单相桥式整流电路设计说明.docx

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单相桥式整流电路设计说明

陶瓷学院

《电力电子与电机拖动综合课程设计》

题目单相桥式整流电路设计

姓名：

王帅

所在学院：

_机电学院_

所学专业：

自动化

班级_11自动化2班

学号201110320222__

指导教师：

__曹利刚__

完成时间：

__20140610__

电力电子与电机拖动综合课程设计任务书

班级：

自动化06：

指导教师：

曹利钢2010年6月7日

设计题目：

单相桥式晶闸管整流电路设计

设计任务和要求

1．电源电压：

交流220V/50HZ。

2．输出功率500W

3．输出电压围：

1～50V

4．设计主电路、控制电路、驱动及保护电路。

设计成果

设计说明书一份

电路图一份

参考资料

1.《电力电子设备设计和应用手册》王兆安编机械工业

2．《电力电子技术题例与电路设计指导》石玉编机械工业

教研室主任签字：

年月日

一．目录………………………………………………………………1

二．引言………………………………………………………………2

三．设计思想………………………………………………………2

四．设计方案………………………………………………………3

五．主电路设计………………………………………………………5

5.1主电路的工作原理及原理图………………………………5

5.2整流电路的参数计数………………………………………6

5.3晶体管元件的选择…………………………………………7

6．单元电路设计…………………………………………………8

七．保护电路设计…………………………………………………11

八．电路总接线图…………………………………………………15

九．设计总结…………………………………………………………16

参考文献……………………………………………………………16

摘要

单相桥式可控整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其效率高原理及结构简单在单相整流电路中应用较多，在设计单相桥式可控整流电路时，从总电路电路出发根据负载择优选着方便的同步触发电路，并逐一设置各种保护电路使电路安全有效的运行，最终达到整流的目的。

关键字：

单结晶体管，触发电路，阻感负载，整流电路

二．引言

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

电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。

本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。

能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。

整流电路是电力电子电路的一种，将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样。

按组成器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路。

三．设计思想

研究单相桥式整流电路的工作原理并进行分析，设计出具有稳定脉冲的触发电路并进行仿真。

设计的电路要满足输出500W电源220V，50H输出电压1~50V等条件

电源→变压器→整流电路→负载

↓变压器→触发电路↑

四．设计方案

1方案的选择

我们知道，单相整流电路形式是各种各样的，可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，整流的结构也是比较多的。

因此在做设计之前我们主要考虑了以下几种方案：

方案一：

单相桥式半控整流电路

电路简图如下：

图4-1单相桥式半控整流电路

对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！

如果不加续流二极管，当α突然增大至180°或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期为ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。

所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。

方案二：

单相桥式全控整流电路

电路简图如下：

图4-2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。

方案三：

单相半波可控整流电路：

电路简图如下：

图4-3单相半波可控整流电路

此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a移相围为180。

但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。

为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。

实际上很少应用此种电路。

方案四：

单相全波可控整流电路：

电路简图如下：

图4-4单相全波可控整流电路

此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，相应地，门极驱动电路也少2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。

不存在直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。

而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。

相同的负载下流过晶闸管的平单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在均电流减小一半；且功率因数提高了一半。

综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电路。

五．主电路设计

（1）主电路工作原理

在电源电压

正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在

时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在，

过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。

输出电压的波形出现了负值部分。

在电源电压

负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在

时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在

时，电压

过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。

值得注意的是，只有当时

，负载电流

才连续，当时

，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相围是

。

图5-1主电路原理图

（2）整流电路参数计算

1.在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为

由设计任务有电感输入电压：

交流220V/50hz；输出电压：

0V~50V；输出功率:

50w可求得:

Ud=0.9U2cosa

即：

50=0.9*220cosa

解的：

a=75.37

2.整流输出电压有效值为

3.整流输出电流平均值为：

I=P/U=500W/220V=2.27A

4.在一个周期每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，整流变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值

和有效值

相等，其波形系数为1。

流过每个晶闸管的电流平均值与有效值分别为：

Idt=0.5I=1.14A

It=1.62A

5波形系数：

有直流分量的电流波形，其有效值

与平均值

之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。

Kf=Idt/It

额定状态下，晶闸管的电流波形系数

Kf=1.57

6晶闸管在导通时管压降

=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压

加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于

；VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压

加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为

。

（3）.晶闸管元件的选择

（a）、晶闸管的额定电流

选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值

大于实际流过管子电流最大有效值

，即

=1.57

>

或

>

考虑（1.5～2）倍的裕量：

>It/1.57=1.52A

此外，还需注意以下几点：

①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。

②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。

③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。

（b）、晶闸管的额定电压

晶闸管实际承受的最大峰值电压乘以（2～3）倍的安全裕量，即可确定晶闸管的额定电压：

（2～3）

（2～3）

（622～933）

（2-9）

取800V。

由以上分析计算知选取晶闸管的型号为KP5-8。

（c）、KP5-8晶闸管的具体参数

额定通态平均电流（IT（AV））：

5A;

断态重复峰值电压（UDRM）:

500V;

反向重复峰值电压（URRM）:

1800V;

断态重复平均电流（IDR（AV））:

≤6mA;

反向重复平均电流（IRR（AV））:

≤6mA;

门极触发电流（IGT）:

60mA;

门极触发电压（UGT）:

1.8V;

断态电压临界上升率（du/dt）:

50V/uS

维持电流（IH）：

60mA;

额定结温（TjM）：

110℃

六．单元电路设计

6.1.单结晶体管的工作原理

单结晶体管原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。

在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。

其结构，符号和等效电如图6-1所示。

图6-1

6.2.单结晶体管的特性

从图6-1（a）可以看出，两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。

Rbb=rb1+rb2

式中：

Rb1——第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而变化，rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关；发射结是PN结，与二极管等效。

若在两面三刀基极b2，b1间加上正电压Vbb，则A点电压为：

VA=[rb1/（rb1+rb2）]vbb=（rb1/rbb）vbb=ηVbb

式中：

η称为分压比，其值一般在0.3—0.85之间，如果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图6-2：

图6-2单结晶体管的伏安特性

（1）当Ve〈ηVbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。

（2）当Ve≥ηVbb+VDVD为二极管正向压降（约为0.7V），PN结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。

管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对应的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Ip和峰点电流Ip。

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