单相桥式半控整流电路

1、信息工程学院电力电子学课程设计报告书题目 : 单相桥式半控整流电路专 业：班 级：学 号：学生姓名：指导教师：2012 年 5 月 9信息工程学院课程设计任务书学生姓名学 号 成 绩设计题目单相桥式半控整流电路设计 内 容设计方案的选择 整流电路的选择 整流变压器额定参数的计算 晶闸管电流、电压额定的选择 保护电路的设计 触发电路的设计 画出完整的主电路原理图和控制电路原理图 列出主电路所用元器件的明细表 实验结果设计 要 求1 、电源电压：交流 220V/50Hz2 、输出电压范围： 20V-50V3 、最大输出电流： 10A4 、具有过流保护功能，动作电流： 12A5 、具有稳压功能6 、

2、电源效率不低于 70%参 考 资 料1、张石安，张炜主编电力电子技木基础北京：电子工业出版社，2008 年 7 月2、曲学基主编。电力电子整流技术及应用。北京：电子工业出版社，2008 年 4 月3、莫正康 .半导体变流技术 . 北京：机械工业出版社， 19994、周克宁， 电力电子技术北京：机械工业出版社，2004 。5、王兆安、黄俊， 电力电子技术第四版。北京：机械工业出版社，2000 。6、王维平，现代电力电子技术及应用。南京：东南大学出版社，1999 。7、王云亮主编电力电子技术第一版北京：电子工业出版社，2004 年 8 月8、刘雨棣主编电力电子技木及应用西安：西安电子科技大学出版社

3、，2006 年 8 月9、浣喜明、姚为正 .电力电子技术 . 北京：高等教育出版社， 200410 、王维平 .现代电力电子技术及其应用 .南京 .：东南大学出版社， 2000目录摘 要 3设计要求 5方案选择 5元器件的选择 7晶闸管 7晶闸管的结构 7晶闸管的工作原理图 7晶闸管触发条件 8电路组成 9保护电路的设计 10过电压保护 10过电流保护 11结果分析 12电路原理图及其工作波形 12分析 15参数计算 16元件选择 17实验结果 18元器件清单 18实验结果 21心得与体会 21摘要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

4、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。 但是晶杂管相控整流电路中随着触发角的增大， 电流中谐 波分量相应增大，因此功率因素很低。把逆变电路中的 SPWM 控制技术用于整 流电路，就构成了 PWM 整流电路。 通过对 PWM 整流电路的适当控制， 可以使 其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为 1 。这种整 流电路称为高功率因素整流器，它具有广泛的应用前景。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

5、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实验和课程设计， 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， 而锯齿波移相触发单相晶闸管半控整流电路又有利于夯实 基础，故我们单结晶体管触发的单相晶闸管半控整流电路这一课题作为这一课程 的课程设计的课题。关键字：逆变电路单相晶闸管PWM电力电子、设计要求：1 、电源电压：交流 220V/50Hz2 、输出电压范围： 20V-50V3 、最大输出电流： 10A4 、具有过流保护功能，动作电流： 12A5 、具有稳压功能6 、电源效率不低于 7

6、0%、方案选择：方案 1 ：单相桥式半控整流电路 电路简图如下：图 1.4对每个导电回路进行控制， 相对于半控桥而言少了一个控制器件， 用二 极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当突然增大至 180 或出 发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放， 只是消耗在负载电阻上， 会发生一个晶闸管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，另外半周期为 ud 为零，其平均值保持稳定，相当于单相 半波不可控整流电路时的波形， 即为失控。 所以必须加续流二极管， 以免发生失 控现象。方案2：单相桥式全控整流电路电路简图如下：图 1.5此电路对每个导

7、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。方案3：单相半波可控整流电路：电路简图如下：图 1.6此电路只需要一个可控器件，电路比较简单， VT 的 a 移相范围为 180 。 但输出脉动大， 变压器二次侧电流中含直流分量， 造成变压器铁芯直流磁化。 为 使变压器铁心不饱和， 需增大铁心截面积， 增大了设备的容量。 实际上很少应用 此种电路。方案4：单相全波可控整流电路：电路简图如下：图 1.7此电

8、路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用 2 个可控器件，单相 全波只用 2 个晶闸管，比单相全控桥少 2 个，因此少了一个管压降，相应地，门 极驱动电路也少 2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的 2 倍。不存在 直流磁化的问题， 适用于输出低压的场合作电流脉冲大 （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。 相同的负载下流过晶闸管的平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，在均电

9、流减 小一半；且功率因数提高了一半。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）。综上所述，针对他们的优缺点， 我们采用方案一， 即单相桥式半控整流电路。三、元器件的选择晶闸管晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（ Silicon Controlled Rectifier- 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，开始被性能更好的半控型器件取代。 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

