单相桥式半控整流电路.docx

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单相桥式半控整流电路

信息工程学院

电力电子学课程设计报告书

题目:

单相桥式半控整流电路

专业：

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

2012年5月9日

信息工程学院课程设计任务书

学生姓名

学号

成绩

设计题目

单相桥式半控整流电路

设

计

内

容

设计方案的选择

整流电路的选择

整流变压器额定参数的计算

晶闸管电流、电压额定的选择

保护电路的设计

触发电路的设计

画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

列出主电路所用元器件的明细表

实验结果

设

计

要

求

1、电源电压：

交流220V/50Hz

2、输出电压范围：

20V-50V

3、最大输出电流：

10A

4、具有过流保护功能，动作电流：

12A

5、具有稳压功能

6、电源效率不低于70%

参

考

资

料

1、张石安，张炜主编．电力电子技木基础．北京：

电子工业出版社，2008年7月

2、曲学基主编。

电力电子整流技术及应用。

北京：

电子工业出版社，2008年4月

3、莫正康.半导体变流技术.北京：

机械工业出版社，1999

4、周克宁，《电力电子技术》北京：

机械工业出版社，2004。

5、王兆安、黄俊，《电力电子技术》第四版。

北京：

机械工业出版社，2000。

6、王维平，现代电力电子技术及应用。

南京：

东南大学出版社，1999。

7、王云亮主编．电力电子技术．第一版．北京：

电子工业出版社，2004年8月

8、刘雨棣主编．电力电子技木及应用．西安：

西安电子科技大学出版社，2006年8月

9、浣喜明、姚为正.电力电子技术.北京：

高等教育出版社，2004

10、王维平.现代电力电子技术及其应用.南京.：

东南大学出版社，2000

摘要

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。

由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。

故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好实验和课程设计，因而我们进行了此次课程设计。

又因为整流电路应用非常广泛，而锯齿波移相触发单相晶闸管半控整流电路又有利于夯实基础，故我们单结晶体管触发的单相晶闸管半控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。

关键字：

逆变电路单相晶闸管PWM电力电子

一、设计要求：

1、电源电压：

交流220V/50Hz

2、输出电压范围：

20V-50V

3、最大输出电流：

10A

4、具有过流保护功能，动作电流：

12A

5、具有稳压功能

6、电源效率不低于70%

二、方案选择：

方案1：

单相桥式半控整流电路

电路简图如下：

图1.4

对每个导电回路进行控制，相对于半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2：

单相桥式全控整流电路

电路简图如下：

图1.5

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3：

单相半波可控整流电路：

电路简图如下：

图1.6

此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a移相范围为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4：

单相全波可控整流电路：

电路简图如下：

图1.7

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。

根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。

综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案一，即单相桥式半控整流电路。

3、元器件的选择

晶闸管

晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（SiliconControlledRectifier--

SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代;20世纪80年代以来，开始被性能更好的半控型器件取代。

能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。

晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管。

广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。

1）、晶闸管的结构

晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。

引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。

内部结构:

四层三个结如图2.2

2）、晶闸管的工作原理图

晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极，如图1.2（左）所示。

由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图1.2（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。

图1.2晶闸管的内部结构和等效电路

晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流ＩＧ的电路称为门极触发电路。

也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。

其他几种可能导通的情况：

阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应

阳极电压上升率du/dt过高

结温较高

光直接照射硅片，即光触发：

光控晶闸管

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

3）晶闸管的门极触发条件

（1）:

晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；

（2）：

晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；

（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，只能使其电流小到零一下。

晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流ＩＧ的电路称为门极触发电路。

也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

可关断晶闸管

可关断晶闸管简称GTO。

可关断晶闸管的结构

GTO的内部结构与普通晶闸管相同，都是PNPN四层结构，外部引出阳极Ａ、阴极Ｋ和门极Ｇ如图1.3。

和普通晶闸管不同，GTO是一种多元胞的功率集成器件，内部包含十个甚至数百个共阳极的小GTO元胞，这些GTO元胞的阴极和门极在器件内部并联在一起，使器件的功率可以到达相当大的数值。

