单相双半波晶闸管整流电路设计纯电阻负载教材

1、学 号： 0121011360301 课程设计 题 目 单相双半波晶闸管整流电路 的设计（纯电阻负载） 学 院 自动化学院 专 业 自动化 班 级 自动化 1003 班 姓 名 指导教师 2012 年 12 月 29 日 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目 : ：单相双半波晶闸管整流电路的设计（纯电阻负载） 初始条件 : 1、电源电压：交流 100V/50Hz 2 、输出功率： 500W 3 、移相范围 0o180o 要求完成的主要任务 : （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等 具体要求） 1、根据课程设计题目，收集相关资料、设计主

2、电路、控制电路； 2、用 MATLAB/Simulink 对设计的电路进行仿真； 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、 选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、 绘出主电路典型波形， 绘出触发信号（驱 动信号）波形，并给出仿真波形，说明仿真过程中遇到的问题和解决问题的方法，附 参考资料； 5、通过答辩。 时间安排： 2012.12.24-12.29 指导教师签名： 年月日 系主任（或责任教师）签名： 目录 摘 要 1 1 整流电路供电方案的选择 2 1.1 单相桥式全控整流电路 2 1.2 单相双半波可控整流电路 2 2 单相双半波晶闸管整流电路主电路设计 3

3、 2.1 总电路的原理框图 3 2.2 晶闸管工作原理 3 2.3 变压器参数计算 5 2.3.1 变压器二次侧电压的计算 5 2.3.2 变压器一 、二次侧电流的计算 5 2.3.3 变压器容量的计算 5 2.3.4 变压器型号的选择 5 3 电路设计 6 3.1 主电路原理图 6 3.3 保护电路原理图及工作原理 8 3.3.1 过电流保护 8 3.3.2 过电压保护 8 3.4 总电路原理图 9 4 电路元件的选择 10 4.1 整流元件的选择 10 4.1.1 整流元件中电压、电流最大值的计算 10 4.1.2 整流元件型号的选择 10 4.2 保护元件的选择 11 4.2.1 变压器

4、二次侧熔断器的选择 11 4.3 相控触发芯片的选择 11 5 波形绘制与仿真 12 5.1 理论波形的绘制 12 5.2 MATLAB仿真 13 心得及体会 16 参考文献 17 本科生课程设计成绩评定表 18 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 摘要 电力电子学 , 又称功率电子学 （Power Electronics） 。它主要研究各种电力电子器件， 以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。 它既是电子学在强电 （高电压、大电流 ） 或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电 （低电 压、小电流 ） 或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学

5、。电力电子学是横 跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。 随着科学技术的日益发展 ,人们对电路的要求也越来越高 , 由于在生产实际中需要大 小可调的直流电源 , 而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定 , 利用它可以方便地得 到大中、小各种容量的直流电能 , 是目前获得直流电能的主要方法 ,得到了广泛应用。在电 能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网供给用户的是交流电，而在许多场合， 例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电 机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一 步。整流，即利用具

6、有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电。整 流的基础是整流电路。 由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电 力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故 其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好课程设 计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛，而单相全控桥式晶闸 管整流电路又有利于夯实基础，故我们将单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一 课题作为这一课程的课程设计的课题。 关键词：电力电子技术 控制 整流 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 1 整流电

7、路供电方案的选择 1.1 单相桥式全控整流电路 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。并且单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，功率因素高的特点。 但是，电路中需要四只晶闸管，且触发电路要分时触发一对晶闸管，电路复杂，两两晶 闸管导通的时间差用分立元件电路难以控制。 图 1 单相桥式全控整流电路图 1.2 单相双半波可控整流电路 单相双半波可控整流电路又称单相全波可控整流电路。此电路变压器

8、是带中心抽头 的，在 u2正半周 T1工作，变压器二次绕组上半部分流过电流。 u2负半周， VT2 工作，变 压器二次绕组下半部分流过反方向的电流。单相全波可控整流电路的U d 波形与单相全控 桥的一样， 交流输入端电流波形一样， 变压器也不存在直流磁化的问题。 当接其他负载时， 也有相同的结论。因此，单相全波与单相全控桥从直流输入端或者从交流输入端看均是一 致的。适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时）。 在比较两者的电路结构的优缺点以后决定选用单相全波可控整流电路作为主电路。 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 2 单相双半波晶闸管整流电路主电路设计 2.1 总电路的原理框图

9、图 2 总电路的原理框图 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。 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。整流部分电路则是根据题目的要求，我们选择学过的单相全波整流电路。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。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

10、是方便我 们对设计电路中变压器型号的选择。 2.2 晶闸管工作原理 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 6.0（ 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 6.0 （右）所示的两个晶闸管 T1（P1-N1-P2）和 （N1-P2-N2）组成的等效电路。 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 图 3 晶闸管的内部结构和等效电路 一个 PNPN 四层结构的两端器件，可以看成电流放大系数分别为1和 2的 P1N1P2和 N

