单相桥式整流电路课程设计报告.docx

1、单相桥式整流电路课程设计报告电力电子课程设计报告一、 设计任务说明 3二、 设计方案的比较 4三、 单元电路的设计和主要元器件说明 6四、 主电路的原理分析 9五、 各主要元器件的选择： 12六、 驱动电路设计 14七、 保护电路 16八、 元器件清单 21九、 设计总结 22十、 参考文献 23亠、设计任务说明1.设计任务：1） 进行设计方案的比较，并选定设计方案；2） 完成单元电路的设计和主要元器件说明；3） 完成主电路的原理分析，各主要元件的选择;4） 驱动电路的设计，保护电路的设计；5） 利用仿真软件分析电路的工作过程；2.设计要求：1） 单相桥式相控整流的设计要求为：负载为感性负载，

2、L=700mH R=500Q2） 技术要求：A.电网供电电压为单相 220V;B.电网电压波动为 5% 10%C.输出电压为0 100V;1、设计方案的比较单相桥式整流电路有两种方式，一种是单相桥式全控整流电 路，一种是单相桥式半控整流电路。主要方案有三种： 方案一：采用单相桥式全控整流电路，电路图如下：对于这个电路，每一个导电回路中有两个晶闸管， 即用两个晶闸 管同时导通以控制导电的回路， 不需要续流二极管，不会出现失 控现象，整流效果好，波形稳定。变压器二次绕组不含直流分量， 不会出现变压器直流磁化的问题，变压器利用率高。方案二：采用单相桥式半控整流电路，电路图如下：相较于单相桥式全控整流

3、电路， 对每个导电回路进行控制， 只需一个晶闸管，而另一个用二极管代替，这样使电路连接简便，且降低了成本，降低了损耗。但是若无续流二极管，当 a突然增大到180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个 二极管轮流导通的情况，这使 山成为正弦半波，级半周期 5为 正弦波，另外半周期山为零，其平均值保持恒定，相当于单相半 波不可控整流电路时的波形，即失控现象。因此该电路在实际应 用中需要加设续流二极管。综上所述：单相桥式半控整流电路具有线路简单、调整方便的优 点。但输出电压脉动冲大，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

4、相桥式全控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。 因此选择方案一的单相桥式 全控整流电路。三、单元电路的设计和主要元器件说明1.单相桥式全控整流电路，如图所示:由一台变压器、四个晶闸管经过桥接而成，负载为阻感负载。晶 闸管VTi和VT4组成一对桥臂，VI和VT3组成另一对桥臂。2.主要元器件一一晶闸管晶闸管（Thyristor ）是晶体闸流管的简称，又可称做 可控硅整 流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用 电器公司开发出世 界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN 四层半导体结构，

5、它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具 有硅整流器件的特性，能在高电压、大 电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控 整流、交流调压、无触点 电子开关 逆变及变频等电子 电路中。1）晶闸管的分类：晶闸管按其关断、导通及控制方式可 分为普通晶闸管（SCR、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT、 门极关断晶闸管（GTO、BTG晶闸管、温控晶闸管（TT国外，TTS国内）和光控晶闸管（LTT）等多种。晶闸管按其 引脚和极性可 分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。 晶闸管按其封装形 式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和 陶瓷封装晶闸管三种类 型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓

6、形、平板形、圆壳形等多 种；塑圭寸晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。 晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管 三种。通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶 闸管则多采用塑封或 陶瓷封装。晶闸管按其关断速度可分为普通 晶闸管和快速晶闸管，快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计 的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸 管，可分别应用于400HZ和10KHZ以上的斩波或逆变电路中。（备 注：咼频不能等同于快速晶闸管）2）工作原理晶闸管在工作过程中，它的阳极（ A）和阴极（K）与电源和 负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控

7、制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。半控型晶闸管的工作条件：1晶闸管承受反向阳极电压时， 不管门极承受何种电压， 晶 闸管都处于反向阻断状态。2晶闸管承受正向阳极电压时， 仅在门极承受正向电压的情 况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态， 这就是晶闸 管的闸流特性，即可控特性。3晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论 门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作 用。门极只起触发作用。4晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接 近于零时，晶闸管关断。全控型晶闸管的工作条件：1晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶 闸管都处于反向阻断状态

8、。2晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压（或 电流）的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态。3晶闸管导通后，门极加反向电流或失去电压， 晶闸管关断; 或者门极正常，但主电路电压（或电流）减少到接近于零时，晶 闸管也关断。四、主电路的原理分析主电路为单相桥式全控整流电路。 对于阻感负载，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。U2的波形如图所示，在U2的正 半周期，触发角，处给晶闸管VTl和VT4加触发脉冲使其开通， Ud汕2。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电 流起平波左右，假设负载电感很大，负载电流 id连续且波形近似为一条水平线，其波形如图。U2过零变负时

