电气工程课程设计-单相桥式半控整流电路设计.doc

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 2012 年 7 月 18 日 课 程 电气工程课程设计 题 目 单相桥式半控整流电路设计 院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 电气 学生姓名 学生学号 指导教师 东北石油大学课程设计任务书 课程 电力电子课程设计 题目 单相桥式半控整流电路设计 专业 电气工程及其自动化 姓名 学号 主要内容： 掌握晶闸管的使用，用晶闸管控制单相桥式全控整流电路（阻感性负载）并 画出整流电路中输入输出、各元器件的电压、电流波形，理解单相桥式全控整流 电路阻感负载的工作原理和基本计算。 基本要求： 单相桥式半控整流电路，对 RL 负载供电，其中 R=10，L=20mH；要求直 流输出电压在 0180 伏连续可调。 参考资料： 1王维平.现代电力电子技术及应用M.南京：东南大学出版社，1999。 2叶斌.电力电子应用技术及装置M.北京：铁道出版社，1999。 3刘志刚.电力电子装置J.哈尔滨：哈尔滨地图出版社，2000。 4 戴龙基,张其苏,蔡蓉华. 科技情报开发与经济期刊N.北京:北京大学出 版社,2000。 5马建国.孟宪元.电子设计自动化技术基础M.清华大学出版社,2004。 完成期限 2012.7.9 至 2012.7.18 指导教师 专业负责人 2012 年 7 月 9 日 电气工程课程设计（报告） 目 录 1 设计要求.1 2 单相桥式半控整流主电路的设计1 2.1 设计的选择 .1 2.2 主电路的原理与设计.2 3 辅助电路的原理与设计 3 3.1 驱动电路 3 3.2 晶体管的选取及参数计算3 3.3 触发电路的设计.5 4 元件的选取8 4.1 晶体管的选取8 4.2 变压器的选取.8 5 电力电子器件的保护 9 5.1 晶闸管过电流保护.9 5.2 晶闸管过电压保护.10 5.3 电流上升率、电压上升率的抑制保护.10 6 系统仿真.11 7 结论.12 参考文献.14 电气工程课程设计（报告） 1 1、设计要求 （1）负载为感性负载,L=700mH,R=500 欧姆。 （2）电网供电电压为单相 220V； （3）电网电压波动为+5%-10%； （4）输出电压为 0100V。 整流电路是电力电子中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流 电能供给直流用电设备。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组 成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域广泛应用。 20 世界 70 年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主 电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中交流成分。变压器设置与否是具体 情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压于直流输出电压间的匹配以及交 流电网与整流电路之间的电隔离。可以从各种角度对整流电路进行分类，主要 的分类方法有：按组成的期间可分为不可控，半控，全控三种；按电路的结构 可分为桥式电路和零式电路；按交流输入可分为单相电路和多相电路；按变压 器二次侧的方向是单向还是双向，又可分为单拍电路和双拍电路。 本设计中用到的晶闸管已不常见，但是电子电力技术的概念和基础就是由 于晶闸管及晶闸管交流技术的发展而确立的，所以研究晶闸管有利于夯实基础 以及加强电力电子技术这本书整体的理解，我选定单相桥式半控整流电路作为 本次课程设计的主题 2、单相桥式半控整流主电路的设计 2.1 设计的选择 单相桥式整流电路可分为单相桥式相全控整流电路和单相桥式半控整流电路， 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。 电气工程课程设计（报告） 2 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） 。 2.2 主电路的原理与设计 工作原理：该电路主要由主电路和触发电路构成，输入的电网信号 220V 经 变压器变成 200V，由触发电路来控制导通角。为了保证电路出现过载或者短路 故障时，不至于伤害到晶闸管和负载，在电路中加了保护电路。经过变压及保护 电路后的信号输入整流电路中，整流电路中晶闸管在触发电路的作用下动作，以 发挥整流电路的整流作用。加续流二极管是为了防止整流失控。 在电路中，过电流保护部分我们采用快速熔断器，而过电压则采用 RC 电路。 这部分的选择主要考虑到电路的简单性。整流部分则根据题目的要求，选择我们 学过的单相桥式半控整流电路。 在单相桥式半控整流电路中，电网电压经变压器到整流电路，整流部分由两个 晶闸管 VT1、VT3和两个二极管 VD2和 VD4组成，如下图 1 所示。由于负载为阻 感负载，因此在电路中加了续流二极管 VDR，以免发生失控现象。实际运行中如 果没有徐 i，则当 突然增大至 180或者触发脉冲丢失时，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 Ud成为正弦半波，即半周期 Ud为正 弦，另外半周期 Ud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，称为失控。 