单相桥式全控整流电路设计文档格式.docx
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大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解（有色金属和化工原料需要直流电解）、牵引（电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等）和直流传动（轧钢、造纸等）三大领域。
大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。
当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。
变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。
在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GT0）成为当时电力电子器件的主角。
类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。
这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
变频器时代
进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。
将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管（IGBT）的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。
MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。
据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。
新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
第1章单相桥式全控桥整流电路的设计
1.1课程设计的目的
“电力电子技术”课程设计是在教学及试验的基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。
因此，通过电力电子的课程设计达到以下几个目的
1）培养综合应用所学知识，并初步设计出具有电压可调功能的直流电源系统的能力;
2）较全面地巩固和应用本课程所学知识和基本方法，初步掌握整流电路的设计方法。
3）培养独立思考，独立收集材料，独立实际的能力。
4）熟悉电力电子技术的课程和一些相关知识。
1.2课程设计的要求
A负载：
电阻电感性负载
B电感L=700mhR=500
C电网提供的电压为220V，50H
D输出电压0—100V输出功率1KW
E移相范围0—900
第2章方案选择
2.1整流电路的论证
单相相控电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式和整流电路，它们的所连接负载性质不同就有不同的特点，而负载性质又分为带电阻性的负载，电阻—电感性负载和反电动势负载的工作情况。
本组所做的是单相桥式全控整流电路。
与单相桥式半空整流电路相比，无需接续流二极管，也不会出现失控的现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。
变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。
单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数提高，变压器二次侧电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化的问题，变压器利用率高的优点。
单相全控桥式整流电路其输出平均电压是半波电路的2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。
2.2触发电路的要求及选择
1．对触发电路的要求
为了保证可靠地触发,对触发电路的要求是:
（1）触发脉冲上升沿要陡,以保证触发时刻的准确;
（2）触发脉冲电压幅度必须满足要求,一般为4～10V;
（3）触发脉冲要有足够的宽度,以保证可靠触发;
（4）为避免误导通,不触发时,触发输出的漏电压小于0.2V;
（5）触发脉冲必须与主电路的交流电源同步,以保证晶闸管在每个周期的同一时刻触发。
常见的触发脉冲电压波形
图2.2.1
2触发电路的选择
晶闸管的导通控制信号由触发电路提供，触发电路的类型按组成器件分为：
1）单结晶体管触发电路、
图2.2.2
优点：
单结晶体管触发电路结构简单，调节方便，输出脉冲前沿陡，抗干扰能力强，对于控制精度要求不高的小功率系统，可采用单结晶体管触发电路来控制；
缺点
不能直接用于触发电路，必须有同步电路和张弛震荡电路。
只能产生窄脉冲，输出功率小，移相范围也小，常用于50A以下的单相电路。
2）晶体管触发电路、集成触发电路。
图2.2.3KC41六路双窄脉冲形成器
KC41电路是脉冲逻辑电路。
当把移相触发器的触发胲冲输入到KC41电路的1~6端时，由输入二极管完成了补脉冲，再由T1~T6电流放大分六路输出。
补脉冲按+A→-C，-C→+B，+B→-A，-A→+C，+C→-B，-B→+A顺序排列组合。
T7是电子开关，当控制7#端接逻辑“0”电平时T7截止，各路有输出触发脉冲。
当控制7#端接逻辑“1”电平（+15V）时，T7导通，各种无输出触发脉冲。
图2.2.4KCZ6集成六脉冲触发电路
优点
减少了触发电源功率和脉冲变压器的体积，提高了脉冲前沿陡度。
具有脉冲占空比可调性好，频率调节宽，触发上升沿可与调节信号同步。
集成触发电路
1）同步电压值范围较宽且只需三相同步电压。
2）输出是脉冲列式的双脉冲，脉冲电压体积小。
3）体积小维修方便等。
4）对于大容量晶闸管一般采用晶体管或集成电路组成的触发电路。
3）计算机数字触发电路
计算机数字触发电路常用于控制精度要求较高的复杂系统中。
