单相桥式全控整流电路课程设计.docx
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单相桥式全控整流电路课程设计
CompanyDocumentnumber：
WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
单相桥式全控整流电路课程设计
课程设计
课程名称：
电力电子技术
设计题目：
单相桥式可控整流电路
院（部）：
电力学院
专业：
智能电网信息工程
班级：
1401
学生姓名：
温晓波
学号：
31
成绩：
指导教师：
张小燕
完成时间：
2016年12月5日至19日
银川能源学院
课程设计评定意见
设计题目：
单相桥式可控整流电路
主要指标：
电源电压：
交流311V/50Hz、触发脚为60度。
院（部）:
电力学院专业班级：
智能电网信息工程1401
学生姓名：
温晓波学生学号：
31
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
银川能源学院课程设计任务书
姓名：
温晓波院（系）：
电力学院
学号：
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：
已知单相交流输入交流电压100V，输出功率500W，移相范围0°～90°，要求整流电压在0～50V,连续可调。
用MATLAB仿真软件进行验证。
工作量及参考文献：
每3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。
参考文献：
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术.5版.北京：
机械工业出版社，
[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，
[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，
[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。
每小组内题目各有所侧重，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：
由左昊，陶冶，温晓波组成一个设计小组；题目准备期间，左昊负责熟悉MATLAB仿真软件；陶冶负责借阅查找有关资料；温晓波负责熟悉WORD以及计算公式的使用。
课程设计期间，左昊指导其他组员MATLAB仿真软件的使用；陶冶为其他组员提供已借阅查找到的有关资料；温晓波指导其他组员WORD以及计算公式的使用。
课程设计撰写期间，左昊检查其他组员用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、参数计算、仿真验证与优化、撰写报告等五个环节独立自主进行。
指导教师签字
年月日
教研室主任意见：
签字___________
年月日
4辅助电路的设计
摘要
随着整流技术的日益完善,在现代生产中的应用也越来越多,整流电路（Rectifier）是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式各种各样，各具特色，通过在学习中分析和研究其工作原理，基本数量关系，以及负载性质对整流电路的影响，整流电路应用于电化工业、交通运输业中的磁悬浮列车的研发以及飞机船舶等各行各业，由于现代生产中的整流技术大多采用单相桥式可控整流电路,因此研究整流电路具有重要意义。
本设计主要研究单相桥式可控整流电路，对其工作原理及主要参数进行分析总结，进而更好的应用。
关键词：
整流；单相桥式；触发电路；保护电路
1课程设计目的与要求
课程设计目的
“电力电子技术”课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。
因此，通过电力电子计术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中所学的基本理论和基本方法，并初步掌整流电路设计的基本方法。
3）培养独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；
4）培养分析、总结及撰写技术报告的能力。
课程设计的预备知识
熟悉电力电子技术课程、电机学课程的相关知识。
课程设计要求
1、单相桥式全控整流的设计要求为：
负载为电阻负载，感性负载,L=,R=1欧姆.
2、技术要求:
1）、电源电压：
交流311V/50Hz
2）、触发脚为60度。
按课程设计指导书提供的课题，根据基本要求及参数独立完成设计。
2课程设计方案的选择
整流电路
单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。
而负载性质又分为带电阻性负载、电阻-电感性负载和反电动势负载时的工作情况。
单相桥式全控整流电路（电阻-电感性负载）
电路简图如下：
图
此电路对每个导电回路进行控制，与单相桥式半控整流电路相比，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。
单相全控桥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。
单相全控桥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。
根据以上的分析，我选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为电阻-电感性负载）。
元器件的选择
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，开始被性能更好的全控型器件取代。
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）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（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（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。
图晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形
a）晶闸管外形b）内部结构c）电气图形符号d）模块外形
图晶闸管的内部结构和等效电路
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
1可关断晶闸管的工作原理
图GTO的结构、等效电路和图形符号
GTO的导通机理与SCR是完全一样的。
GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。
GTO在关断机理上与SCR是不同的。
门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
3主电路的设计
系统总设计框图
系统原理方框图如所示：
图系统原理方框图
系统主体电路原理及说明
带电阻负载的电路图及波形图
带电感负载的电路图及波形图
假设，工作于稳定状态，负载电流连续，近似为一平直的直线。
（1）工作原理
在电源电压
正半周期间，VT1、VT4承受正向电压，若在
时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT4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、VT4继续导通，直到VT3、VT2被触发导通时，VT1、VT4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、VT2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、VT4中换流至VT3、VT2中在
时，电压
过零，VT3、VT2因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT4导通时，VT3、VT2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范围是
。
（1）
输出电压平均值
和输出电流平均值
（3-2-1）
（3-2-2）
（2）晶闸管的电流平均值
和有效值
（3-2-3）
（3-2-4）
（3）输出电流有效值I和变压器二次电流有效值
（3-2-5）
（4）晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压均为
原理图的分析
该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发电路构成。
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。
在电路中还加了防雷击的保护电路。
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。
在电路中,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护,而过压保护则采用RC电路。
这部分的选择主要考虑到电路的简单性，所以才这样的保护电路部分。
整流部分电路则是根据题目的要求，选择的我们学过的单相桥式整流电路。
该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能。
触发电路是由设计题目而定的，题目要求了用单结晶体管直接触发电路。
单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大，而且由于是直接触发电路它的结构比较简单。
