电力电子课程设计-单相半控桥式晶闸管整流电路(电阻负载).doc

电气工程学院 电力电子 课程设计设计题目： 单相半控桥式晶闸管整流电路（电阻负载） 学号： xxxxxxxx 姓 名: xxxxxx 同 组 人: xxxxxxxxxxxx 指导教师: xxxxxx 设计时间: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 设计地点： 电气学院实验中心 电力电子 课程设计成绩评定表姓 名 学 号课程设计题目： 单相半控桥式晶闸管整流电路（电阻负载)课程设计答辩或提问记录：成绩评定依据：课程设计预习报告及方案设计情况（30)：课程设计考勤情况（15)：课程设计调试情况(30%)：课程设计总结报告与答辩情况(25%）：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字: 年 月 日 电力电子 课程设计任务书学生姓名： 指导教师： 一、课程设计题目： 单相半控桥式晶闸管整流电路（电阻负载)二、课程设计要求1. 根据具体设计课题的技术指标和给定条件,独立进行方案论证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；2. 查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数，对设计方案进行仿真;3. 完成预习报告,报告中要有设计方案，设计电路图,还要有仿真结果；4。 进实验室进行电路调试，边调试边修正方案；5. 撰写课程设计报告-最终的电路图、调试过程中遇到的问题和解决问题的方法.三、进度安排1时间安排序 号内 容学时安排（天）1方案论证和系统设计12完成电路仿真，写预习报告13电路调试24写设计总结报告与答辩1合 计5设计调试地点：电气楼4102执行要求课程设计共5个选题，每组不得超过2人,要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的详细电路（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告雷同。摘要本次课程设计的题目为：单相半控桥式晶闸管整流电路，其中负载为纯电阻负载。电路设计的主要参数及要求:1、电源电压：交流100V/50Hz；2、输出功率:500W；3、移相范围：0-180。对于单相半控桥式晶闸管整流电路（电阻负载）,其电路设计的主要功能为：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高于阴极电压时自然导通。单相桥式半控整流电路在纯电阻负载电流连续时，当相控角180时，可实现将交流电功率变为直流电功率的相控整流，同时,调节触发电路,可改变触发角进行调压;在180时,由于二极管的单相导电性，电路无法实现逆变,输出电压为零。关键词:单相半控桥式晶闸管整流电路、纯电阻负载、相控角调节 AbstractABSTRACT：Curriculum design topics: singlephase halfcontrolled bridge thyristor rectifier circuit, where the load is purely resistive load. The main parameters and requirements of the circuit design： 1, the power supply voltage： AC 100V/50Hz， output power： 500W； 2； 3, the phase shift range： 0 180 。For the single phase half controlled bridge thyristor rectifier circuit （resistive load)， the main function of the circuit design：Characteristics of single phase bridge half controlled rectifier circuit is triggered thyristor turnon， and rectifier diode is higher than that of cathode voltage in the anode voltage natural conduction。Single phase bridge half controlled rectifier circuit load current is continuous in the pure resistance， while the mouldings 180 , can realize the phase control rectifier, AC power into DC power at the same time, adjusting trigger circuit， which can change the trigger angle regulator； when 180 ， because the phase conductivity diode， the circuit can not be achieved inverter, output voltage to zero。KEYWORDS:Single phase half controlled bridge thyristor rectifier circuit， pure resistive load， adjust phase mouldings 目录 第一章 系统方案设计1一、主电路方案设计11.1 主电路方案论证11.2 主电路结构及其工作原理21.3 参数计算31.4 主电路器件选用3二、控制电路方案设计42.1 触发控制电路方案42。1。1 方案一42。1.2 方案二5第二章 仿真8一、主电路仿真81.1 仿真设置81.2 仿真结果10二、控制电路仿真112。1 方案一仿真112。2 方案二仿真132。2。1 各部分电路分析与仿真142。2。2输出控制信号仿真17第三章 电路调试19一、实物制作19二、实际控制信号测量202。