《电力电子技术》课程设计单相桥式可控整流电路.docx

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《电力电子技术》课程设计单相桥式可控整流电路

第一章主电路的原理与设计一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1

1.1设计方框图2

1.2主电路设计3

1.4整流电路参数的计算4

1.5元器件的选择5

第二章触发器的设计8

2.1晶闸管的触发电路8

2.2触发电路对触发脉冲的要求8

2.3晶闸管的触发电路的形式8

2.4同步电源10

2.5移相控制10

2.6脉冲输出10

第三章保护电路的设计11

3.1保护电路的论证与选择11

3.2过电流保护11

3.3过电压保护电路13

3.4电流上升率的抑制保护15

3.5电压上升率的抑制保护15

第四章仿真分析与调试16

4.1单相全控桥式整流电路（电阻性负载）仿真电路图16

4.2仿真与分析16

4.3单相全控桥式整流电路小结19

第五章心得与体会20

参考文献21

第一章主电路的原理与设计

1设计方案及原理

方案：

单相桥式全控整流电路

图1.1单相桥式全控整流电路

此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，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，所以选择此方案。

1.1设计方框图

该电路主要由六部分构成，分别为交流电源，保护电路，整流电路，控制电路，驱动电路和负载电路构成。

输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。

然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。

整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。

1.2主电路设计

电阻负载主电路主电路原理图如下：

图1.3主电路

1.3主电路工作原理（负载为电阻）

（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

纯电阻负载时：

由图知晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为和

（一）整流电压平均值为：

α=0时，Ud=Ud0=0.9U2。

α=180时，Ud=0。

可见，α角的移相范围为180。

（二）向负载输出的直流电流平均值为：

（三）流过晶闸管的电流平均值：

（四）流过晶闸管的电流有效值为：

（五）变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为

1.5元器件的选择

晶闸管（SCR）的介绍：

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：

阳极，阴极和门极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

晶闸管的结构：

外形有螺栓型和平板型两种封装，引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端，对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便，平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。

图1.4a）晶闸管类型b）内部结构c）电气图形符号d）模块外形

晶闸管的工作原理：

在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。

其工作过程如下：

UGK>0→产生IG→V2通→产生IC2→V1通→IC1↗→IC2↗→出现强烈的正反馈，G极失去控制作用，V1和V2完全饱和，SCR饱和导通。

晶闸管导通后，即使去掉门极电流，仍能维持导通。

图1.5晶闸管的双晶体管模型及其工作原理

a）双晶体管模型b）工作原理

晶闸管基本工作特性归纳：

（1）承受反向电压时（UAK<0），不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；

（2）承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通（即UAK>0，IGK>0才能开通）；

（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；

（4）要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

晶闸管的主要参数如下：

①额定电压UTN

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

UTN=（2～3）UTM

UTM:

工作电路中加在管子上的最大瞬时电压

②额定电流IT（AV）

IT（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。

晶闸管的选取

整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为

Ud＝0.9U2cos＝0.9×220×cos0°＝198V

I2＝Id＝100（A）

晶闸管承受的最大正反向电压为：

U＝220＝311（V）

流过每个晶闸管的电流的有效值为：

IVT＝Id∕＝70.7（A）

故晶闸管的额定电压为：

UN＝（2~3）×311＝622~933（V）

晶闸管的额定电流为：

IN＝（1.5~2）×70.7∕1.57＝67.5~90.1（A）

其型号为KP100-6。

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触发电路对触发脉冲的要求

晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。

触发电路对其产生的触发脉冲要求：

（1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

（2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

（3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

（4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。

2.3晶闸管的触发电路的形式

晶闸管的触发电路的形式主要有两种：

单结晶体管触发电路、但结晶体管自激震荡电路。

（1）单结晶体管触发电路

由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。

他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如图2.1（a）所示。

（2）单结晶体管自激震荡电路

利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。

从图2.1（a）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路径R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压ue=uc按指数规律上升。

Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。

电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。

随着电容C放电，电压Ue小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。

在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us，如图2.1（b）所示。

图2.1单结晶体管触发电路及波形

其震荡频率为

f=1/T=1/ReCLn（1/1-η）（2-.1）

式中η=0.3～0.9是单结晶体管的分压比。

即调节Re，可调节振荡频率

2.4同步电源

步电压又变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。

同步电压经桥式整流、稳压管DZ削波为梯形波uDZ，而削波后的最大值UZ既是同步信号,又是触发电路电源。

当UDZ过零时,电容C经e-b1、R1迅速放电到零电压。

这就是说,每半周开始,电容C都从零开始充电,进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻（即控制角α）一致,实现同步。