11、 1P2 N2晶体管，其中J 2结为共用集电结。当器件加正向电压时。正偏 J1结注入空穴经过 N1 区的输运，到达集电极结（ J 2 ）空穴电流为 1I A；而正偏的 J3结注入电子，经过 P2区的 输运到达 J2结的电流为 2IK 。由于 J 2结处于反向，通过 J 2结的电流还包括自身的反向饱 和电流 I CO。 晶闸管导通与关断两个状态是由阳极电压、阳极电流和门极电流共同决定 的。通常用伏安特性曲线来描述它们之间的关系，如图所示 图 4 晶闸管的伏安特性曲线 当晶闸管 VAK 加正向电压时， J1和 J3正偏， J2 反偏，外加电压几乎全部降落在 J2结 上，J2结起到阻断电流的作用。

12、随着VAK 的增大，只要VAK VBO ，通过阳极电流 I A都很小， 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 因而称此区域为正向阻断状态。 当VAK增大超过VBO以后，阳极电流突然增大， 特性曲线过 负阻过程瞬间变到低电压、大电流状态。晶闸管流过由负载决定的通态电流IT ，器件压降 为 1V 左右，特性曲线 CD 段对应的状态称为导通状态。通常将 VBO及其所对应的 IBO 称之 为正向转折电压和转折电流。晶闸管导通后能自身维持同态，从通态转换到断态，通常是 不用门极信号而是由外部电路控制，即只有当电流小到称为维持电流 IH 的某一临界值以 下，器件才能被关断。 当晶闸管处于断态( VAK

13、VBO )时，如果使得门极相对于阴极为正，给门极通以电流 IG ，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压 VBO以及转 电流I BO都是IG的函数， IG越大， VBO越小。如图 3所示，晶闸管一旦导通后，即使去除 门极信号，器件仍然然导通。 当晶闸管的阳极相对于阴极为负，只要 VAK VRO，I A很小，且与 IG 基本无关。但反 向电压很大时( VAK VRO )，通过晶闸管的反向漏电流急剧增大，表现出晶闸管击穿，因 此称 VRO 为反向转折电压和转折电流。 2.3 变压器参数计算 2.3.1 变压器二次侧电压的计算 电源电压交流 100/50Hz，输出功率： 500W，移相范围：

14、0至 180 设 R=1.25 , =0 P=U2 d/R，Ud =25V 2.3.2 变压器一 、二次侧电流的计算 P=Id2R，Id=20A U1/Ud=100/25，N1/N2=4/1，I1=Id/4=5 A 2.3.3变压器容量的计算 S=UI=1005=0.5kVA 2.3.4 变压器型号的选择 N1:N2=4 ：1;S=0.5Kva 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 3 电路设计 3.1 主电路原理图 单相全波整流电路如图 5 所示，波形图如图 6 所示。 图 5 单相全波整流电路 图 6 波形图 根据波形图可知，单相全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出电压相同 1 2

15、 2 输出平均电压 U0 UL=2U2 sintd(t)=U 2 =0.9 U2 0 流过负载的电流为： IL= 2 2U2/( R)=0.9U2/R 二极管所承受的最大反向电压为： U R max =2 2 U2 6 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 单相全波整流电路的脉动系数 s 与单相桥式整流电路相同： s= 4 2U 2 /3 2 2U2 / =2/3=0.67 在单相全波整流电路的变压器中， 只有交流电流流过 ; 而在半波和桥式整流电路中， 均 有直流分量流过。单相全波整流电路的总体性能优于单相半波和桥式整流电路，故广泛应 用于直流电源中 3.2 相控触发电路原理图及工作原理

16、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） 。 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，电路图如图所示 图7 相控触发电路原理图

17、武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 3.3 保护电路原理图及工作原理 3.3.1 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。 3.3.2 过电压保护 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，因此，必须对电力电子装置进 行适当的过电压保护，如图 3.4 所示。 武汉

18、理工大学电力电子技术课程设计说明书 3.4 总电路原理图 图 9 总电路原理图 9 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 4 电路元件的选择 4.1 整流元件的选择 由于单相双半波整流带阻性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑 晶闸管的参数及其选取原则。 4.1.1 整流元件中电压、电流最大值的计算 晶闸管的主要参数如下： ( 1)额定电压 UNVT 断态重复峰值电压 UDRM 断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时， 允许重复加在器件上的峰值电压。 反向重复峰值电压 URRM 反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值 电压。 通常取 U

19、DRM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，额定电压要留有一定裕量，应为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23 倍， 以保证电路的工作安全。 晶闸管的额定电压 U NVT minU DRM ,U RRM UNVT ( 2 3)2 2 U2 UNVT：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 UNVT =(2-3)2 2 U2=(141.4-212.1 )V 通过晶闸管的电流的平均值 I vT(AV) ( 2)额定电流 I NVT I vt(AV) =I d/2=10A Im=I Vt(AV) =31.4A 4.1.2整流元件型号的选择 晶闸管的选择原则：

