单项桥式整流电路课设资料.docx
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单项桥式整流电路课设资料
课程设计
课程名称：
电力电子技术
设计题目：
单项桥式可控整流电路
院系：
电力学院
班级：
智能电网信息工程
设计者：
高赞钧
学号：
1410240330
指导教师：
张小燕
设计时间：
2016年12月5—19日
银川能源学院
课程设计评定意见
设计题目：
单项桥式可控整流电路
主要指标：
输入电压单相220VAC；变压器二次侧电压为110V；
输出电压0～100VDC；
院（部）:
电力学院专业班级：
智能电网信息工程1401班
学生姓名：
高赞钧学生学号：
1410240330
序号
评价项目
满分值
实际得分
1
选题难易度及工作量
10
2
设计步骤的完整性
10
3
应用理论的正确性及对知识掌握的程度
50
4
书写的规范性
10
5
创造性及综合应用能力（结合实际）
10
6
课程设计答辩成绩
10
合计
100
备注
90～100为优；80～89为良；70～79为中；60～69为及格；
59及以下为不及格。
指导教师评语
指导老师（签名）：
2016年月日
评定意见：
□优□良□中□及格□不及格
银川能源学院课程设计任务书
姓名：
高赞钧院（系）：
电力学院
学号：
1410240330班级：
智能电网信息工程1401
任务起至日期2016年12月5日至2016年12月19日
课程设计题目:
单相桥式可控整流电路的设计
已知技术参数和设计要求：
输入电压单相220VAC；变压器二次侧电压为110V;输出电压0～100VDC。
负载自拟，其他参数自己设定。
用MATLAB仿真软件进行验证。
工作量及参考文献：
每4人组成1个设计小组，通过共同讨论，确定每个题目的设计思路、方法，各自独立完成上述设计任务。
设计的成果应包括：
主电路的设计；器件的选型；驱动电路、保护电路的概念（如侧重该部分的设计则详细描述）；用MATLAB仿真软件中的Simulink绘制的主电路和控制电路的原理图，电路设计过程的详细说明书及进行的仿真和记录。
正文4000字以上,即A4打印页数不少于10页。
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术.5版.北京：
机械工业出版社，2009.5
[2]王兴贵，陈伟，张巍.现代电力电子技术.北京：
中国电力出版社，2010.8
[3]裴云庆，卓放，王兆安.电力电子技术学习指导、习题集及仿真.北京：
机械工业出版社，2012.10
[4]潘湘高.基于Matlab的电力电子电路建模仿真方法的研究.计算机仿真，第20卷第5期.
[5]薛定宇，陈阳泉.基于Matlab／Simulink的系统仿真技术与应用.北京：
清华大学出版社，2002.
工作计划安排：
学时安排为2周。
第1周：
全体开会，布置任务，组成设计小组，每小组3～6人（每班40～42人分四大组，每大组10～11人），鼓励同学们互相讨论和启发。
每小组题目各有所侧重，不得完全重复；会后开始设计工作。
答疑，审查设计方案。
完成主电路的设计、所用元器件的选择工作。
第2周
撰写并完成设计说明书（必要时进行仿真和记录）、设计小结等。
同组设计者及分工：
由虎兴花丶梁文倩丶高赞钧丶张翔组成一个设计小组；题目准备期间，虎兴花丶梁文倩负责熟悉MATLAB仿真软件；高赞钧负责借阅查找有关资料；张翔负责应用WORD以及计算有关数据。
课程设计期间，虎兴花和梁文倩指导其他组员MATLAB仿真软件的使用；高赞钧为其他组员提供已借阅查找到的有关资料；张翔指导其他组员WORD以及计算公式的使用。
课程设计撰写期间，虎兴花和梁文倩检查其他组员用MATLAB仿真软件验证主电路设计的正确性。
要求每个人必须独立完成所有设计任务，即要求每个学生从审题、主电路设计等环节独立自主进行。
指导教师签字
教研室主任意见：
签字___________
年月日
摘要
整流在现实生活中非常普遍。
本课设介绍的是单相桥式整流电路，将单相220V交流电整流成0~110V电压。
本次课设分为三大模块，分别为主电路、触发电路、保护电路。
主电路分为电阻性负载、阻感性负载、反电动势负载；触发电路分为晶闸管触发电路、锯齿波触发电路、集成化晶闸管移相触发电路；保护电路分别设计了晶闸管的过压保护及过流保护，最后用MATLAB仿真软件对电路进行仿真。
关键词：
单相桥式；整流电路；MATLAB；仿真验证
目录
第一章设计方案选择及论证1
1.1设计任务和要求1
1.1.1设计任务1
1.1.2设计要求1
1.2总体方案的选择与确定1
1.3整流电路方案的确定2
第二章系统总体设计3
2.1系统原理方框图3
2.2主电路设计4
2.2.1工作原理4
2.2.2单相全控桥式整流电路5
第三章驱动电路和保护电路的设计6
3.1触发电路设计6
3.1.1单结晶体管触发电路6
3.1.2单结晶体管自激震荡电路7
3.1.3同步电源8
3.1.4移相控制8
3.1.5脉冲输出8
3.2保护电路的设计8
3.2.1过电流保护9
3.2.3过压保护10
第四章元器件和电路参数计算11
4.1元件选取-----晶闸管（SCR）11
4.1.1晶闸管的基本特性11
4.1.2晶闸管的主要参数13
4.2整流变压器额定参数计算15
4.2.1一次与二次额定电流及容量计算15
4.3设计结果分析16
第五章系统调试与仿真17
六．设计总结22
七．致谢23
八.参考文献24
第一章设计方案选择及论证
1.1设计任务和要求
1.1.1设计任务
本次设计的任务是设计一个单相桥式全控整流电路。
确定设计总体方案，通过总体方案来设计各个单元电路，如触发电路、保护电路等；根据要求计算参数，包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算；输出波形分析，器件额定参数确定等；完成这些后，将各个单元电路衔接起来，并完成主电路的设计；然后再用MATLAB软件仿真调试。
1.1.2设计要求
输入电压单相220VAC；变压器二次侧电压为110V;输出电压0～100VDC。
负载自拟，其他参数自己设定。
用MATLAB仿真软件进行验证。
1.2总体方案的选择与确定
单相桥式带阻感负载整流电路可分为单相桥式带阻感负载相控整流电路和单相桥式带阻感负载半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。
