单相桥式可控整流电路设计

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电力电子技术课程设计说明书

单相桥式可控整流电路设计

院、部：电气与信息工程学院

学生姓名：何鹏辉指导教师：肖文英职称教授专业：电气工程及其自动化班级：电气本1304班完成时间：2023年6月4日学号：1330140437

湖南工学院电力电子课程设计课题任务书

学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化指导教师课题名称一、设计任务设计一个单相桥式可控整流电路，单相交流输入交流电压220V，负载自拟，整流输出电压要求在0～100V连续可调，其它性能指标自定。内二、设计内容容1、关于本课程学习状况简述；及2、主电路的设计、原理分析和器件的选择；任务3、控制电路的设计；4、保护电路的设计；5、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。主要参考资料[1]王兆安,王俊编.电力电子技术(第5版).北京:机械工业出版社,2023[2]黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,1991[3]李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,1996教研室主任：（签字）年月日肖文英学生姓名何鹏辉单相桥式可控整流电路的设计教研室看法

摘要

单相桥式可控整流电路是一种能将交流转换为直流的电路，其转换效率高，原理及结构简单，因此它在单相整流电路中有着很广泛的应用。

设计一个单相桥式可控整流电路，我首先先确定设计总体方案，比较了单相桥式半控整流电路和单相桥式全控整流电路的优劣之后，最终选择了单相桥式全控整流电路。单相桥式全控整流电路由一个变压器，4个可控晶闸管，和一个阻感负载组成。然后根据总体方案分别设计了各个单元电路，如触发电路、保护电路等；还根据要求计算了参数，包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算，输出波形分析，器件额定参数确定等；完成这些后，将各个单元电路衔接起来就完成了主电路的设计；然后再用MATLAB软件仿真调试。

设计完成后，用MATLAB软件进行仿真调试，调试结果满足设计要求。

图3.1单结晶体管触发电路及波形

3.1.2单结晶体管自激震荡电路

利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。从图3-1（a）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路通过R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压Ue=Uc按指数规律上升。Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。随着电容C放电，电压Ue小于一定值时，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲Us，如图3.1（b）所示，其震荡频率为

f=1/T=1/ReCLn(1/1-η)……3.1

式中η=0.3～0.9是单结晶体管的分压比。即调理Re，可调理振荡频率

3.1.3同步电源

同步电压由变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管DZ削波为梯形波

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UDZ,而削波后的最大值UZ既是同步信号,又是触发电路电源.当UDZ过零时,电容C经e-b1、R1迅速放电到零电压。这就是说,每半周开始,电容C都从零开始充电,进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻(即控制角α)一致,实现同步。

3.1.4移相控制

当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角α增大，实现了移相。

3.1.5脉冲输出

触发脉冲Ug由R1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，担忧全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以一般采用脉冲变压器输出。

3.2保护电路的设计

电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。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间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。

3.2.1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，必需对电力电子装置进行适当的过电流保护。

采用快速熔断器作过电流保护，熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不适合，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。最

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好的方法是晶闸管元件上直接串快速熔断器，因流过快速熔断器电流和晶闸管的电流一致，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如下图所示：

图3.2快速熔断器的接入方法

A型熔断器

特点：是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。B型熔断器

特点：能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低C型熔断器

特点：直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用对于其次类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。常见的过电流保护原理图如下所示

图3.3过流保护原理图

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3.2.3过压保护

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。

过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。见下图3-4和下图3-5

图3.4阻容三角抑制过电压图3.5压敏电阻过压

过电压保护的其次种方法是采用电子电路进行保护。常见的过电压保护原理图如下图所示：

图3.6过电压保护电路图

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4．元器件和电路参数计算

4.1元件选取晶闸管（SCR）

4.1.1晶闸管的基本特性

1．静态特性

静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。这里介绍阳极伏安特性和门极伏安特性。

（1）阳极伏安特性

晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak与阳极电流ia

之间的关系曲线，如下图。

图4.1晶闸管阳极伏安特性

①正向阻断高阻区；②负阻区；③正向导通低阻区；④反向阻断高阻区阳极伏安特性可以划分为两个区域：第Ⅰ象限为正向特性区，第Ⅲ象限为反向特性区。第Ⅰ象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。（2）门极伏安特性

晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压Ug与门极电流Ig间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，阴影区域如图4.2所示。

图4.2晶闸管门极伏安特性

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2．动态特性

晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。

（1）开通特性

晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图4.3给出了晶闸管的开关特性。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值IT的10%所需的时间称为延迟时间td，而阳极电流从10%IT上升到90%IT所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.5～1.5μs，上升时间0.5～3μs。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。