单相半控桥式整流电路带大电感负载时的工作特点是：

晶闸管在触发时刻换流，二极管则在电源电压过零时换流；由于自然续流的作用，整流输出电压ud的波形与半控桥式整流电路带电阻性负载时相同，α的移相范围为0～180°，ud、Id的计算公式和半控桥带电阻性负载时相同；流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为180°的方波且与α无关，交流侧电流为正、负对称的交变方波。

单相半控桥式整流电路带大电感性负载时，虽本身有自然续流的能力，似乎不需要另接续流二极管。

但在实际运行中，当突然把控制角α增大到180°以上或突然切断触发电路时，会发生正在导通的晶闸管一直导通，两个二极管轮流导通的现象。

此时触发信号对输出电压失去了控制作用，我们把这种现象称为失控。

失控现象在使用中是不允许的，为消除失控，带电感性负载的半控桥式整流电路还需另接续流二极管VD。

电路组成

单相半控桥式整流电路由一组共阴极接法的单相半波可控整流电路和一组共阳极接法的单相半波可控整流电路串联而成。

因此，整流输出电压的平均值Ud为单相半波整流时的两倍，在大电感负载时为式中U2l为变压器次级线电压有效值。

与单相半波电路相比，若要求输出电压相同，则单相桥式整流电路对晶闸管最大正反向电压的要求降低一半；若输入电压相同，则输出电压Ud比单相半波可控整流时高一倍。

另外，由于共阴极组在电源电压正半周时导通，流经变压器次级绕组的电流为正；共阳极组在电压负半周时导通，流经变压器次级绕组的电流为负，因此在一个周期中变压器绕组不但提高了导电时间，而且也无直流流过，克服了单相半波可控整流电路存在直流磁化和变压器利用率低的缺点。

为分析方便，把一个周期分为6段，每段相隔60°。

在第

（1）段期间，a相电位ua最高，共阴极组的V1被触发导通，b相电位ub最低，共阳极组的V6被触发导通，电流路径为ua→V1→R（L）→V6→ub。

变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流ia为正，共阳极组的b相电流ib为负，输出电压为线电压ud=uab。

在第

（2）段期间，ua仍最高，V1继续导通，而uc变为最负，电源过自然换流点时触发V2导通，c相电压低于b相电压，V6因承受反压而关断，电流即从b相换到c相。

这时电流路径为ua→V1→R（L）→V2→uc。

变压器a、c两相工作，共阴极组的a相电流i为正，共阳极组的c相电流ic为负，输出电压为线电压ud=uac

在第（3）段期间，ub为最高，共阴极组在经过自然换流点时触发V3导通，由于b相电压高于a相电压，V1管因承受反压而关断，电流从a相换相到b相。

V2因为uc仍为最低而继续导通。

这时电流路径为ub→V3→R（L）→V2→uc。

变压器b、c两相工作，共阴极组的b相电流ib为正，共阳极组的c相电流ic为负，输出电压为线电压ud=ubc。

以下各段依此类推，可得到在第（4）段时输出电压ud=uba；在第（5）段时输出电压ud=uca；在第（6）段时输出电压ud=ucb。

以后则重复上述过程。

由以上分析可知，单相半控桥式整流电路晶闸管的导通换流顺序是：

V6→V1→V2→V3→V4→V5→V6。

电路输出电压ud的波形如图2-13（d）所示。

4、保护电路的设计

保护电路的设计

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。

4.1过电压保护

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内应过电压两类。

外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：

（1）操作过电压：

由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。

（2）雷击过电压：

由雷击引起的过电压。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：

（1）换相过电压：

由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。

（2）关断过电压：

全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正

向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，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。

