电气工程课程设计单相桥式半控整流电路设计

1、东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 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 2012年 7月 18 日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

2、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 日目录1 设计要求.12 单相桥式半控整流主电路的设计.12.1设计的选择.12.2主电路的原理与设计.23 辅助电路的原理与设计. . 3 3.

3、1驱动电路.33.2晶体管的选取及参数计算.33.3触发电路的设计.54 元件的选取.84.1晶体管的选取.84.2变压器的选取.85 电力电子器件的保护. . 95.1 晶闸管过电流保护.95.2晶闸管过电压保护.105.3 电流上升率、电压上升率的抑制保护.106 系统仿真.117 结论.12参考文献.141、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

4、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

5、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

6、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。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

7、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

8、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。图1 单相半控整流电路主电路在U2负半周，当晶

9、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

10、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。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

11、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

12、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： （1）（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。(

13、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。(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

14、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的波形系数，用Kf表示。 （3）额定状态下， 晶闸管的电流波形系数（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

15、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，

16、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

17、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

18、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。图2 单结晶体管触发电路这是不希

19、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

20、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。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、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

21、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

22、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。

23、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。4.2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。5.1晶闸管过电流保护 晶闸管变流装置运行不正常或

24、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。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

25、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。（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。5.2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

26、式过电压保护。5.3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用，使晶闸管正向阻断能力下降，

27、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

28、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。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，对整流电路的性能指标影响很大。设计过程中，