在 U2正半周，触发角 处给晶闸管 VT1加触发脉冲，U2经 VT1和 VT4向负 载供电。U2过零变负时，因电感作用使电流连续，VDR导通，Ud为零。此时为负 的 U2通过 VDR向 VT1施加反压使其关断。而此时由刚才 L 中储存的能量正好保 证了电流在 VDR-R-L回路中流通，此过程也就是续流的过程。也就是说此时如果 忽略 VDR的管压降，则在续流期间 Ud为零，就不会像全控桥电路那样出现 Ud为 负的现象了。 电气工程课程设计（报告） 3 图 1 单相半控整流电路主电路 在 U2负半周，当晶闸管在触发角 处给晶闸管 VT3加触发脉冲，U2经过 VT3和 VD2向负载供电。U2过零变正的时候，同样因电感作用使电流连续，VDR 导通，Ud为零。此时为负的 U2通过 VDR 向 VT3施加反压使其关断。L 中储存的 能量保证电流在 VDR-R-L回路中流通。也就是说如果忽略 VDR的管压降，则在续 流期间 Ud为零，Ud也就不会出现为负的现象了。 3、辅助电路的原理与设计 3.1 驱动电路 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。 3.2 晶体管的选取及参数计算 单结晶体管（简称 UJT）又称双基极二极管，它是一种只有一个 PN 结和两 个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻 N 型硅片，两端分别用欧 姆接触引出两个基极 b1和 b2。在硅片中间略偏 b2一侧用合金法制作一个 P 区作为 发射极 e。 电气工程课程设计（报告） 4 只有一个 PN 结作为发射极而有两个基极三端半导体器件，早期称为双基极 二极管。其典型结构是以一个均匀轻掺杂高电阻率的 N 型单晶半导体作为基区, 两端做成欧姆接触的两个基极，在基区中心或者偏向其中一个极的位置上用浅扩 散法重掺杂制成 PN 结作为发射极。当基极 B1和 B2之间加上电压时，电流从 B2 流向 B1,并在结处基区对 B1的电势形成反偏状态。如果将一个信号加在发射极上， 且此信号超过原反偏电势时，器件呈导电状态。一旦正偏状态出现，便有大量空 穴注入基区，使发射极和 B1之间的电阻减小，电流增大，电势降低，并保持导通 状态，改变两个基极间的偏置或改变发射极信号才能使器件恢复原始状态。因此， 这种器件显示出典型的负阻特性,特别适用于开关系统中的弛张振荡器，可用于定 时电路、控制电路和读出电路。 (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 23 倍，以保证电 路的工作安全。 (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)、ITM ITn 三者之间的关系： TMTn ItdtI5 . 02Im/)()sin(Im2/1 0 2 （1） TMAVT IttdI318 . 0 Im/)(sinIm2/1 0 )( （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（24）倍。 电气工程课程设计（报告） 5 (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0.41.2V。 (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I与平均值之比称为该波形 d I 的波形系数，用Kf表示。 （3） d f I I K 额定状态下， 晶闸管的电流波形系数 57 . 1 2 )( AVT Tn f I I K （4） 3.3 触发电路的设计 用单节晶体管构成的晶闸管触发电路如图2所示。与单节晶体管构成的驰张 振荡电路相比较，电路的振荡部分相同，同步是通过对电源电路的改进实现的。 取自主电路的正弦交流电通过同步变压器 T1降压，变为较低的交流电压，然后经 过二极管整流桥变成脉动直流。稳压管 VW 和电阻 RW 的作用是削波，脉动电压 小于稳压管稳压值时，VW 不导通，其两端的电压与整流输出的电压值相等；如 果脉动电压大雨稳压管的稳压值将使 VW 击穿其两端电压保持稳压值，整流桥输 出电压高于稳压值的部分降在电阻 RW 上。这样 VW 两端的电压波形接近于一个 梯形波，用这个电压取代驰张振荡电路中的直流电源，起到同步作用。 由于振荡电路的电源为梯形波，在主电路正弦波每一半波结束和开始的一段 时间，振荡电路的电源电压很小，电路不振荡，同时电容电压释放到0。当电源 电压接近梯形波的顶部时，振荡电路开始工作，当电容充电使两端电压达到峰点 电压时，单节晶体管导通电容放电，放电电流流过 R1与被触发晶闸管的门极的并 联电路形成输出，为晶闸管提供触发脉冲，使晶闸管导通。然后电路进入下一振 荡周期，但晶闸管一经导通门极就失去控制作用，一个电源电压半周中振荡电路 电气工程课程设计（报告） 6 输出的脉冲只是第一个起到触发作用后面的脉冲是无效的。在主电路电压的半周 接近结束时，振荡的路的电源电压进入梯形波的斜边并迅速下降，振荡电路停振， 同时电容电压释放到零。因此在主电路的每一个半波中，电容总是从零开始充电， 保证了触发脉冲与主电路电压同步。 改变电位器 RP 的数值可以调节输出脉冲电压的频率。但是（RPR）的阻 值不能太小，否则在单结晶体管导通之后，电源经过 RP 和 R 供给的电流较大， 单结晶体管的电流不能降到谷点电流之下，电容电压始终大于谷点电压，因此， 单结晶体管就不能截止，造成单结晶体管的直通现象。选用谷点电流大一些的 管子，可以减少这种现象。当然， （RPR）的阻值也不能太大，否则充电太慢， 使晶闸管的最大导通角受到限制，减小移相范围。