1 电路各组成部分输出波形202.2 控制信号输出波形21第四章 结论24第五章 心得体会与建议25参考文献26附录1：元器件清单27 13第一章 系统方案设计一、主电路方案设计1.1 主电路方案论证方案一：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，如图11。图 1-1含续流二极管方案二：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”.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，如图12.图 12不含续流二极管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达到设计要求。1.2 主电路结构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。其使用的电路图如下图2-1所示。图1-3 主体电路结构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：u2Th2RD2u2+。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：1。3 参数计算输出电压平均值：输出电流平均值：流过晶闸管电流有效值：交流侧相电流的有效值：续流管电流有效值：1。4 主电路器件选用：由已知条件可知U1=100V Po=500W 移相范围0180假设R=1。25，=0,可得：输出电压有效值：所以变压器变比:变压器选用变压器容量S=500VA 变比N2取4：1晶闸管选用（考虑裕量）额定电压：额定电流：流过晶闸管电流有效值：晶闸管平均电流(有裕量）：故选用额定电压为100V，通态平均电流为20A的晶闸管。二、控制电路方案设计为保证相控电路的正常工作,很重要的一点是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。2。1 触发控制电路方案对于触发电路通常有如下要求： l 触发电路输出的脉冲必须具有足够的功率；l 触发脉冲必须与晶闸管的主电压保持同步；l 触发脉冲能满足主电路移相范围的要求;l 触发脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡。2.1.1 方案一: 单结晶体管自激振荡电路:1. 电源接通：E通过Re对C充电，时间常数为ReC；2。 Uc增大，达到 UP ,单结晶体管导通，C通过R1放电；3。 Uc减少，达到Uv，单结晶体管截止,R1 下降，接近于零；4。 重复充放电过程.Re的值不能太大或太小，满足电路振荡的Re的取值范围：图21 仿真电路图2.1。2 方案二：图2-2 控制电路原理图图23 仿真电路图主要元器件（1)LM339 LM339引脚图 LM393引脚图 主要功能：LM339内部装有四个独立的电压比较器，每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。在任意一个输入端加一个固定电压做参考电压，另一端加一个待比较的信号电压.当“+端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K).选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。另外,各比较器的输出端允许连接在一起使用。由于本次实验过程中LM339较为紧缺，所以我们改用LM393进行试验，因为LM339与LM393的功能与性能较为接近，只是封装稍有不同。(2）LM324主要功能：LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。“V+”、“V”为正、负电源端,每一个运算放大器有3个引出脚,其中“+”、“为两个信号输入端，还有一个为输出端。两个信号输入端中，“-” 为反相输入端，表示运放输出端的信号与该输入端的位相反；“+”为同相输入端，表示运放输出端的信号与该输入端的相位相同。（3)LM555主要功能：LM555 时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。其中 6 脚为阀值端(TH），是上比较器的输入；2 脚为触发端（TR），是下比较器的输入；3 脚为输出端（OUT），有 0 和 1 两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定；7脚为放电端（DIS)，是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4 脚为复位端（R）；5 脚为控制电压端(CV ),可以用它来改变上下触发电平值；8 脚为电源（VCC），1 脚为地（GND)。(4）74LS08主要功能：内部有四个独立的逻辑“与”门，14端为电源端，7为接地端。各部分电路：图2-4 同步电路图 图25 锯齿波产生电路图图26 比较电路图 图2-7 多谐振荡电路图 图28 “与”电路图具体方案设计与分析请见仿真部分。第二章 仿真一、主电路仿真1.1 仿真设置主电路仿真采用Matlab进行，利用Simulink中模块所建原理图:参数设置:电源参数设置：晶闸管参数设置：二极管参数设置:控制脉冲参数设置: 晶闸管Thyristor1与晶闸管Thyristor2的脉冲相差180。1.2 仿真结果当=0时:考虑晶闸管与二极管自身的压降，电压最大值约为98。4V.仿真结果正确。当=30时：当=90时：当=120时：当=180时：二、控制电路仿真2。1 方案一仿真主控制电路仿真采用Multisim进行，利用Multisim中自带模型所建原理图：此控制电路为主电路其中一个晶闸管的控制电路。其调节电位器Key=A可调节。脉冲仿真结果如下:(图中比例为1V/Div）当=0时：电位器0当=30时：电位器16.7当=90时:电位器50当=120时：电位器66。7当=180时：电位器100由上图可见，其脉冲波形并不如理想模型，而且在调节电位器时,其调节到0或者180附近时就开始呈现不稳定状态，即无法稳定实现0-180的调节范围.2。2 方案二仿真主控制电路仿真采用Multisim进行，利用Multisim中自带模型所建原理图：2。