目錄1設計方案及原理11.1原理方框圖11.2主電路的設計21.3主電路原理說明21.4整流電路參數的計算32元器件的選擇32.1晶閘管的選取32.2變壓器的選取43觸發電路的設計53.1對觸發電路的要求53.2 KJ004集成觸發器54保護電路的設計64.1 過電壓保護64.1.1過電壓保護64.1.2過電流保護74.1.3電流上升率di/dt的抑制84.1.4電壓上升率du/dt的抑制85仿真分析與調試85.1建立仿真模型85.2仿真結果分析9心得體會12參考文獻13附錄14單相橋式全控整流電路的設計1設計方案及原理1.1原理方框圖系統原理方框圖如1-1所示：觸發電路驅動電路整流主電路負載保護電路圖1-1 系統原理方框圖1.2主電路的設計主電路原理圖如下圖1-2所示：圖1-2 單相橋式全控整流電路原理圖1.3主電路原理說明在電源電壓u2正半周期間，VT1、VT4承受正向電壓，若在觸發角處給VT1、VT4加觸發脈沖，VT1、VT4導通，電流從電源a端經VT1、負載、VT4流回電源b端。當u2過零時，流經晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關斷。在電源電壓u2負半周期間，仍在觸發延遲角處觸發VT2和VT3， VT2和VT3導通，電流從電源b端流出，經過VT3、R、VT2流回電源a端。到u2過零時，電流又降為零，VT2和VT3關斷。此后又是VT1和VT4導通，如此循環的工作下去。該電路的移向范圍是0。另外，由于該整流電路帶的是反電動勢負載，因而不是正半軸的任意時刻都能開通晶閘管的，要開通晶閘管必須在交流電瞬時值大于E的時候去觸發。提前觸發的話，晶閘管會在E的作用下承受反向電壓，無法導通。1.4整流電路參數的計算當| |E時，晶閘管可以開通。1）整流輸出電壓的平均值可按下式計算 （1-1）當=0時，取得最大值90V即= 0.9 =90V從而得出=100V，=180o時，=0。角的移相范圍為90o。2）整流輸出電壓的有效值為 （2-2）3）整流電流的平均值和有效值分別為（2-3） （2-4）4)在一個周期內晶閘管VT1、VT4和VT2、VT3輪流導通，流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流電流平均值的一半，即： （2-5）2元器件的選擇2.1晶閘管的選取晶閘管的主要參數如下：額定電壓UTn通常取和中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓應為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 UTn =（23）UTM （2-7） UTM:工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓額定電流IT(AV) IT(AV) 又稱為額定通態平均電流。其定義是在室溫40和規定的冷卻條件下，元件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170的電路中，結溫不超過額定結溫時，所允許的最大通態平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導通角多大，只要其最大電流有效值不大于額定電流的有效值,散熱冷卻符合規定，則晶閘管的發熱、溫升就能限制在允許的范圍。在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導通角多大，只要其最大電流有效值不大于額定電流的有效值,散熱冷卻符合規定，則晶閘管的發熱、溫升就能限制在允許的范圍。將變壓器副邊電壓有效值U2定為200V，則停止導電角=8.15此時可達到的最大輸出電壓為0.9U2*cos8.15= 178V 90V，滿足要求。晶閘管承受最大反向電壓為：考慮到安全裕量，故晶閘管額定電壓為：由式2-6知，流過晶閘管電流有效值最大為： 晶閘管額定電流為：通過以上計算得知，可以取晶閘管額定電壓為800V，額定電流為30A。2.2變壓器的選取變壓器是一種靜止的裝置，它是依靠磁耦合的作用，將一種等級的電壓與電流轉換為另一種等級的電壓與電流，起著傳遞電能的作用。單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載，變壓器二次電流有效值I2與輸出電流有效值I相等。由式2-4可知，二次側電流最大為50A，故變壓器容量至少為10000 VA。3觸發電路的設計3.1對觸發電路的要求晶閘管觸發主要有移相觸發、過零觸發和脈沖列調制觸發等。觸發電路對其產生的觸發脈沖要求:1）、觸發信號可為直流、交流或脈沖電壓。2）、觸發信號應有足夠的功率（觸發電壓和觸發電流）。 3）、觸發脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。 4）、觸發脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。3.2 KJ004集成觸發器KJ004 可控硅移相觸發電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中,作可控硅的雙路脈沖移相觸發。KJ004 器件輸出兩路相差180度的移相脈沖,可以方便地構成全控橋式觸發器線路。KJ004 電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低,有脈沖列調制輸出端等功能與特點。