單相橋式整流電路課程設(shè)計報告

1、電力電子課程設(shè)計報告目錄一、設(shè)計任務(wù)說明3二、設(shè)計方案的比擬 4三、單元電路的設(shè)計和主要元器件說明6四、主電路的原理分析9五、各主要元器件的選擇：12六、驅(qū)動電路設(shè)計14七、保護電路16八、元器件清單21九、設(shè)計總結(jié)22十、參考文獻23一、設(shè)計任務(wù)說明1.設(shè)計任務(wù)：1）進行設(shè)計方案的比擬，并選定設(shè)計方案；2）完成單元電路的設(shè)計和主要元器件說明；3）完成主電路的原理分析，各主要元件的選擇;4）驅(qū)動電路的設(shè)計，保護電路的設(shè)計；5）利用仿真軟件分析電路的工作過程；2.設(shè)計要求：1）單相橋式相控整流的設(shè)計要求為：負載為感性負載，L=700mH, R=500。2）技術(shù)要求：A.電網(wǎng)供電電壓為單相220V

2、；B.電網(wǎng)電壓波動為5%10%；C.輸出電壓為0100V;第16貞二、設(shè)計方案的比擬單相橋式整流電路有兩種方式，一種是單相橋式全控整流電路，一種是單相橋式半控整流電路。主要方案有三種：方案一：采用單相橋式全控整流電路，電路圖如下：對于這個電路，每一個導(dǎo)電回路中有兩個晶閘管，即用兩個晶閘 管同時導(dǎo)通以控制導(dǎo)電的回路，不需要續(xù)流二極管，不會出現(xiàn)失 控現(xiàn)象，整流效果好，波形穩(wěn)定。變壓器二次繞組不含直流分量, 不會出現(xiàn)變壓器直流磁化的問題，變壓器利用率高。方案二：采用單相橋式半控整流電路，電路圖如下：I相較于單相橋式全控整流電路，對每個導(dǎo)電回路進行控制，只需 一個晶閘管，而另一個用二極管代替，這樣使電

3、路連接簡便，且 降低了本錢，降低了損耗。但是假設(shè)無續(xù)流二極管，當a突然增 大到180°或觸發(fā)脈沖喪失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩 個二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使力成為正弦半波，級半周期外為 正弦波，另外半周期力為零，其平均值保持恒定，相當于單相半 波不可控整流電路時的波形，即失控現(xiàn)象。因此該電路在實際應(yīng) 用中需要加設(shè)續(xù)流二極管。綜上所述：單相橋式半控整流電路具有線路簡單、調(diào)整方便的優(yōu) 點。但輸出電壓脈動沖大，負載電流脈沖大（電阻性負載時）， 且整流變壓器二次繞組中存在直流分量，使鐵心磁化，變壓器 不能充分利用。而單相橋式全控整流電路具有輸出電流脈動小， 功率因數(shù)高，變壓器二次電流為

4、兩個等大反向的半波，沒有直流 磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點。因此選擇方案一的單相橋式 全控整流電路。三、單元電路的設(shè)計和主要元器件說明1 .單相橋式全控整流電路，如下圖:由一臺變壓器、四個晶閘管經(jīng)過橋接而成，負載為阻感負載。晶 閘管5和1（組成一對橋臂，憶和口組成另一對橋臂。2 .主要元器件一一晶閘管晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整 流器，以前被簡稱為可控硅；1957年美國通用電器公司開發(fā)出世 界上第一款晶閘管產(chǎn)品，并于1958年將其商業(yè)化；晶閘管是PNPN 四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個極：陽極，陰極和門極；晶閘管具 有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工

5、作，且其工1作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控 整流、交流調(diào)壓、無觸點電了開關(guān)、 逆變及變頻等電子電路中。Wl/八 Kf rf 睜A y1）晶閘管的分類：晶閘管按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可 分為普通晶閘管SCR）、雙向晶閘管（TRIACh逆導(dǎo)晶閘管（RCT）、 門極關(guān)斷晶閘管（GTO）、BTG晶閘管、溫控晶閘管（TT國外，TTS 國內(nèi)）和光控晶閘管（LTT）等多種。晶閘管按其引腳和極性可 分為二極晶閘管、三極晶閘管和四極晶閘管。晶閘管按其封裝形 式可分為金屬封裝晶閘管、塑封晶閘管和陶瓷封裝晶閘管三種類 型。其中，金屬封裝晶閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多 種；塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散