一般（RPR）是几千欧到几 十千欧。 单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度，主要决定于电容器放大电的 时间常数。R1或 C 太小，放电快，触发脉冲的宽度小，不能使晶闸管触发。因 为晶闸管从阻断状态到完全导通需要一定时间，一般在 10uf 以下，所以触发脉 冲的宽度必须在 10uf 以上。如选用 C0.11uF，R1=250100，就可得到数十 微秒的脉冲宽度。但是，若 C 值太大，由于充电时间常数（RP+R）C 的最小值 决定于最小控制角，则（RP+R）就必须很小，如上所述，这将引起单结晶体管 的直通现象。如果 R1太大，当单结晶体管尚未导通时，其漏电流就可能在 R1上 产生较大的电压，这个电压加在晶闸管的控制极上而导致误触发。一般规定， 晶闸管的不触发电压为 0.150.3V，所以上述电压不应大于这个数值。 脉冲电压的幅度决定于直流电源电压和单结晶体管的分压比。如电源电压 为20V，晶体管的分压比为0.5，则在单结晶体管导通时，电容器上的电压约为 10V，除去管压降外，可以获得幅度为78V 的输出脉冲电压。根据上述数据， 输出脉冲的宽度和幅度都能满足触发晶闸管的要求。 图中的电阻 R2是作温度补偿用的。因为在 UPUBBUD的式中，分压比几 乎不随温度而变，而 UD将随温度上升而略有下降。这样，UP就要随温度而变。 电气工程课程设计（报告） 7 图2 单结晶体管触发电路 这是不希望的。当接入 R2（及 R1）后，UBB是由稳压电源的电压 UZ经 R2、RBB、R1分压而得，而 RBB随温度上升而增大，因此在温度上升后，RBB增大， 电流就减小，R1和 R2的压降也就相应减小，UBB就增大一些，于是就补偿了 UD 因温度上升而下降之值，从而使峰点电压 UP 保持不变。 稳压管的作用是将整流电压 Uo 变换成梯形波（削去顶上一块，所谓削波） ， 稳定在一个电压值 UZ，使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周产生第一个脉冲 （第一个脉冲使晶闸管触发导通后，后面的脉冲都是无用的）的时间不受交流电 源电压波动的影响。 通过变压器将触发电路与主电路接在同一电源上，所以每当主电路的交流电 源电压过零值时，单结晶体管上的电压 UZ也过零值，两者同步。在 UZ过零值时， 单结晶体管基极间的电压 UBB也为零。如果这时电容器上还有残余电压，必然要 向 R1放电，很快放掉，以保证电容器在每一半波之初从零开始充电。这样，才能 使每半周产生第一个脉冲的时间保持不变，从而使晶闸管的导通角和输出电压平 均值保持不变。 电气工程课程设计（报告） 8 如果改变电位器 RP 的电阻值，例如增大阻值，电容器 C 的充电变慢，因而 每半波出现第一个脉冲的时间后移（即 a 角增大） ，从而使晶闸管的导通角变小， 输出电压的平均值也变小。因此，改变 RP 是起移相的作用，达到调压的目的。 4 4、元器件的选取、元器件的选取 4.1晶体管的选取 晶体闸流管简称晶闸管，也称为可控硅整流元件(SCR)，是由三个 PN 结构成 的一种大功率半导体器件，晶闸管不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元 件更为可贵的可控性，它只有导通和关断两种状态。晶闸管的优点很多，例如： 以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、 关断；无触点运行，无火花、无噪声；效率高，成本低等。因此，特别是在大功 率 UPS 供电系统中，晶闸管在整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路 中得到广泛的应用。 晶闸管的弱点：静态及动态的过载能力较差，容易受干扰而误导通。晶闸管 从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。 晶闸管是 PNPN 四层三端器件，共有三个 PN 结。分析原理时，可以把它看 作是由一个 PNP 管和一个 NPN 管所组成。 可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电极电流就是另一个晶 体管的基极电流，当有足够的门极电流 Ig 流入时，两个相互符合的晶体管电路就 会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管导通。 如果晶闸管承受的是反向阳极电压由于等效晶体管 V1和 V2均处于反压状态， 无论有无门极电流 Ig 流入，晶闸管不能导通。 通过理论分析和实验表明： 只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时，晶闸管才能导通， 两者缺一不可。 晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通和关断 均不起任何作用，故使晶闸管导通的门极电压不需要是一个持续的直流电压，只 要是一个具有一定宽度的脉冲电压即可，脉冲宽度与晶闸管的开通特性及负载性 质有关。这个脉冲称之为触发脉冲。 要使导通的晶闸管关断，必须是阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安） 。这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压接近于零或者是加反向阳极电压来实 现。这个能保持晶闸管导通的最小电流称之为维持电流，是晶闸管的一个主要参 数。 