各类触发电路有其共同特点，它们一般由同步环节、移相环节、脉冲形成环节和功率放大输出环节组成。
2.3保护电路的选择
电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。
过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。
检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。
检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。
1过电压的产生
电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压
外因过电压：
主要来自系统操作过程和雷击等外因
1）操作过电压：
由分闸、合闸等开关操作引起
2）雷击过电压：
由雷击引起
内因过电压：
主要来自电力电子装置内部器件的开关过程
1）换相过电压：
晶闸管或与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后，不能立即恢复阻断能力，有较大的反向电流流过，当恢复阻断能力后，反向电流急剧减小，b会因线路电感在器件两端感应出过电压。
2）关断过电压：
全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。
2过压保护方法
1）过压保护的基本原则是：
根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的附加电路，当达到—定过压值时，自动开通附加电路，使过压通过附加电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。
保护电路形式很多，也很复杂。
图2.3.1
2）雷击过压可在变压器初级接避雷器加以保护。
3）二次电压很高或电压比很大的变压器，一次侧合闸时，由于一次、二次绕组间存在分布电容，高电压可通过分布电容耦合到二次侧而出现瞬时过压。
可采取变压器附加屏蔽层接地或变压器星形中点通过电容接地的方法来减小。
4）泵升电压保护当电动机回馈制动时，电动机的动能转换成电能回馈到直流侧，引起直流侧电压升高，当电压升高到一定值时，会造成变换器的过电压。
通常采用开关电路将能量消耗在电阻上。
5）阻容保护电路
将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。
与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。
RC阻容保护电路可以设置在变换器装置的交流侧、直流侧。
也可将RC保护电路直接并在主电路的元件上，有效地抑制元件关断时的关断过压，其接法如图6-2所示。
图2.3.2
6）非线性电阻保护。
非线性电阻具有近似稳压管的伏安特性，可把浪涌电压限制在电力电子器件允许的电压范围。
现在常采用压敏电阻实现过压保护。
压敏电阻是一种金属氧化物的非线性电阻，它具有正、反两个方向相同但很陡的伏安特性。
正常工作时漏电流很小（微安级），故损耗小。
当过压时，可通过高达数千安的放电电流IY，因此抑制过压的能力强。
此外，它对浪涌电压反应快，而且体积小，是一种较好的过压保护器件。
它的主要缺点是持续平均功率很小，如正常工作电压超过它的额定值，则在很短时间内就会烧毁。
由于压敏电阻的正、反向特性对称，因此单相电路只需一个，三相电路用3个，联接成Y形或Δ形
图2.3.3压敏电阻保护的接法
3过电流保护电路
1.引起过流的原因
当电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起变换器内元件的电流超过正常工作电流，即出现过流。
由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此，必须对变换器进行适当的过流保护。
变换器的过流一般主要分为两类：
过载过流和短路过流.过电流——过载和短路两种情况.
2.保护措施
图2.3.4
（1）交流进线电抗器（图中的L），或采用漏抗大的整流变压器，利用电抗限制短路电流。
但正常工作时有较大的交流压降。
（2）电流检测装置（图中的B）。
过流时发出信号，过流信号一方面可以封锁触发电路，使变换器的故障电流迅速下降至零，从而有效抑制了电流。
另一方面控制过电继电器，使交流接触器触点跳开，切断电源。
但过流继电器和交流接触器动作都需一定时间（100～200ms）。
故只有电流不大的情况这种保护才能奏效。
（3）直流快速开关（图中的QDCF）。
对于大、中容量变换器，快速熔断器的价格高且更换不方便。
为避免过流时烧断快速熔断器，采用动作时间只2ms的直流快速开关，它可先于快速熔断器动作而保护电力电子器件。
（4）快速熔断器（图中的FUF）
快速熔断器是防止变换器过流损坏的最后一道防线。
在晶闸管变换器中，快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。
其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。
直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。
只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同—个电流．因而被广泛使用。
图2.3.5快速熔断器在电路中的接法
同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。
电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时实现保护。
1）对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器保护的全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。
2）常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这对器件过电流响应是最快.