6、熱片型兩種。晶閘管 按電流容量可分為大功率晶閘管、中功率晶閘管和小功率晶閘管 三種。通常，大功率晶閘管多采用金屬殼封裝，而中、小功率晶 閘管那么多采用塑封或陶瓷封裝。晶閘管按其關(guān)斷速度可分為普 通晶閘管和快速晶閘管，快速晶閘管包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè) 計的晶閘管，有常規(guī)的快速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘 管，可分別應(yīng)用于400Hz和10KHZ以上的斬波或逆變電路中。（備 注：高頻不能等同于快速晶閘管）2）工作原理晶閘管在工作過程中，它的陽極（A）和陰極（K）與電源和 負載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控 制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。半控型晶閘管的工作條件：

7、 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶 閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情 況下晶閘管才導(dǎo)通。這時晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)，這就是晶閘 管的閘流特性，即可控特性。晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不管 門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作 用。門極只起觸發(fā)作用。 晶閘管在導(dǎo)通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接 近于零時，晶閘管關(guān)斷。全控型晶閘管的工作條件：晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶 閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓（或 電流）的情況下晶閘管才導(dǎo)

8、通。這時晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管導(dǎo)通后，門極加反向電流或失去電壓，晶閘管關(guān)斷; 或者門極正常，但主電路電壓（或電流）減少到接近于零時，晶 閘管也關(guān)斷。四、主電路的原理分析主電路為單相橋式全控整流電路。對于阻感負載，假設(shè)電路 已工作于穩(wěn)態(tài)，0的平均值不變。的的波形如下圖，在2的正半 周期，觸發(fā)角。處給晶閘管5和口加觸發(fā)脈沖使其開通，廠的。 負載中有電感存在使負載電流不能突變，電感對負載電流起平波 左右，假設(shè)負載電感很大，負載電流'，連續(xù)且波形近似為一條水 平線，其波形如圖。4過零變負時，由于電感的作用，晶閘管巴 和口中仍流過電流"并不關(guān)斷。至& =4十。時刻，給幾

9、和口加 觸發(fā)脈沖，因和5本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。和口導(dǎo) 通后，/通過和VT.分別向“和兀施加反壓使町和關(guān)斷， 流過“和口的電流迅速轉(zhuǎn)移到應(yīng)和R上，此過程稱為換相，亦 稱換流。至下一周期重復(fù)上述過程，如此循環(huán)下去，'。的波形如 下圖，其平均值為ud = f " y/2U sin cotd(cot) = 一土 U、cosa = 0.9U, cos a 71ia71當a = 0時,力。=0.9力；2 = 90時，d=。晶閘管移相范圍為0。 、90。單相橋式全控整流電路帶阻感負載時，晶閘管口和口的電壓 波形如下圖，晶閘管承受的最大反向電壓均為近6。晶閘管導(dǎo) 通角。與a無關(guān)，均為1

10、80。，其電流波形如下圖。平均值有效值/八十 = - /. Ixrj. = = I. = Q7071d.分別為 2，和 V2。變壓器二次電流a的波形為正負各180°的矩形波，如下圖，其相位由。角決定，有效值,2 = /一。(c)(h)整流電路參數(shù)計算：1）整流輸出電壓的平均值:1 f=2,2/2U, sin cotd(cot =U, cos a = 0.9U)cos a萬人 一7V一當a = 0時，U,取得最大值100V即 =0.9& = 100V得q = 11 W當e=90時，4=。° a角的移相范圍為90°。2)整流輸出電壓的有效值為:U = JL &

11、quot;(®2 Sin cot)2d(cot) =U2=W3)整流電流的平均值為：I. = = 0.9-cos6Z = 0.2A( R,4)整流電流的有效值為：I = Id = 0.2A5)在一個周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通180。，兩組輪流導(dǎo)通，變壓 器二次電流是正、負對稱的方波，電流的平均值和有效值相等， 其波形系數(shù)為1。流過每個晶閘管的電流平均值和有效值分別為：平均值：3空="皿4有效值："唇"圖噎皿6)每個晶閘管承受的最大正、反向電壓等于eL156.978。五、各主要元器件的選擇:1.晶閘管的選擇：1）電壓定額晶閘管的額定電壓通常取晶閘管的（斷態(tài)重復(fù)