2.1 各部分电路分析与仿真：1）同步电路及移相工作原理：利用LM339构造同步电路，由9V正弦电源与0V接地电位进行比较，当正半周时，“+”端电位比“”端电位高,于是LM339输出高电平，当负半周时，“-”端电位比“+”端电位高，LM339输出低电位;如此重复，产生于正弦电源同相的方波。将LM339的输入端电源反接,通过LM339进行移相，输出与输入正弦波相位差180的方波,如下图所示：2)锯齿波产生电路工作原理:当1）中输出为负电平时，三极管截止。由放大器虚地的概念，LM324的负输入端接近为零.负电平通过电阻R1对电容C1反向充电，使b点电压从零电位随时间按斜率线性上升,一直充到低电平tL结束为止。因为积分器输出电压， .在此处Ui=-12V，Uo=5V，tL=10ms。由此式理论计算得到R1C1=0.024s。经过实验的不断调试，最后得出了来的结果是R1=51k，C1=470F,R1C1=0.02397s，可知与理论计算的结果非常接近。当1)中输出为高电平时,驱动三极管导通，由于三极管导通压降很小,电容C1通过并联在其上的三极管迅速放电，直至下降到0电位为止.然后一直维持为低电平，直到下个负电平又使其反向充电。于是形成了图中所示的锯齿波.3)比较电路工作原理：再次利用LM339构成比较电路，比较信号为上一部分输出的锯齿波和一个可调的05V直流电源，当“+”端电位比“”端电位高时,LM339输出高电平，当“-端电位比“+”端电位高，LM339输出低电位；如此重复，产生于另一个方波信号.通过改变电位器R4的大小，可以改变输入“端的参考电压的值，从而改变输出方波的上升沿,调节范围从0180。4）多谐振荡器电路工作原理:此电路由555和其周围的电阻、电容构成的多谐振荡器，产生一些列的高频脉冲列。接通电源瞬间，电容3上没有电荷，此时THR=0V，所以=H,T管截止,经R1、R2对C充电，,随着时间的推移,THR=TRI=逐渐升高,当该电位达到2/3时，由H变为L，T管由截止变为导通.此后C经过T管放电，（为T管导通电阻），THR=TRI=逐渐下降,当该电位下降到/3时，有L突变为H，T管由导通变为截止。此后C又充电,电路重复上述过程，进入下一个周期，如此周而复始，电路便处于振荡状态，输出周期性的矩形脉冲.工作波形如上图所示.如果忽略T管的导通电阻则可以求得，.5）逻辑“与”电路工作原理：利用74ls08D的“与”门，将第（3）与（4）电路输出的波形进行“与”运算，即可产生我们需要的触发脉冲。2。2.2输出控制信号仿真：当=0时:电位器100当=60时：电位器66.7当=90时：电位器50当=150时：电位器16。7当=180时:电位器0由上图可知,其调相范围为0-180，输出脉冲波形完整且稳定,符合要求.因此，综合上述两种方案的仿真结果可得出，方案二相比于方案一更为合适。第三章 电路调试一、实物制作本次试验主要制作控制电路部分,实物如下图:经实际调整，我们对电路中的一些原件参数进行调整.将锯齿波产生电路图中的电容调整为C=2。2F，与LM324引脚2所连接的电阻调整为R=10。4k。二、实际控制信号测量2。1 电路各组成部分输出波形锯齿波产生电路输出波形：比较电路输出波形:多谐振荡器电路输出波形:2。2 控制信号输出波形当=0时：电位器100当=90时：电位器50%当=150时:电位器16。7当=180时:电位器0由上图可知,其调相范围为0-180，输出脉冲波形完整且稳定，符合要求。同时，我们进行调试时候发现，由于锯齿波波形不够理想,导致出现当180时，脉冲信号才能完全去除.第四章 结论本次课程设计的题目为：单相半控桥式晶闸管整流电路,其中负载为纯电阻负载。电路设计的主要参数及要求：1、电源电压：交流100V/50Hz;2、输出功率:500W；3、移相范围：0180.在进行实物制作时，完成了控制电路的制作,即实现了题目中的移相范围：0-180.方案设计与仿真分析所得的电路与仿真结果，在实际制作时需要不断进行调整才能真正运行.第五章 心得体会与建议此次课程设计的课题是“单相半控桥式整流电路的设计（纯电阻负载)”。我们的主要任务是对其触发电路进行设计和制作，然后连接主电路进行试验。这次课设我们遇到了不少的问题和困难，但在老师的指导下，我们一一突破,顺利将课题完成。下面对这次课程设计进行自我总结:1、对示波器的运用不够熟悉。在对电路进行检测的时候我发现自己对总是要花费很长的时间才能将示波器中的波形调稳定，说明自己对示波器的运用不够熟悉，以后还应在这方面进行训练，有机会运用示波器时应该珍惜机会，仔细琢磨怎么调节才能调好,这样才能进步，2、做实验时应该思路清晰，耐心调试。由于触发的电路所经过环节较多，而且搭建电路时连线可能接触不良或者搭错线,可靠性不是很强,所以刚开始连接完成电路后我们利用示波器进行测验时，测不出最后输出的波形。于是我们对电路各个关键点的波形进行检测，看看那个部分的波形是正确的,哪个部分的波形出现问题,找出了出现问题的部分,对该部分电路进行了检查,改正了接线。3、动手能力应该与理论知识相结合。以前有位老师上课时候跟我们说过动手能力很强的人，其理论知识基础肯定也是学得很扎实的人。在这次课程设计中我发现自己的基础知识学得不够扎实,在动手时候也会犹豫不决，有时候出现问题不知道从哪里下手，导致进度迟缓.所以在以后的学习中，应对知识进行细致学习，不能囫囵吞枣。4、综合知识的应用.这次课程设计虽然是电力电子学课程设计，但是所涉及的知识涵盖了模电、数电、电路等以前所学的课程。在该实验过程中，遇到问题常常要利用要以前所学的知识进行问题的解决，体现出了学科之间的紧密联系。在以后的学习中,也应该更加注意所学知识的融会贯通，培养对知识的综合应用能力.这次课程设计我受益匪浅，真心地感谢老师的辛勤指导！在以后的学习中我一定更加努力，争取进步！参考文献1李维波，MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社，20072王兆安,刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009。53李传奇，电力电子技术计算机仿真实验（M），机械工业出版社20064龙新光 刘元铭,用LM339组成晶闸管触发电路，重庆通信学院学报，1991.1附录1：元器件清单 原件名称数量220/9交流变压器1LM3932LM324174LS081LM5551电位器2三极管2电容2.2f2电容33nf1电容10nf1电阻50k4电阻51k2电阻1k1电阻5101电阻5.1k6