10、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 2.22）、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 1.2（ 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 1.2 （右）所示的两个晶闸管 T1

11、（P1-N1-P2 ）和（N1-P2-N2 ）组成的等效电路图 1.2 晶闸管的内部结构和等效电路 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。其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率 du/dt 过高 结温较高 光直接照射硅片，即光触发：光控晶闸管 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。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

12、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 可关断晶闸管的结构GTO 的内部结构与普通晶闸管相同，都是 PNPN 四层结构，外部引出阳极 、阴极和门极如图 1.3 。和普通晶闸管不同， GTO 是一种多元胞的功率 集成器件，内部包含十个甚至数百个共阳极的小 GTO

13、 元胞，这些 GTO 元胞的 阴极和门极在器件内部并联在一起，使器件的功率可以到达相当大的数值。单相半控桥式整流电路带大电感负载时的工作特点是：晶闸管在触发时刻 换流，二极管则在电源电压过零时换流；由于自然续流的作用，整流输出电压 ud 的波形与半控桥式整流电路带电阻性负载时相同， 的移相范围为 0 180 ，ud 、Id 的计算公式和半控桥带电阻性负载时相同；流过晶闸管和二极 管的电流都是宽度为 180 的方波且与无关，交流侧电流为正、 负对称的交 变方波。 单相半控桥式整流电路带大电感性负载时，虽本身有自然续流的能 力，似乎不需要另接续流二极管。但在实际运行中，当突然把控制角 增大到180

14、 以上或突然切断触发电路时， 会发生正在导通的晶闸管一直导通，两个 二极管轮流导通的现象。 此时触发信号对输出电压失去了控制作用， 我们把这种 现象称为失控。 失控现象在使用中是不允许的， 为消除失控， 带电感性负载的半 控桥式整流电路还需另接续流二极管 VD 。电路组成单相半控桥式整流电路由一组共阴极接法的单相半波可控整流电路和一组 共阳极接法的单相半波可控整流电路串联而成。因此，整流输出电压的平均值 Ud 为单相半波整流时的两倍， 在大电感负载时为式中 U2l 为变压器次级线电压 有效值。与单相半波电路相比， 若要求输出电压相同， 则单相桥式整流电路对晶闸管 最大正反向电压的要求降低一半；

15、 若输入电压相同， 则输出电压 Ud 比单相半波 可控整流时高一倍。另外， 由于共阴极组在电源电压正半周时导通，流经变压 器次级绕组的电流为正； 共阳极组在电压负半周时导通， 流经变压器次级绕组的 电流为负， 因此在一个周期中变压器绕组不但提高了导电时间， 而且也无直流流 过，克服了单相半波可控整流电路存在直流磁化和变压器利用率低的缺点。为分析方便，把一个周期分为 6段，每段相隔 60。在第(1)段期间， a 相电 位 ua 最高，共阴极组的 V1 被触发导通， b 相电位 ub 最低，共阳极组的 V6被 触发导通，电流路径为 ua V1 R(L) V6 ub 。变压器a、b 两相工作，共阴

16、极组的 a 相电流 ia 为正，共阳极组的 b 相电流 ib 为负，输出电压为线电压 ud=uab 。 在第(2)段期间， ua 仍最高， V1 继续导通，而 uc 变为最负，电源 过自然换流点时触发 V2导通， c相电压低于 b 相电压， V6因承受反压而关断， 电流即从 b 相换到 c 相。这时电流路径为 ua V1 R(L) V2 uc。变压器a、 c 两相工作， 共阴极组的 a 相电流 i 为正，共阳极组的 c 相电流 ic 为负，输出电 压为线电压 ud=uac在第(3)段期间， ub 为最高，共阴极组在经过自然换流点时触发 V3导通， 由于 b 相电压高于 a 相电压， V1 管因

17、承受反压而关断， 电流从 a 相换相到 b 相。V2 因为 uc 仍为最低而继续导通。 这时电流路径为 ub V3 R(L) V2 uc 变压器 b、 c 两相工作，共阴极组的 b 相电流 ib 为正，共阳极组的 c 相电流 ic 为负，输出电压为线电压 ud=ubc 。以下各段依此类推，可得到在第 (4) 段时输 出电压 ud=uba ；在第 (5)段时输出电压 ud=uca ； 在第 (6)段时输出电压 ud =ucb 。以后则重复上述过程。由以上分析可知，单相半控桥式整流电路晶闸管 的导通换流顺序是： V6 V1 V2 V3 V4 V5 V6。 电路输出电压 ud 的波 形如图 2-13

