压，也将无触发脉冲；控制电压：工作时，控制其大小，实现在需要的范围内移相；偏移电压：与控制电压叠加，以确定控制电压为零时，触发脉冲的初始位相位。如果缺少偏移电压，或偏移电压不当，将不能在需要的范围内移相。触发脉冲与主电路电源必须同步。为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角a被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。触发电路同时受控于电压uc与同步电压us控制。晶闸管的触发条件：（1）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）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都才能导通；8（3）晶闸管一旦导通门极旧失去控制作用；（4）要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下晶闸管的分类：晶闸管分为快速晶闸管，逆导晶闸管，双向晶闸管，光控晶闸管，门极可关断晶闸管（GTO），电力晶闸管（GTR），功率场效应晶闸管（MOSFET），绝缘珊双极晶闸管（IGBT），MOS控制晶闸管，集成门极换向晶闸管.静电感应晶体管。2.3.2形成与脉冲放大环节脉冲的形成环节由晶闸管V4、V5组成，V7、V8组成脉冲功率放大环节。控制、电压uct和负偏移相电压up分别经过电阻R6、R7、R8并联接入V4基极。在分析该环节时，暂不考虑锯齿波电压ue3和负偏电压up对电路的影响。对控制电压uct=0时，V4截止，+15V电源通过电阻R11供给V5一个足够大的基极电流，使V5饱和导通，V5的集电极电压接近-15V，所以V7、V8截止，无脉冲输出，同时，+15V电源经R9和饱和晶体管