其管腳圖如下圖3-1所示：圖3-1 KJ004管腳圖各引腳說明如下表3-1所示：表3-1 KJ004引腳說明功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)地同步輸入綜合比較微分阻容封鎖調制+Vcc引腳號1、15 2、6、103、45 78911、1213、1416該觸發電路設計中，通過KJ004集成觸發器控制晶閘管VT1 、VT2、VT3和VT4的導通與截止，使VT1和VT4同時導通，VT2和VT3同時導通，同時兩路導通相差180度。KJ004 器件恰好輸出兩路相差180度的移相脈沖,可以方便地構成全控橋式觸發器線路。觸發電路原理圖參見附錄。4保護電路的設計相對于電機和繼電器，接觸器等控制器而言，電力電子器件承受過電流和過電壓的能力較差，短時間的過電流和過電壓就會把器件損壞。但又不能完全根據裝置運行時可能出現的暫時過電流和過電壓的數值來確定器件參數，必須充分發揮器件應有的過載能力。因此，保護就成為提高電力電子裝置運行可靠性必不可少的重要環節。4.1 過電壓保護4.1.1過電壓保護電源側過電壓電力電子設備一般都經變壓器與交流電網連接，電源變壓器的繞組與繞組、繞組與地中間都存在著分布電容，如圖4-1所示：圖4-1 分布電容該電路中變壓器為降壓型，即電源電壓u高于變壓器次級電壓。電源開關斷開時，初、次級繞組均無電壓，繞組間分布電容電壓也為0，當電源合閘時，由于電容兩端電壓不能突變，電源電壓通過電容加在變壓器次級，使得變壓器次級電壓超出正常值，它所連接的電力電子設備將受到過電壓的沖擊。在進行電源拉閘斷電是也會造成過電壓，在通電的狀態將電源開關斷開使激磁電流從一定得數值迅速下降到0，由于激磁電感的作用電流的劇烈變化將產生較大的感應電壓，因為電壓為Ldi/dt，在電感一定得情況下，電流的變換越大，產生的過電壓也越大。這個電壓的大小與拉閘瞬間電流的參數值有關，在正弦電流的最大值時斷開電源，產生的di/dt最大，過電壓也就越大。可見，合閘時出現的過電壓和拉閘時出現的過電壓其產生的機理是完全不同的。對于以上過電壓，我們可以采用阻容保護，保護電路如下圖4-2所示：圖4-2 過電壓保護同理晶閘管過電壓保護，也可采用阻容式保護方法，給每個晶閘管并聯一個RC串聯回路。4.1.2過電流保護電力電子電路中的電流瞬時值超過設計的最大允許值，即為過電流。過電流有過載和短路兩種情況。在該電路的過電流保護中均采用熔斷器，給每個晶閘管串連一個熔斷器。雖然這樣所用熔斷器較多，但由于流過晶閘管的電流有效值相對于負載電流有效值和電源二次側電流有效值來說較小，等價條件下產生熱量最少，同時熔斷器價格很便宜，故這樣設計過電流保護電路比較經濟。電路原理圖如下圖4-3所示：圖4-3 過電流保護4.1.3電流上升率di/dt的抑制晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區域，局部電流密很大，然后以0.1mm/s的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，若晶閘管開通時電流上升率di/dt過大，會導致PN結擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯入電感。4.1.4電壓上升率du/dt的抑制加在晶閘管上的正向電壓上升率du/dt也應有所限制,如果du/dt過大。由于晶閘管結電容的存在而產生較大的位移電流，該電流可以實際上起到觸發電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴重時引起晶閘管誤導通。該電路中采用進線電抗器，在輸入交流側串聯電感來抑制電壓變化率。5仿真分析與調試5.1建立仿真模型在電力電子設計過程中利用MATLAB來進行仿真建模分析有很大的好處，它不但非常方便而且能夠在很大程度范圍內減少因設計問題而造成的浪費。這里的仿真主要是運用MATLAB軟件中的simulink工具。先從simulink的元件庫中找到需要用的元件，然后搭建相應的主電路，設置好參數后即可進行仿真。仿真電路圖如下圖所示.圖5-1 單相橋式全控整流電路系統模型仿真電路中，用虛擬的示波器監控整流電路輸出電壓與輸出電流的波形，觸發信號波形。由于是要觸發晶閘管，故把觸發面沖寬度設置為3%。這里是首先指定電源為200V的工頻交流電。根據題目要求反電動勢負載為40V，負載電阻1歐，負載電感20mH。設定好元器件的參數之后,還需要設置仿真算法和仿真時間。我設定了0.5S的仿真時間。設置的仿真算法是ode45。5.2仿真結果分析觸發角為0時的波形：圖5-2 觸發角為0時的波形觸發角為60時的波形如下圖所示：圖5-3 觸發角為60時的波形如圖所示，當觸發角為0時，進閘管始終處于斷開狀態，同時也是阻斷的。負載電流為。但由于是反電動勢負載故還會有的電壓。當觸發角為時，Ud=0.9U2*cos60=90V。另外當觸發角為77.16時，Ud=0.9U2*cos60=40V=E ,此時兩邊電動勢抵消，負載電流為0，也就是電流斷續的臨界點。綜合上述仿真與理論分析可知，觸發角在77.16到60變化時，可以保障整流輸出的連續可調。心得體會通過這次對單相橋式全控整流電路的課程設計，讓我對整流電路有了更加清晰的認識，同時也對觸發電路和保護電路也有了更深刻的認識，同時我也學會了用一些基本元部件進行建模的基本方法，加深了對課本知識的進一步理解。同時這次課程設計應用到MATLAB軟件，設計時借助MATLAB軟件進行系統模型仿真，進一步熟悉了MATLAB語言及其應用，用該軟件對該電路進行分析，大大簡化了計算和繪圖步驟。同時該次課程設計，還用到了protel軟件進行原理圖的繪制，是我跟家熟練地掌握了protel繪圖的技巧。書寫課程設計說明書時使用WORD軟件，使我掌握了許多關于WORD編輯和排版技巧，提高了自身對一些基本軟件的應用技能。總之，這次課程設計不僅增加了我的知識積累，讓我有機會將課堂上所學的電力電子理論知識運用到實際中，了解了這些知識在電源上豐富而強大的用途，為將來的畢業設計打下了