为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。

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，过电压保护电路如图5所示。

4.2过电流保护

晶闸管承受过电流的能力很低，若过电流数值较大且时间较长，则晶闸管会因热容量小而产生热击穿损坏。

为了使晶闸管不受损坏，必须设置过流保护，使晶交流侧自动开关或直流侧接触器跳闸。

其动作时间约为100~200ms，因此只能保护因机械过负载而引起的过电流，或在短路电流不大时，对晶闸管起保护作用。

直流快速开关

对于大容量高功率经常容易短路的场合，可采用动作时间只有2ms的直流快速开关。

它的断弧时间仅有25~30ms，装在直流侧可有效的用于直流侧的过载保护与短路保护。

它经特殊的设计，可以先于快速熔断器熔断而保护晶闸管。

但此开关昂贵复杂，使用不多。

快速熔断器闸管在被损坏之前就迅速切断电流，并断开桥臂中的故障元件，以保护其他元件。

晶闸管过流保护措施有以下几种。

交流短路器

交流短路器的作用是当过电流超过其整定值时动作，切断变压器一次侧交流电路，使变压器退出运行。

短路器动作时间较长，约为100~200ms。

晶闸管不能在这样长的时间里承受过电流，故它只能作为变流装置的后备保护。

进线电抗器

进线电抗器串接在变流装置的交流进线侧，以限制过电流。

其缺点是有负载时会产生较大的压降，增加了线路损耗。

过电流继电器

过电流继电器可安装在直流侧或交流侧，在发生过电流时动作，使熔断器是最简单有效的且应用普遍的过流保护器件。

针对晶闸管的特点，专门设计了快速熔断器，简称快熔。

其熔断时间小于20ms，能很快的熔断，达到保护晶闸管的目的。

快熔的选择

快熔的额定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的原件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流IT来选择，一般小于被保护晶闸管的额定有效值1.57IT。

快熔接法如右：

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。

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动作。

五、结果分析

5.1主电路原理图及其工作波形

<1>、电阻性负载

电阻性负载时输出波形：

2>、电感性负载

电感型负载时输出波形：

<3>、带反电动势负载

带反电动势负载时输出波形：

ª¥

5.2由以上分析可看出如下几点：

（1）单相半控桥式整流电路在任何时刻必须保证有两个不同组的晶闸管同时导通才能构成回路。

换流只在本组内进行，每隔120°换流一次。

由于共阴极组与共阳极组换流点相隔60°，所以每隔60°有一个元件换流。

同组内各晶闸管的触发脉冲相位差为120°，接在同一相的两个元件的触发脉冲相位差为180°，而相邻两脉冲的相位差是60°。

元件导通及触发脉冲情况如图2-13（b）、（c）所示

（2）为了保证整流装置启动时共阴与共阳两组各有一个晶闸管导通或电流断续后能使关断的晶闸管再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时加触发脉冲。

采用宽脉冲（必须大于60°、小于120°，一般取80°～100°）或双窄脉冲（在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲间隔为60°）都可达到上述目的。

采用双窄脉冲触发的方式示于图2-13（c）中。

双窄脉冲触发电路虽然复杂，但可减小触发电路功率与脉冲变压器体积，所以较多采用。

（3）整流输出电压ud由线电压波头uab、uac、ubc、uba、uca和ucb组成，其波形是上述线电压的包络线。

可以看出，单相半控桥式整流电压ud在一个周期内脉动6次，脉动频率为300Hz，比单相半波大一倍（相当于6相）。

（4）图2-13（e）所示为流过变压器次级的电流和电源线电流的波形。

由图可看出，由于变压器采用△/Y接法，使电源线电流为正、负面积相等的阶梯波，更接近正弦波，谐波影响小，因此在整流电路中，单相变压器多采用△/Y或Y/△接法。

（5）图2-13（f）所示为晶闸管所承受的电压波形。

由图可看出，在第

（1）、

（2）两段的120°范围内，因为V1导通，故V1承受的电压为零；在第（3）、（4）两段的120°范围内，因V3导通，所以V1管承受反向线电压uab；在第（5）、（6）两段的120°范围内，因V5导通，所以V1管承受反向线电压uac。