下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。
单相半控整流电路的优点是：
线路简单、调整方便。
弱点是：
输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（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。
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。
单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。
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）。
1.3整流电路方案的确定
单相整流器的电路形式是各种各样的，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1.1单相桥式半控整流电路图
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1.2单相桥式全控整流电路电路图
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：
单相全波可控整流电路
电路简图如下：
图1.3单相全波可控整流电路图
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，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电路。
第二章系统总体设计
2.1系统原理方框图
系统原理方框图如2.1所示：
整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路
组成。
根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路接电阻性负载。
单相电源输入为交流。
-
图2.1系统整体设计框图
2.2主电路设计
2.2.1工作原理
负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出Ud、id的波形具有不同的特点。
当负载电感量L较小（即负载阻抗角φ），控制角α〉φ时，负载上的电流不连续；当电感L增大时，负载上的电流不连续的可能性就会减小；当电感L很大，且ωLd﹥﹥Rd示时，这种负载称为大电感负载。
此时大电感阻止负载中电流的变化，负载电流连续，可看作一条水平直线。
在电源电压u2正半周期间，晶闸管T1、T2承受正向电压，若在ωt=α时触发，T1、T2导通，电流经T1、负载、T2和Tr二次形成回路，但由于大电感的存在，u2过零变负时，电感上的感应电动势使T1、T2继续导通，直到T3、T4被触发时，T1、T2承受反向电压而截止。
输出电压的波形出现了负值部分。
在电源电压u2负半周期间，晶闸管T3、T4承受正向电压，在ωt=α+π时触发，T3、T4导通，T1、T2反向则制，负载电流从T1、T2中换流至T3、T4中。
在ωt=2π时，电压u2过零，T3、T4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期T1、T2导通时，T3、T4因加反向电压才截
值得注意的是，只有当α〈=π/2时，负载电流才连续，当α〉π/2时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相范围是0—π/2。
图2.2整体电路原理图
2.2.2单相全控桥式整流电路
在生产实践中，除了电阻性负载外，最常见的负载还有电感性负载，如电动机的励磁绕组，整流电路中串入的滤波电抗器等。
为了便于分析和计算，在电路图中将电阻和电感分开表示。
当整流电路带阻感性负载时，整流工作的物理过程和电压、电流波形都与带电阻性负载时不同。
因为电感对电流的变化有阻碍作用，即电感元件中的电流
（a）.电路；（b）.电源电压；（c）.触发脉冲；（d）.输出电压；（e）.输出电流；
（f）.晶闸管V1,V4上的电流；（g）.晶闸管V2,V3上的电流；（h）.变压器副边电流；（i）.晶闸管V1,V4上的电压
不能突变，当电流变化时电感要产生感应电动势而阻碍其变化，所以，电路电流的变化总是滞后于电压的变化。
负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算：
输出电流波形因电感很大，平波效果很好而呈一条水平线。
两组晶闸管轮流导电，一个周期中各导电180°，且与α无关，变压器二次绕组中电流i2的波形是对称的正、负方波。
负载电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为1。
在这种情况下：
当α=0°时，Ud=0.9U2；
当α=90°时，Ud=0，其移相范围为90°。
晶闸管承受的最大正、反向电压都是
第三章驱动电路和保护电路的设计
3.1触发电路设计
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。
3.1.1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3-1（a）所示。
图3.1单结晶体管触发电路及波形
3.1.2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3-1（a）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路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3.1.2.2（b）所示，其震荡频率为
f=1/T=1/ReCLn（1/1-η）……………………3.1
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
3.1.3同步电源
同步电压由变压器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.