9、，由于电感的作用， 晶闸管VTl和VT4中仍流过电流id，并不关断。至 沁-二*时刻，给 VT?和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。 VT2和VT3导通后，U2通过VT2和VT3分别向VTl和VT4施加反压使VTl和 VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到 皿和VT3上，此过程称 为换相，亦称换流。至下一周期重复上述过程，如此循环下去， Ud的波形如图所示，其平均值为1 兀妆L 22ud 2U 2 sin；： td( t) U2cos： = 0.9U2 cos-当，=0时，50=0.96 ；时，Ud“。晶闸管移相范围为0 90。单相桥式全控整流电路带阻感负载

10、时， 晶闸管VT1和VT4的电压波形如图所示，晶闸管承受的最大反向电压均为 2U2。晶闸管导通角二与无关，均为180，其电流波形如图所示。平均值有1丄人 Ivt =-ld =0.707ld效值分别为 2 d和 2 。变压器二次电流i2的波形为正负各180的矩形波，如图所示，其相位由 角决定，有 效值J Jd。(f)3 r整流电路参数计算:1）整流输出电压的平均值:h1 2U2Sin td( t) n2 2U2COS-O.9U2COS：a ji当：一o 时，Ud 取得最大值 100V 即 Ud =0.9U10CV 得 U2 =111V当:一90；时，5 =0。角的移相范围为902） 整流输出电压

11、的有效值为：U = 1 ： （ 2U 2 si n，t）2d（t） =U2 =111V3） 整流电流的平均值为：Ud U2I d 0.9cos- 0.2ARd Rd4） 整流电流的有效值为：I = Id =0.2A5）在一个周期内每组晶闸管各导通 180，两组轮流导通，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。有效值:IdT Jt Id = Id = 1 Id =0.1A2- 2 二 2流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为: 平均值:五、各主要元器件的选择:1.晶闸管的选择：1）电压定额晶闸管的额定电压通常取晶闸管的 Udrm （断态重复峰值电压）和U

12、rrm （反向重复峰值电压）中较小的标值作为该器件的额定电 压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常 工作时晶闸管所承受峰值电压的 23倍。即UTn=mi nUDRM，URRM且Uto -（23）Utm。因此，Utm二2u 2 11157V ；考虑到留23倍的裕量，所以取UTn =400/2）电流定额通态平均电流IT（AV）国际规定通态平均电流为晶闸管在环境 温度为40 C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所 允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 这也是标称其额定电流的参数。通常按照实际波形的电流与晶闸管允许的最大正弦 半波电流（其平均值即通态平均电流 It（av

13、）所造成的发热效应相 等（即有效值相等）的原则来选取晶闸管的此项电流定额，并应 留一定的裕量。一般取其通态平均电流为按此原则所得计算结果 的1.52倍则晶闸管的额定电流为:I 0 2仏2)i；7 心2) i.57.52)0.09A因此，取 I TN (AV) =1A2.变压器的选择220111在不考虑损耗的情况下，选择整流变压器的容量为:S =U2I2 =U2I =111 0.2 =22.2V A六、驱动电路设计晶闸官的电流谷量越大，要求的触发功率越大，对于大中电 流容量的晶闸管，为了保证其触发脉冲具有足够的功率， 往往采用由晶体管组成的触发电路。晶体管触发电路按同步电压的形式 不同，分为正弦

14、波和锯齿波两种。同步电压为锯齿波的触发电路， 不受电网波动和波形畸变的影响， 移相范围宽，应用广泛。因此， 这里采用同步电压为锯齿波的触发电路。同步电压为锯齿波的触发电路输出可为双窄脉冲，也可为单窄脉冲。它由三个基本环节构成：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相同步环节。电路图如下:各点的电压波形为:锯齿波是由开关V2管来控制的:1) V2开关的频率就是锯齿波的频率 由同步变压器所接的交 流电压决定；2)V2由导通变截止期间产生锯齿波一一锯齿波起点基本就是同 步电压由正变负的过零点；3)V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度取决于充电时 间常数R1C1七、保护电路晶闸管的保护电路，大致可以

15、分为两种情况：一种是在适当 的地方安装保护器件，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。1.晶闸管的过流保护晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类 :一类是由于整流电路内部原因，如整流晶闸管损坏，触发电路或控制系统有 故障等；其中整流桥晶闸管损坏类较为严重 ,一般是由于晶闸 管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥 臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换 流，因而产生线间短路引起过电流 .另一类则是整流桥负载外电 路发生短路而引起的过电流， 这类情况时有发生，因为整流桥的 负载实质是逆变桥，逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短 路。另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大 地时，也会发生整流桥相对地短路。对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆 变