18、(d) 所示。四、保护电路的设计保护电路的设计在电力电子电路中， 除了电力电子器件参数选择合适、 驱动电路设计采用合适 的过电压、过电流、 du/dt 保护和 di/dt 保护也是必要的。4.1 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应过电压两类。 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，包括：(1)操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关 的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。(2)雷击过电压：由雷击引起的过电压。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：(1) 换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结

19、 束后不能立刻恢复阻断能力， 因而有较大的反向电流流过， 使残存的载流子恢复， 当其恢复了阻断能力时， 反向电流急剧减小， 这样的电流突变会因线路电感而在 晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。（2）关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正 向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。过压保护要根据电路中过压产生的不同部位， 加入不同的保护电路， 当达到 定电压值时， 自动开通保护电路， 使过压通过保护电路形成通路， 消耗过压储 存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上， 保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电

20、路来实现。将电容并联在回路中， 当电路中出现电压尖峰电压时， 电容两端电压不能突变的特性， 可以有效地抑制 电路中的过压。 与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量， 同时抑制电路中的电 感与电容产生振荡，过电压保护电路如图 5 所示。4.2 过电流保护晶闸管承受过电流的能力很低， 若过电流数值较大且时间较长， 则晶闸管会 因热容量小而产生热击穿损坏。 为了使晶闸管不受损坏， 必须设置过流保护， 使 晶交流侧自动开关或直流侧接触器跳闸。其动作时间约为 100200ms ，因此只 能保护因机械过负载而引起的过电流， 或在短路电流不大时， 对晶闸管起保护作 用。直流快速开关对于大容量高功率经常容易短路

21、的场合， 可采用动作时间只有 2ms 的直流 快速开关。它的断弧时间仅有 2530ms ，装在直流侧可有效的用于直流侧的过 载保护与短路保护。它经特殊的设计，可以先于快速熔断器熔断而保护晶闸管。 但此开关昂贵复杂，使用不多。快速熔断器闸管在被损坏之前就迅速切断电流，并断开桥臂中的故障元件， 以保护其他元件。晶闸管过流保护措施有以下几种。交流短路器 交流短路器的作用是当过电流超过其整定值时动作，切断变压器一次侧交 流电路，使变压器退出运行。短路器动作时间较长，约为 100200ms 。晶闸管 不能在这样长的时间里承受过电流，故它只能作为变流装置的后备保护。进线电抗器 进线电抗器串接在变流装置的交

22、流进线侧，以限制过电流。其缺点是有负 载时会产生较大的压降，增加了线路损耗。过电流继电器过电流继电器可安装在直流侧或交流侧，在发生过电流时动作，使熔断器是最简单有效的且应用普遍的过流保护器件。 针对晶闸管的特点， 专门设计了快 速熔断器，简称快熔。其熔断时间小于 20ms ，能很快的熔 断，达到保护晶闸管的目的。快熔的选择快熔的额定电压 URN 不小于线路正常工作电压的均方 根值；快熔的额定电流 IRN 应按它所保护的原件实际流过 的电流的均方根值来选择， 而不是根据元件型号上标出的额 定电流 IT 来选择，一般小于被保护晶闸管的额定有效值 1.57IT 。快熔接法如右：其中交流侧接快速熔断器

23、能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用， 但 要求正常工作时， 快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额， 这样对元件的 短路故障所起的保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用， 对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好， 因为它们流过同个电流 因而被广泛使用。 电子电路作为第一保护措施， 快熔 仅作为短路时的部分区段的保护， 直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现 保护，过电流继电器整定在过载时动作。五、结果分析5.1 主电路原理图及其工作波形 、电阻性负载电阻性负载时输出波形：2 、电感性负载感型负载时输出波形： 、带反电动势负载带反电动势负载

24、时输出波形：Ob)t5.2 由以上分析可看出如下几点：(1) 单相半控桥式整流电路在任何时刻必须保证有两个不同组的晶闸管同 时导通才能构成回路。换流只在本组内进行， 每隔 120 换流一次。 由于共阴 极组与共阳极组换流点相隔60所以，每隔 60 有一个元件换流。 同组内各晶闸管的触发脉冲相位差为 120 ，接在同一相的两个元件的触发脉冲相位差为 180 ， 而相邻两脉冲的相位差是60 。元件导通及触发脉冲情况如图2-13(b) 、 (c)所示(2) 为了保证整流装置启动时共阴与共阳两组各有一个晶闸管导通或电流 断续后能使关断的晶闸管再次导通， 必须对两组中应导通的一对晶闸管同时加触 发脉冲。