图4.3晶闸管的开关特性

（2）关断特性

寻常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。

要关断已导通的晶闸管，寻常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值IRM后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。

4.1.2晶闸管的主要参数

要正确使用一个晶闸管，除了了解晶闸管的静态、动态特性外，还必需定量地把握晶闸管的一些主要参数。现对经常使用的几个晶闸管的参数作一介绍。

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1．电压参数

（1）断态重复峰值电压UDRM

门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称断态不重复峰值电压UDSM，“不重复〞说明这个电压不可长期重复施加。取断态不重复峰值电压的90％定义为断态重复峰值电压UDRM，“重复〞表示这个电压可以每秒50次，每次持续时间不大于10ms的重复方式施加于元件上。（2）反向重复峰值电压URRM

门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区反向漏电流急剧增长的拐弯处所决定的的电压称为反向不重复峰值电压URSM，这个电压是不能长期重复施加的。取反向不重复峰值电压的90％定义为反向重复峰值电压URRM，这个电压允许重复施加。（3）晶闸管的额定电压UR

取UDRM和URRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上。电压等级不是任意决定的，额定电压在1000Ｖ以下是每100Ｖ一个电压等级，1000Ｖ至3000Ｖ则是每200Ｖ一个电压等级。

由于晶闸管工作中可能会遭遇到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值UM的2~3倍，以作安全余量。

UR=（2～3）UM………………4.1（4）通态平均电压UT（AV）

指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴极间电压的平均值，也称之为管压降。在晶闸管型号中，常按通态平均电压的数值进行分组，以大写英文字母A～I表示。通态平均电压影响元件的损耗与发热，应选中用管压降小的元件来使用。2．电流参数

（1）通态平均电流IT（AV）

在环境温度为＋40℃、规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相、工频、正弦半波、导通角不小于170°的电路中，当结温稳定在额定值125℃时所允许的通态时的最大平均电流称为额定通态平均电流IT（AV）。选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。由于晶闸管的过载能力小，为保证安全可靠工作，所选用晶闸管的额定电流IT（AV）应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.5～2倍。按晶闸管额定电流的定义，一个额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。晶闸管额定电流的选择可按

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下式计算。

?11I?sin?td(?t)??Im……………4.2TI?m02??（2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。

（3）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（2～4）倍。3．晶闸管的型号

普通型晶闸管型号可表示如下

KP[电流等级]—[电压等级/100][通态平均电压组别]

其中其中K代表闸流特性，P为普通型。如KP500—15型号的晶闸管表示其通态平均电流（额定电流）IT（AV）为500A，正反向重复峰值电压（额定电压）UR为1500V，通态平均电压组别以英文字母标出，小容量的元件可不标。

4.2晶闸管的选型

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。

Ud=100V时，不计控制角余量按?=0o计算由Ud=0.9U2得UdU2==111V取150V

0.9Ute=（2～3）Ut

=（2～3）6U2=（2～3）6?150V=735～1102V取Ute为1000V当Id=1?时，

晶闸管额定电流?t(AV)=

Id1==0.64A1.571?57考虑2倍裕量：?d(AV)取1.28A

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4.3整流变压器额定参数计算

在好多状况下晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，使整流主电路与电网隔离，为此需要配置整流变压器。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次相电压U2、一次与二次额定电流以及容量。

由于整流变压器二次与一次电流都不是正弦波，因而存在着一定的谐波电流，引起漏抗增大，外特性变软以及损耗增大，所以在设计或选用整流变压器时，应考虑这些因素。

4.3.1一次与二次额定电流及容量计算

假使不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为：I1N1=I2N2

?1U1K==

?2U2式中N1、N2——变压器一次和二次绕组的匝数；K——变压器的匝数比。

由于整流变压器流过的电流寻常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。单相桥式可控整流电路计算如下：

大电感负载时变压器二次电流的有效值为

I2=Id=I=1A

U2=220V

U1?1220由一次侧和二次侧电压得：===2

U2?2110?1?2==0.5故I1=0.5A?2?1变压器二次侧容量为S2=U2?2=110V?1A=110KV?A

4.4设计结果分析

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。（1）输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id

1???22U2?cos???0.9U2?cos??Ud??2U2sin?td??t??π?π?0.9?110??cos60??49.5V15

Id?Ud?49.5?100?0.495AR（2）晶闸管的电流平均值IdvT和有效值IvT

1IvT?Id?0.35A2

1I?Id?0.2475AdvT2（3）输出电流有效值I和变压器二次电流有效值I2

I?I2?Id?0.495A（4）晶闸管所承受的最大正向电压,反向电压和晶闸管的额定电压

UD?2U