3.1.4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。
3.1.5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。
3.2保护电路的设计
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。
3.2.1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，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：
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。
常见的过电流保护原理图如下所示
图3.3过流保护原理图
3.2.3过压保护
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。
见下图3-4和下图3-5
图3.4阻容三角抑制过电压图3.5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。
常见的过电压保护原理图如下图所示：
图3.6过电压保护电路图
第四章元器件和电路参数计算
4.1元件选取-----晶闸管（SCR）
4.1.1晶闸管的基本特性
1．静态特性
静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。
这里介绍阳极伏安特性和门极伏安特性。
（1）阳极伏安特性
晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak与阳极电流ia之间的关系曲线，如图所示。
图4.1晶闸管阳极伏安特性
①正向阻断高阻区；②负阻区；③正向导通低阻区；④反向阻断高阻区
阳极伏安特性可以划分为两个区域：
第Ⅰ象限为正向特性区，第Ⅲ象限为反向特性区。
第Ⅰ象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。
（2）门极伏安特性
晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J3，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压Ug与门极电流Ig间的关系。
由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，阴影区域所示。
图4.2晶闸管门极伏安特性
2．动态特性
晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。
在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。
（1）开通特性
晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。
图4.3给出了晶闸管的开关特性。
在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。
从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值IT的10%所需的时间称为延迟时间td，而阳极电流从10%IT上升到90%IT所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间 tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.5～1.5μs，上升时间为0.5～3μs。
延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。
图4.3晶闸管的开关特性
（2）关断特性
通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。
反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。
要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。
晶闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。
突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值IRM后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。
4.1.2晶闸管的主要参数
要正确使用一个晶闸管，除了了解晶闸管的静态、动态特性外，还必须定量地掌握晶闸管的一些主要参数。
现对经常使用的几个晶闸管的参数作一介绍。
1．电压参数
（1）断态重复峰值电压UDRM
门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称断态不重复峰值电压UDSM，“不重复”表明这个电压不可长期重复施加。
取断态不重复峰值电压的90％定义为断态重复峰值电压UDRM，“重复”表示这个电压可以以每秒50次，每次持续时间不大于10ms的重复方式施加于元件上。
（2）反向重复峰值电压URRM
门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区反向漏电流急剧增长的拐弯处所决定的的电压称为反向不重复峰值电压URSM，这个电压是不能长期重复施加的。
取反向不重复峰值电压的90％定义为反向重复峰值电压URRM，这个电压允许重复施加。
（3）晶闸管的额定电压UR
取UDRM和URRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上。
电压等级不是任意决定的，额定电压在1000Ｖ以下是每100Ｖ一个电压等级，1000Ｖ至3000Ｖ则是每200Ｖ一个电压等级。
由于晶闸管工作中可能会遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值UM的2~3倍，以作安全余量。
UR=（2～3）UM
（4）通态平均电压UT（AV）
指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴极间电压的平均值，也称之为管压降。
在晶闸管型号中，常按通态平均电压的数值进行分组，以大写英文字母A～I表示。
通态平均电压影响元件的损耗与发热，应该选用管压降小的元件来使用。
2．电流参数
（1）通态平均电流IT（AV）
在环境温度为＋40℃、规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相、工频、正弦半波、导通角不小于170°的电路中，当结温稳定在额定值125℃时所允许的通态时的最大平均电流称为额定通态平均电流IT（AV）。
选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。
由于晶闸管的过载能力小，为保证安全可靠工作，所选用晶闸管的额定电流IT（AV）应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.5～2倍。
按晶闸管额定电流的定义，一个额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。
晶闸管额定电流的选择可按下式计算。
（2）维持电流IH
维持电流是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。
维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。
（3）掣住电流IL
晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。
一般掣住电流比维持电流大（2～4）倍。
3．晶闸管的型号
普通型晶闸管型号可表示如下
KP[电流等级]—[电压等级/100][通态平均电压组别]
其中其中K代表闸流特
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