单相桥式全控整流电路设计课程设计稿.docx

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单相桥式全控整流电路设计课程设计稿

中北大学

课程设计说明书

学生姓名：

学号：

学院：

信息与通信工程学院

专业：

自动化

题目：

单相桥式全控整流电路设计

（纯电阻负载、反电势电阻负载）

指导教师：

方炜职称:

讲师

2011年12月31日

中北大学

课程设计任务书

11/12学年第一学期

学院：

信息与通信工程学院

专业：

自动化

学生姓名：

学号：

课程设计题目：

单相桥式全控整流电路设计

（纯电阻负载、反电势电阻负载）

起迄日期：

12月25日～12月31日

课程设计地点：

电气工程系实验中心

指导教师：

方炜

系主任：

王忠庆

下达任务书日期:

2011年12月25日

课程设计任务书

1．设计目的：

1）培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。

2）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

3）培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。

4）提高学生课程设计报告撰写水平。

2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

设计内容：

1、设计一个单相全控桥式晶闸管整流电路（纯电阻负载）

设计要求：

1）电源电压：

交流100V/50Hz；

2）输出功率：

500W；

3）移相范围：

0°～180°。

2、设计一个单相全控桥式晶闸管整流电路（反电势电阻负载）

设计要求：

1）电源电压：

交流100V/50Hz；

2）输出功率：

500W；

3）移相范围：

30º~150º；

4）反电势：

E=70V。

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计说明书、图纸、实物样品等〕：

设计工作任务及工作量的要求：

1）根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路和触发电路；

2）用Multisim等软件制作主电路和控制电路原理图；

3）撰写课程设计报告——画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理，完成元器件参数计算，元器件选型，说明控制电路的工作原理，用Multisim或EWB等软件绘出主电路典型的输出波形（比较实际波形与理论波形），绘出触发信号（驱动信号）波形，说明设计过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料。

课程设计任务书

4．主要参考文献：

1、樊立萍，王忠庆.电力电子技术.北京:

北京大学出版社,2006

2、徐以荣，冷增祥.电力电子技术基础.南京：

东南大学出版社，1999

3、王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：

机械工业出版社,2005

4、童诗白.模拟电子技术.北京:

清华大学出版社,2001

5、阎石.数字电子技术.北京:

清华大学出版社,1998

6、邱关源.电路.北京：

高等教育出版社，1999

7、贺超英.MATLAB应用与实验教程.北京：

电子工业出版社，2010

5．设计成果形式及要求：

1）撰写课程设计报告；

2）用PROTEL或其它软件画出主电路和触发电路原理图；

3）用EWB或其它软件绘出主电路典型波形，触发信号（驱动信号）波形。

6．工作计划及进度：

2011年12月25日~12月27日收集资料，计算所需参数并选定元器件；

12月28日~12月29日完成主电路、控制电路设计；绘出波形图；

12月30日~12月31日完成课程设计报告，下午答辩。

系主任审查意见：

签字：

2011年12月25日

一．单相桥式全控整流电路（纯电阻负载）

1理论设计

1.1单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路分析

单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路如图

（1）：

图

（1）

在单项桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。

在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。

若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1、VT4即导通，电流从a端经VT1、R、VT4流回电源b端。

当u2为零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。

在u2负半周，仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3（VT2和VT3的α=0处为ωt=π），VT2和VT3导通，电流从电源的b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。

到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。

此后又是VT1和VT4导通，如此循环的工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1，和VT4两端的电压波形如下图

（2）所示，晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为

U2和

U2。

1.2工作原理

第1阶段（0~ωt1）：

这阶段u2在正半周期，a点电位高于b点电位晶闸管VT1和VT2方向串联后于u2连接，VT1承受正向电压为u2/2，VT2承受u2/2的反向电压；同样VT3和VT4反向串联后与u2连接，VT3承受u2/2的正向电压，VT4承受u2/2的反向电压。

虽然VT1和VT3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以Ud=0，id=0。

第2阶段（ωt1~π）：

在ωt1时同时触发VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向电压而导通，有电流经a点→VT1→R→VT3→变压器b点形成回路。

在这段区间里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。

由于VT1和VT3导通，忽略管压降，uVT1=uVT2=0，而承受的电压为uVT2=uVT4=u2。

第3阶段（π~ωt2）：

从ωt=π开始u2进入了负半周期，b点电位高于a点电位，VT1和VT3由于受反向电压而关断，这时VT1~VT4都不导通，各晶闸管承受u2/2的电压，但VT1和VT3承受的事反向电压，VT2和VT4承受的是正向电压，负载没有电流通过，ud=0，id=i2=0。

第4阶段（ωt2~π）：

在ωt2时，u2电压为负，VT2和VT4受正向电压，触发VT2和VT4导通，有电流经过b点→VT2→R→VT4→a点，在这段区间里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。