2.5移相控制

当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角α增大，实现了移相。

2.6脉冲输出

触发脉冲Ug由R1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。

对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。

所以一般采用脉冲变压器输出。

第三章保护电路的设计

3.1保护电路的论证与选择

电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、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。

例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。

再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

3.2过电流保护

当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。

因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。

采用快速熔断器作过电流保护，其接线图（见图3.2）。

熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。

最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如下图所示：

图3.2快速熔短器的接入方法

A型熔断器

特点：

是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。

B型熔断器

特点：

能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低

C型熔断器

特点：

直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用

对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。

常见的电子保护原理图如5.5所示：

图3.3过流保护原理图

在此我们采用容阻吸收回路，即采用快速熔断器的方法来进行过电流保护。

采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。

在选择快熔时应考虑：

（1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

（2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。

快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。

（3）快熔的

值应小于被保护器件的允许

值、

（4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。

因为晶闸管的额定电流为10A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为15A。

图3.4过电流保护

3.3过电压保护电路

设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。

同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。

过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。

见图3.5和图3.6。

图3.5阻容三角抑制过电压图3.6压敏电阻过压

过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。

常见的电子保护原图如图3.7所示：

图3.7过电压保护电路

在此我们采用储能元件保护即阻容保护。

单相阻容保护的计算公式如下：

S:

变压器每相平均计算容量（VA）

U

：

变压器副边相电压有效值（V）

i

%:

变压器激磁电流百分值

U

%：

变压器的短路电压百分值。

当变压器的容量在（10---1000）KVA里面取值时i

%=（4---10）在里面取值，U

%=（5---10）里面取值。

电容C的单位为μF，电阻的单位为欧姆

电容C的交流耐压≥1.5U

U

：

正常工作时阻容两端交流电压有效值。

根据公式算得电容值为4.8μF,交流耐压为165V，电阻值为12.86

3.4电流上升率的抑制保护

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5.9所示:

图3.9串联电感抑制回路图3.10并联R-C阻容吸收回

3.5电压上升率的抑制保护

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5.10所示。

第四章仿真分析与调试

4.1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

4.2仿真与分析

通过Matlab对输出波形图进行显示。

下面波形图中分别代表晶体管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的波形。

下列波形分别是延迟角α为30°、60°、90°、120°时的波形变化。

（1）电网供电电压为单相220V；

（2）电网电压波动为+5%－-10%；

（3）输出电压为0～200V。

（1）当延迟角α=30°时，波形图如图4.2所示：

图4.2α=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4.3α=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4.4α=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4.5α=120°单相桥式全控整流电路（电阻性负载）波形图

4.3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。

4.4误差分析

通过multisim软件的模型的仿真测出负载两端的平均电压：

导通角α=30°时负载两端的平均电压180.2

误差§=（184-180.2）/184*100％=1.95％

导通角α=60°时负载两端的平均电压146.2

误差§=（148-146.2）/148*100％=1.21％

导通角α=90°时负载两端的平均电压97.2

误差§=（99-97）/99*100％=2.02％

导通角α=120°时负载两端的平均电压46.2

误差§=（49.5-46.2）/49.5*100％=6.66％

误差出现的原因可能是：

（1）四个晶闸管的通太损耗引起的

（2）线路损耗引起误差

第五章心得与体会

电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节，它训练了我们的综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立进行查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告，进一步加深对变流电路基本理论的理解，提高运用基本技能的能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。

电力电子技术课程设计是配合变流电路理论教学，为我们自动化和电气工程及其自动化专业开设的专业基础技术技能设计，课程设计对我们是一个非常重要的实践教学环节。

通过设计，使我们巩固和加深了对变流电路基本理论的理解，提高了运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养了我们的创新精神和创新能力。

而这次初次尝试电子版的设计又提高了我对电脑的运用技能，同样也有效的利用了网上大量的学习资源，让我在设计上比以前有所超越。

总之这次设计大大的提高了我的综合的学习能力，让我能将所学的知识融会贯通，并在学习技能上渐渐成熟。

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