同理也可分析其它管子所承受电压的情况。

当α变化时，管子电压波形也有规律地变化。

（6）脉冲的移相范围在大电感负载时为0°～90°。

顺便指出，当电路接电阻性负载时，当α＞60°时波形断续，晶闸管的导通要维持到线电压过零反向后才关断，移相范围为0°～120°。

（7）流过晶闸管的电流与单相半波时相同，电流的平均值和有效值分别为当α＞0°时，每个晶闸管都不在自然换流点换流，而是后移一个α角开始换流，图2-14、2-15、2-16为α=30°、60°、90°时电路的波形。

从图中可见，当α≤60°时，ud的波形均为正值，其分析方法与α=0°时相同。

当α＞60°时，由于电感L的感应电势的作用，ud的波形出现负值，但正面积大于负面积，平均电压Ud仍为正值。

当α=90°时，正、负面积相等，输出电压Ud=0。

5.3整流电路参数计算

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

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。

向负载输出的直流电流平均值为：

流过晶闸管的电流平均值：

流过晶闸管的电流有效值为：

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

由上两式得

不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。

阻感负载时

整流电压平均值为：

晶闸管导通角与无关，均为180，其电流平均值和有效值分别为：

和。

变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由角决定，有效值I2=Id。

5.4元件型号选择

1、变压器T的变比为11：

1。

2、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KP100-4。

3、快速熔断器的选择

IRN=70.7A

可选用RSF-1500/80型号的。

其额定电压500V，额定电流80A。

4、压敏电阻的选择

漏电流为1mA时的额定电压U1mA应大于等于1.3U。

U为压敏电阻两端正常工作电压的有效值；可选择MY31-410/3普通型压敏电阻器，其标称电压410V，通流容量为3KA。

5、并联于晶闸管两端的RC为：

R2=20Ω,C2=0.25μf。

6、电感L的作用是平波，防止电流发生断续现象。

其值要足够大。

根据公式

=6.3H

5.5实验结果输出为：

输出电压范围：

18.56V-62.12V最大输出电流：

8.42A

具有过流保护功能，动作电流：

11.05A具有稳压功能

电源效率为73.15%

六、元器件清单

元器件

备注

数量

整流变压器

变比为11:

1，容量至少为2.464kv·A

1个

晶闸管

KP100-4

4个

电阻

其中主电路负载电阻最大为500Ω

若干个

电感

主电路负载700mH

1个

电位器

SW-SPDT

2个

二极管

10个

芯片

TCA785

1块

熔断器

RSF-1500/80型号的。

其额定电压500V，额定电流80A.

2个

电容

C=0.25μf

若干个

脉冲变压器

2个

压敏电阻

MY31-410/3普通型压敏电阻器，其标称电压410V，通流容量为3KA。

3个

7、整个电路

本实验的全部电路如上图所示，输入时220v的交流电压源，经过出发电路、开关电路和保护电路后到达输出端。

当a=30度时，波形输出为：

当a=60度时，波形输出为：

当a=90度时，波形输出为：

八、心得与体会

经过这次的单相桥式半控整流电路的设计，使得我亲身经历了一次身体和思想上的考验，二极管整流电路是不控整流电路，晶闸管是半控开关器件，当它承受了外加的正向电压时，且又同时受到触发脉冲时才能被触发导通，因此将不控整流电路的二极管换为晶闸管，控制晶闸管被施加出发脉冲的时刻就能控制晶闸管开通电路把电源电压整流后送至负载的起始时刻，从而控制器件送至负载的整流电压，实现可控整流。

电力电子是一门涉及发电、输电、配电以及电力运用的科学技术。

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，为我们电子信息科学与技术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。

另外，这次的实验中我遇到了许许多多的问题，很多在书上并没有找到相应的解决办法。

我在网上查阅了很多的相关资料，只是解决一部分的问题，还是的好好感谢我的同学们，是他们无