由于VT2和VT4导通，VT2和VT4承受u2的负半周期电压，至此一个周期工作完毕，下一个周期，充复上述过程，单项桥式整流电路两次脉冲间隔为180°。

1.3参数计算

整流电压平均值为：

α角的移相范围为00-1800。

向负载输出的平均电流值为：

流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半（因为一个周期内每个晶闸管只有半个周期导通），即：

1.4晶闸管选型

该电路为纯电阻负载

时，不计控制角余量按

计算

由

得

U有效=100V，P=500W

所以R=

晶闸管承受的最大反向电压为

，考虑安全余量。

则晶闸管额定电压

Ⅰ、所选晶闸管电流有效值

大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。

Ⅱ、选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。

即

当

时晶闸管流过最大电流有效值IVT=7.84A

则晶闸管额定电流IT=7.84÷1.57=4.99A,取2倍余量，Id=9.99A

所以在本次设计中我选用4个KP20-4的晶闸管。

元器件

备注

数量

电阻

20Ω

1个

晶闸管

KP10-A

4个

2仿真实验

利用MATLAB仿真软件对单项桥式全控整流电路和控制电路进行建模并仿真。

2.1单相桥式全控整流电路带电阻性负载MATLAB建模

单相桥式全控整流电路带电阻性负载仿真电路图如图（3）所示：

图（3）

2.2仿真与分析

波形图分别代表晶体管VT上的电压、变压器二次侧电流I2，电阻的电压。

下列波形分别是延迟角α为30°、60°、90°、120°时的波形变化。

（1）

（1）当延迟角α=30°时，波形图如图（4）所示：

（2）当延迟角α=60°时，波形图如图（5）所示：

图（5）

（3）当延迟角α=90°时，波形图如图（6）所示：

图（6）

（3）当延迟角α=120°时，波形图如图（7）所示：

图（7）

4.1.1触发电路

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：

触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

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，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。

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。

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。

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，

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。

强触发电流波形图

触发电路图

因为VT1跟VT3共阴极，所以VT1和VT3可以共一个触发器，VT2和VT4分别用一个触发器，所以用上图触发电路触发VT2和VT4，VT1和VT3可以用类似的一个触发器触发。

2．单相桥式全控整流电路（反电势负载）

1．电路结构与工作原理

（1）电路结构

单相桥式全控整流电路（电阻性反电势）电路图如下图所示：

单相桥式全控整流电路（电阻性反电势）电路图

（2）工作原理

1）若是感性负载，当u2在正半周时，在ωt＝α处给晶闸管VT1加触发脉冲，VT1导通后，电流从u2正端→VT1→L→R→VD4→u2负端向负载供电。

u2过零变负时，因电感L的作用使电流连续，VT1继续导通。

但a点电位低于b点，使电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是经VT1和VD2续流，则ud=0。

2）在u2负半周ωt＝π+α时刻触发VT3使其导通，则向VT1加反压使之关断，u2经VT3→L→R→VD2→u2端向负载供电。

u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。

VT3和VD4续流，ud又为零。

此后重复以上过程。

2、单相桥式全控整流电路（电阻性反电势）原理电路

单相桥式全控整流电路（电阻性反电势）仿真电路图如下图所示：

单相桥式全控整流电路（电阻性反电势）仿真电路图

当晶闸管导通时，输出端电压仍是ud=u2，当电流断续，晶闸管阻断时，输出端电压Ud=E，即为反电势电压，因为输出平均电压比电阻负载时高，其输出平均电压为

Ud=E+

当α<

时，如果触发脉冲宽度小于

则电路无法工作，如为宽脉冲触发，则总是在

处触发脉冲起作用，其最大输出平均电压为

可见其最大输出平局电压Udm与停止导电角

有关。

当

=900，Udm=

，即反电势E的高度与供电电压峰值

相等的极限情况，实际上这时负载电流为零，电路已不能工作，因此，反电势越高，停止导电角越大，输出的电压就越高，电流断续情况越严重。

为了改善这种情况，增加导电角，可在电路中串联平波电抗器，即变为电感，反电势负载。

3参数计算

根据波形得负载端有效电压

U有效=105.15V

因为P=500W，E=70，所以R=7.4

晶闸管的最大反向电压为

，则额定电压取3倍余量为424.2V

所以流过晶闸管的最大电流有效值IVT=4.75A，

则IT=IVT÷1.57=3.02A，取3倍余量，IT=9.07A

元器件

备注

数量

晶闸管

KP10A

4个

电阻

7.4

1个

直流电源E

70V

1个

3、仿真与分析

下列所示波形图中，波形图分别代表晶体管VT1上的电流和电压、负载（纯电阻）的电流、交流电源的输出电流、负载（纯电阻）的电压、晶体管VT2上的电压和电流。

下列波形分别是延迟角α为30°、60°、90°时的波形变化。

（1）当延迟角α=30°时，波形图如下图所示：

α=30°单相桥式全控整流电路（电阻性反电势）波形图

（2）当延迟角α=60°时，波形图如下图所示：

α=60°单相桥式全控整流电路（电阻性反电势）波形图

（3）当延迟角α=90°时，波形图如下图所示：

α=90°单相桥式全控整流电路（电阻性反电势）波形图

3．总结

通过单相全控桥式整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子技术产生了浓烈的兴趣。

要设计一个电路，首先要对所设计电路的原理知识了解很深，这样才能设计出较好的电路，完成预期的效果。

在整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大，在设计过程中，由于晶闸管的选择不当而有好几次没有得到理想的波形。

本次电路的设计碰到的问题还不少，对于触发电路的设计是比较难的，要得到比较好的触发信号，对触发电路的要求是比较高的，因此在我们在设计触发电路的时候碰到的了难题。

最后在我们的努力下，把触发电路给设计好了。