电气工程课程设计（报告） 9 4.2 变压器的选取变压器的选取 根据参数计算得出=200V，又有电网电压=220V，那么可以计算出变压 2 U 1 U 器变比 K 为： （5） 不考虑变压器损耗时，则变压器的容量。 5、电力电子器件的保护、电力电子器件的保护 在电力电子器件电路中，出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 保护势必不可少 的。 5.15.1 晶闸管过电流保护晶闸管过电流保护 晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流，过电流分 过载和短路两种情况。由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热器的传导途 径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过流，结温上升很快，特别是在瞬时短路电 流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，晶闸管承受过载或者短路电流 的能力主要受结温的限制。可用作过电流保护的主要有快速熔断器、直流快速熔 断器和过流继电器。在此我们用快速熔断器措施 来进行过电流保护。过电流保护电路图如图 3 所 示。 1 2 220 1.1 200 U K U 电气工程课程设计（报告） 10 图 3 过电流保护电路图 采用快速熔断器是电力电子装置中最有效，应用最广的一种过电流保护措施， 在选择时应考虑以下几个方面： （1)电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。 （2)电流容量应按其在主电路中的连接方式和主电路连结形式确定。快熔一 般与电力半导体器件串联连接，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)快熔的值应小于被保护器件的值。 2 I t 2 I t （4)为保证在正常过载情况下不融化，应考虑其时间电流特性。 由于晶闸管的额定电流为 16A，快速熔断器的熔断电流大于 1.5 倍的晶闸管 额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为 24A。 5.25.2 晶闸管过电压保护晶闸管过电压保护 电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压。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。内因过电压电力电子装置内部器件 的开关过程，主要包括换向过电压和关断过电压。因此我们有必要对设备进行适 当的过电压保护。在此设计中我们采用阻容式过电压保护。 5.35.3 电流上升率、电压上升率的抑制保护电流上升率、电压上升率的抑制保护 （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 0.1mm/s 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 4 所示： 图 4 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 电气工程课程设计（报告） 11 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。 6、系统仿真 单相桥式半控整流电路在 Simulink 环境下，运用 PowerSytemBlockest 的各 种元件模型建立了单相桥式半控整流电路的仿真模型如图 5 所示 图 5 单相桥式半控整流电路仿真模型 在实际电路中电源部分应该是从电网引进 220V 电压经变压器降低成 200V 的电源然后接入电路中，在此我们为了简单采用的是 Matlab 里面的交流电源，设 置参数时电压设置成 200V，频率为 50HZ。对于触发电路部分，采用的是 Matlab 里的方波脉冲触发器，为了与主电路相同，这两个脉冲发生器的周期都设置成 0.02s。但是为了区分 VT1和 VT2不同的触发角，须将两者的延迟时间设置成不一 样的，如将 VT1的触发延迟时间设置成 0.0025s，将 VT2的触发延迟时间设置成 0.0125s。 电气工程课程设计（报告） 12 图 6 =30时 Matlb 仿真波形 这样在计算时相当于在 30时进行触发。Matlab 仿真波形如图 6 所示。上图 中图 a 是经过变压器降压后 U2=200V 时的波形图；图 b 是触发电路的波形，为 了能区分，第一个 VT1的触发脉冲的幅值比第二个大；图 c 是晶闸管 VT1的电流 波形；图 d 是主干路上的电流波形。最下面一个图则是 Ud 的波形图。 7、结论 这次课程设计让我明白很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在课本中 没有完全介绍的。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，所以我查 阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到很多相关的知识，为这次课 程设计做了很多帮助。 对于课程设计的内容，首先要做的应是对设计内容的理论理解，在理论充分 理解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。整流电路中， 基本元件的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路