20、所选晶闸管电流有效值 I VT大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。 2.选择时考虑( 1.5 2)倍的安全裕量。即 10 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 I NVT (1.5 2)I VT /1.57= (19.1-25.5 ) A I NVT =20A 则晶闸管的额定电流为 I NVT=20A. 在本次设计中选用 2 个 KP20-2的晶闸管 . 4.2 保护元件的选择 4.2.1 变压器二次侧熔断器的选择 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 快熔时应考虑： 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

21、路中的接入方式和主电路联结形式确定。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 I 2t 值应小于被保护器件的允许 I 2t 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。 因为晶闸管的额定电流为 20A,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 30A。 4.3 相控触发芯片的选择 相控触发电路芯片选择 KJ004集成触发电路芯片构成的集成触发器 KJ004 可控硅移相 电路 可控硅移相触发电路适用于单相、 三相全控桥式供电装置中 ,作可控硅的双路脉冲移相 触发。器件输出

22、两路相差 180 度的移相脉冲 ,可以方便地构成全控桥式触发器线路。 电路具 有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压 要求低 ,有脉冲列调制输出端等功能与特点 功能 输 出 空 锯齿波形 成 -Vee(1k ) 空 地 同步输 入 综合比 较 空 微分阻 容 封锁调 制 输 出 +Vcc 引线脚 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 11 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 5 波形绘制与仿真 5.1 理论波形的绘制 图 10 理论输出波形 图 11 理论触发信号波形 在 Vg 到来前， Ud 两端的电压为

23、 0； Vg 到来后，电源电压加在输出端上，其值近乎 等于 Ud。 在 U2 正半周，VT1 工作，变压器二次绕组上半部分流过电流； U2 负半周， VT2 工作， 变压器二次绕组下半部分流过反向的电流。由波形可知，单相全波可控整流电路的 Ud 波 形与单相全控桥的一样，交流输入端电流波形一样，变压器也不存在直流磁化的问题。当 接其他负载时，有相同的结论。因此，单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入 端看均是基本一致的。但是： 单相半波可控整流电路中只用两个晶闸管，比单相桥式可控整流电路少两个；相应 地，晶闸管的门极驱动电路也少两个。但是在单相全波可控整流电路中，晶闸管承受的最 大反向电

24、压为 2 2 U2，是单相全控桥式整流电路的两倍。 单相全波可控整流电路中，到点回路只含一个晶闸管，比单相桥少一个，因而管压 降也少一个。 从以上考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。这也是这次电路选择单 相全波可控整流电路的原因 12 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 5.2 MATLAB 仿真 图中 pulse generation 产生脉冲信号，通过更改其中的 phase delay 调整相角，示波器 scope 记录各处产生的电压波形。 图 13 当=60 时，仿真波形结果 13 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 图中 U2 为二次侧两端电压， Vg为触发脉冲电压

25、， Ud为电阻两端（即输出端）电压， Thyristor 为 VT1晶闸管两端电压。 当=60时，仿真波形如上所示。在触发延迟角到来前， Ud两端电压为 0，电源电 压完全施加于晶闸管两端，该段晶闸管中没有电流形成。当触发脉冲到来后，晶闸管两端 电压几乎为 0，此时电源电压完全加在负载上。半个周期后，电源电压反向，晶闸管承受 反压而关断，电源电压都加在晶闸管两端，输出端电压为 0。 图 14 当 =120时，仿真波形结果 当=120时，仿真波形如上所示。在触发延迟角到来前， Ud两端电压为 0，电源电 压完全施加于 VT1 晶闸管两端，电路中没有电流形成。当触发脉冲到来后， VT1晶闸管两 端

26、电压几乎为 0，此时电源电压完全加在负载上。半个周期后，电源电压反向，晶闸管承 受反压而关断，电源电压都加在晶闸管两端，输出端电压为0。和 =60时相比，电源电 压完全加在 VT1晶闸管两端的时间更长，晶闸管导通的时间更短。 14 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 图 15 当=180 时，仿真波形结果 当=180时，电源电压始终加在晶闸管两端，输出端电压恒为 0，电路中至始至终 没有形成电流。 综合以上，对电路中的单个晶闸管进行分析可知，当0180时，在一个周期内， 触发角到来前， 由晶闸管承受电源电压， 触发脉冲到来后， 电源电压几乎完全加在输出端， 半个周期后，由晶闸管承受反压，电路关断。当 180 后，电路在整个周期都处于关断 状态，电源电压完全由晶闸管承担。 得出结论， 的移相范围为 0180 。 15 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 心得及体会 一直以来动手能力不强都是包括我在内的许多在校大学生的很多缺陷，对将理论知识 应用于实践的恐惧， 对日新月异的科技发展无法运用的迷茫， 这一切在开始时都困扰着我 但是，看再多的范本如果不亲自动手都不会有