一方面是方便我们对设计电路中变压器型号的选择。
4辅助电路的设计
驱动电路的设计
对于使用晶闸管的电路，在晶闸管阳极加正向电压后，还必须在门极与阴极之间加触发电压，使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。
驱动电路亦称触发电路。
根据控制要求决定晶闸管的导通时刻，对变流装置的输出功率进行控制。
触发电路是变流装置中的一个重要组成部分，变流装置是否能正常工作，与触发电路有直接关系，因此，正确合理地选择设计触发电路及其各项技术指标是保证晶闸管变流装置安全，可靠，经济运行的前提。
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）。
由闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散性很大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。
晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流Igt、门极触发电压U是指该型号的所有合格器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。
由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。
只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通，对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为~1MS，相当于50HZ、18度电度角。
为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。
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。
触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：
在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。
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。
例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，要求触发脉冲的移项范围是0度~180度，带大电感负载时，要求移项范围是0度~90度；三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是0度~90度。
⑤触发脉冲与主电路电源必须同步。
为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角
被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。
触发电路同时受控于电压uc与同步电压us控制。
保护电路的设计
在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。
主电路的过电压保护电路设计
所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。
产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。
其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍单相桥式全控整流主电路的电压保护方法。
1.交流侧过电压保护
过电压产生过程：
电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁芯中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时电压。
保护方法：
阻容保护
2.直流侧过电压保护
过电压产生过程：
当某一桥臂的晶闸管在导通状态突然因果载使快速熔断器熔断时，由于直流住电路电感中储存能量的释放，会在电路的输出端产生过电压。
保护方法：
阻容保护
图主电路的过电压保护
电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。
过电流分载和短路两种情况。
一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。
在选择各种保护措施时应注意相互协调。
通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。
在选择快熔时应考虑：
1、电压等级应根据快熔熔断后实际承受的电压来确定。
2、电流容量应按照其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。
快熔一般与电力半导体体器件串联连接，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It值应小于被保护器件的允许It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。
快熔对器件的保护方式分为全保护和短保护两种。
全保护是指无论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕量较大的场合。
短路保护方式是指快熔只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。
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。
1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:
图串联电感抑制回路
2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。
5元器件和电路参数计算
晶闸管的基本特性
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5-1所示。
图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，如图5-2阴影区域所示。
图晶闸管门极伏安特性
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1-12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～μs，上升时间为～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。
晶闸管基本参数
1、额定电压UTn
通常取UDRM和URRM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。
ITn：
额定电流有效值，根据管子的IT（AV）换算出，
IT（AV）、ITMITn三者之间的关系：
（5-2-1）
（5-2-2）
3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。
4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。
5通态平均管压降UT（AV）。
指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正
弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在～。
6门极触发电流Ig。
在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所用
的门极电流，一般为毫安级。
7断态电压临界上升率du/dt。
在额定结温和门极开路的情况下，不会导致
晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。
一般为每微秒几十伏。
8通态电流临界上升率di/dt。
在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电
流上升率。
若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。
9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。
（5-2-3）
额定状态下，晶闸管的电流波形系数
（5-2-4）
带电阻负载时
Ud=311V，a=60度时，由Ud=（1+cos60/2）得U2=
考虑2倍裕量：
取552，90V
带电感负载时
Ud=311V，a=60度时，由Ud=得U2=
考虑2倍裕量：
=
所以在本次设计实验中我选用4个KP10-3的晶闸管。
根据参数计算可知:
变压器应选变比为K=U2/Ud=
容量至少为1200V。
性能指标分析
整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：
一个是反映转换关系的用整流输出电压的平均值表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的，称为纹波系数。
1）整流输出电压平均值
=
=
=
（5-3-1）
2）纹波系数
纹波系数
用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即
（5-3-2）
元器件清单
元器件
备注
数量
整流变压器
变比为，容量至少为·A
1个
晶闸管
KP10-3
4个
电阻
其中主电路负载电阻最大为500Ω
1个
电感
主电路负载700mH
1个
6系
升级会员 