4缓冲电路：
又称吸收电路，其作用是抑制器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。
1）关断缓冲电路（du/dt抑制电路）——吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。
2）开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。
3）复合缓冲电路——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。
通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。
4）另外两种常用的缓冲电路
RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。
5）电流上升率di/dt的抑制
晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/μs的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。
其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。
如下图所示:
图2.3.7串联电感抑制回路
6）电压上升率dv/dt的抑制
加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。
为抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。
如图所示：
图2.3.8并联R-C阻容吸收回路
第3章电路设计
3.1主电路的设计
1工作原理
电源电压正半波，在ωt=α处触发晶闸管VT1、VT4，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，元件导通，电流沿a→VT1→L→R→VT4→b流通，此时负载上电压ud=u2。
此时电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反向阳极电压而处于关断状态。
当ωt=π时，电源电压自然过零，电感感应电势使晶闸管继续导通。
电源电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，但没有触发脉冲而不导通；
在ωt=π+α处触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流沿b→VT3→L→R→VT2→a流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，负载上有输出电压ud=-u2。
此时VT1、VT4承受反向电压由导通状态变为关断状态。
晶闸管VT2、VT3—直要导通到下一周期ωt=2π+α处再次触发晶闸管VT1、VT4为止。
2主电路的原理图如下
图3.1.1
3波形图
60度角
图3.1.2
3.2触发电路的设计
1晶体管触发电路
图3.2.1KC41六路双窄脉冲形成器
3.3保护电路的设计
1过压保护电路的设计
1）非线性电阻保护。
图3.3.1
2过流保护
1）快速熔断器（图中的FUF）
图3.3.2快速熔断器在电路中的接法
3缓冲电路的设计
1）电流上升率di/dt的抑制
图3.3.3串联电感抑制回路
2）电压上升率dv/dt的抑制
图3.3.4并联R-C阻容吸收回
4电路参数计算
（1）输出电压平均值Ud
根据控制要求：
当
时Ud为最大值，Ud=100v，此时U2=111v。
（2）输出电流平均值Id和变压器副边电流I2
Id=I2=0.198A
（3）晶闸管的电流平均值
由于晶闸管轮流导电，所以流过每个晶闸管的平均电流只有负载上平均电流的一半。
（4）晶闸管的电流有效值IT与通态平均电流IT（AV）
IT=0.140AIT（av）=0.178A
考虑到2倍裕量,取1A.
（5）额定电压
晶闸管承受最大电压为
考虑到2倍裕量，取400V.
所以晶闸管的型号为KP1--4的元器件。
5变压器的选取
根据参数计算可知:
第4章小结
经过了将近星期的努力和学习，终于完成了这次电力电子技术课程设计，从一开始的茫然、毫无头绪到最后课程设计的完成，每一步对我来说都是新的尝试、革新，心里十分自豪。
虽然这份课程设计还很稚嫩，存在着很多的不足，但在我却在设计过程中不断地得到成长。
首先是资料的查找，运用图书和网络，从各类信息中找出对自己有用的信息并进行编辑完善，这些基本的工作让我感觉基础知识扎实的必要性。
但是我也深深的感觉到自己的不足之处，有时候对应用电路不熟悉，使得工作的效率降低，因此在以后还须多加锻炼。
眼看自己的课程设计一步步完善，心中洋溢着一股自豪感，这也为以后的学习和工作打下了基础，一分耕耘一分收获，要想真正做好一件事，还是需要定定心，脚踏实地，用心努力才行啊，希望这
的设计能够圆满的成功。
参考文献
黄俊，王兆安.电力电子变流技术3版，，北京：
机械出版社1993
尹克宁.电力工程.北京：
中国电力出版社2008
王兆安，张明陨。
电力电子设备设计和应用手册2版北京：
机械出版社2002
王兆安，黄俊.电力电子技术.第四版.北京：
机械工业出版社，2000
莫正康.半导体变流技术.北京：
机械工业出版社，1999
黄俊.半导体变流技术.第二版.北京：
机械工业出版社，1980
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