25、采用宽脉冲(必须大于60、小于 120一般，取 80 100 )或双窄脉冲(在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次， 两次脉冲间隔为 60 ) 都可达到上述目的。 采用双窄脉冲触发的方式示于图 2-13(c) 中。 双窄脉冲触发 电路虽然复杂， 但可减小触发电路功率与脉冲变压器体积，所以较多采用。(3) 整流输出电压 ud 由线电压波头 uab 、uac 、ubc 、uba 、 uca 和 ucb 组成，其波形是上述线电压的包络线。可以看出， 单相半控桥式整流电压 ud 在一个周期内脉动 6次，脉动频率为 300 Hz ， 比单相半波大一倍 (相当于6相)。(4) 图2-13(e) 所示为流过变

26、压器次级的电流和电源线电流的波形。 由图可看 出，由于变压器采用接/Y法，使电源线电流为正、负面积相等的阶梯波， 更接近正弦波，谐波影响小， 因此在整流电路中， 单相变压器多采用/或Y Y/ 接法。(5) 图 2-13(f) 所示为晶闸管所承受的电压波形。由图可看出，在第(1) 、(2)两段的 120 范围内，因为 V1 导通，故 V1承受的电压为零；在第 (3) 、 (4)两 段的 120 范围内，因 V3 导通，所以 V1 管承受反向线电压 uab ；在第(5)、 (6) 两段的 120 范围内，因 V5导通，所以 V1管承受反向线电压 uac 。同理也可分 析其它管子所承受电压的情况。当

27、 变化时，管子电压波形也有规律地变化。(6) 脉冲的移相范围在大电感负载时为0 90顺便。指出， 当电路接电阻性负载时，当 60 时波形断续，晶闸管的导通要维持到线电压过零反 向后才关断， 移相范围为 0 120 。(7) 流过晶闸管的电流与单相半波时相同， 电流的平均值和有效值分别为当 0 时，每个晶闸管都不在自然换流点换流，而是后移一个 角开始 换流，图 2-14 、2-15 、 2-16 为 =30、 60、90时电路的波形。 从图中可见，当 60 时，ud 的波形均为正值，其分析方法与 =0时相同。当 60 时，由于电感 L 的感应电势的作用， ud 的波形出现负值， 但正面积大 于负

28、面积，平均电压 Ud 仍为正值。当 =90时，正、 负面积相等，输出电 压 Ud =0 。5.3 整流电路参数计算Ud180IT纯电阻负载时： 由图知晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 整流电压平均值为： 1 2U2sin td( t)2U 2 和 2U22 2 21 cos2=0时，Ud= Ud0=0.9U2 。=180 时，Ud=0 。可见，向负载输出的直流电流平均值为：Ud 2 2U2 1 cos IdRR 流过晶闸管的电流平均值 ： I dT 1 I d I dT I d 流过晶闸管的电流2有效值为：0.45U2R0.9U21 cos2角的移相范围为0.9U2 1 cosR1 c

29、os2U 2 2( 2 sin t)2d( t) 2R变压器二次侧电流有效值 I2 与输出直流电流有效值 I 相等，为I21(R2 sin t)2d( t)U221 sin2由上两式得IT不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I22 2U2cos0.9U2 cos阻感负载时整流电压平均值为：Ud 12U2sin td( t)与 无关，均为 180晶闸管导通角IdT 2Id 和 IT负各180 的矩形波，其相位由角决定，有效值12 Id 0.707 Id，其电流平均值和有效值分别为：变压器二次侧电流 i2 的波形为正 I2=Id 。5.4 元件型号选择1、变压器 T 的变比为 11 ：

30、1。2、晶闸管的选取整流输出平均电压 Ud 、电流 Id ，变压器二次侧电流有效值 I2分别为 Ud 0.9 U2 cos 0.9 220 cos0 198VI2 Id 100(A) 晶闸管承受的最大正反向电压为：U 220 2 311 (V) 流过每个晶闸管的电流的有效值为： IVT Id 2 70.7 (A) 故晶闸管的额定电压为：UN (23) 311 622933 (V) 晶闸管的额定电流为：IN (1.52) 70.7 1.57 67.590.1 (A) 其型号为 KP100-4 。3、快速熔断器的选择IRN=70.7A可选用 RSF-1 500/80 型号的。其额定电压 500V ，额定电流 80A 。4、压敏电阻的选择漏电流为1mA 时的额定电压 U1mA 应大于等于 1.23U。U 为压敏电阻两端正常工作电压的有效值； 可选择 MY31-410/3 普通型压敏电阻器，其标称电压410V ，通流容量为 3KA5、并联于晶闸管两端的 RC 为： R2 =20 , C2=0.25 f。6 、电感 L 的作用是平波，防止电流发生断续现象。其值要足够大。根据公式 L2 2U 2I dmin2.87 10dmin=6.3H5.5 实验结果输出为：最大输出电流：具有稳压功能输出电压范围： 18.56V-62.12V8.42A具有过流保护功