12、峰值電壓） 和U座，（反向重復(fù)峰值電壓中較小的標值作為該器件的額定電 壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常 工作時晶閘管所承受峰值電壓的2'3倍。即產(chǎn)minU"以” 且 “” 之（2 3）Utm O因此，3聞2心111 =叫考慮到留23倍的裕量，所以取 UTn = 400V2）電流定額通態(tài)平均電流/“恒國際規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境 溫度為40和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所 允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是標稱其額定 電流的參數(shù)。通常按照實際波形的電流與晶閘管允許的最大正弦 半波電流（其平均值即通態(tài)平均電流,”的）所造成的

13、發(fā)熱效應(yīng)相 等（即有效值相等）的原那么來選取晶閘管的此項電流定額，并 應(yīng)留一定的裕量。一般取其通態(tài)平均電流為按此原那么所得計算 結(jié)果的1.52倍。因區(qū) 那么晶閘管的額定電流為:Z7.0.22 (L5 2)總=(1.5 2)= (L5 2)0.0941.3/<2x1.57因此，取,小(的=以2.變壓器的選擇攵=幺=g.2變壓器的變比為仇111在不考慮損耗的情況下，選擇整流變壓器的容量為:s = u/ = u J = 111X 0.2 = 22.2V A六、驅(qū)動電路設(shè)計晶閘管的電流容量越大，要求的觸發(fā)功率越大，對于大中電 流容量的晶閘管，為了保證其觸發(fā)脈沖具有足夠的功率，往往采 用由晶體管組

14、成的觸發(fā)電路。晶體管觸發(fā)電路按同步電壓的形式 不同，分為正弦波和鋸齒波兩種。同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路, 不受電網(wǎng)波動和波形畸變的影響，移相范圍寬，應(yīng)用廣泛。因此, 這里采用同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路。同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路輸出可為雙窄脈沖，也可為單 窄脈沖。它由三個根本環(huán)節(jié)構(gòu)成：脈沖的形成與放大、鋸齒波的各點的電壓波形為:鋸齒波是由開關(guān)V2管來控制的：1)V2開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率一一由同步變壓器所接的交 流電壓決定；2) V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波一一鋸齒波起點根本就是同 步電壓由正變負的過零點；3) V2截止狀態(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度一一取決于充電時 間常數(shù)R1C1；七、

15、保護電路晶閘管的保護電路，大致可以分為兩種情況：一種是在適當 的地方安裝保護器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速 熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種那么是采用電子保護電路， 檢測設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流超過 允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(nèi)工作于有源 逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。1.晶閘管的過流保護晶閘管設(shè)備產(chǎn)生過電流的原因可以分為兩類：一類是由于整 流電路內(nèi)部原因，如整流晶閘管損壞，觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有 故障等；其中整流橋晶閘管損壞類較為嚴重，一般是由于晶閘 管因過電壓而擊穿，造成無正、反向阻斷能力，它相當于整流橋 臂發(fā)生永久性短路，

16、使在另外兩橋臂晶閘管導(dǎo)通時，無法正常換 流，因而產(chǎn)生線間短路引起過電流.另一類那么是整流橋負載外 電路發(fā)生短路而引起的過電流，這類情況時有發(fā)生，因為整流橋 的負載實質(zhì)是逆變橋，逆變電路換流失敗，就相當于整流橋負載 短路。另外，如整流變壓器中心點接地，當逆變負載回路接觸 大地時，也會發(fā)生整流橋相對地短路。對于第一類過流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過流，以及逆 變器負載回路接地時，可以采用第一種保護措施，最常見的就是接入快速熔短器的方式。見圖1?？焖偃鄱唐鞯慕尤敕绞焦灿腥N, 其特點和快速熔短器的額定電流見表1。A型B型C型圖1：快速熔短器的接入方法.方式特點額定電流備注A型熔斷器與每一個元件串 聯(lián)，

17、能可靠地保護每一 個元件/此< 1 .57/7./，：晶閘管通態(tài)平均電流B型能在交流、直流和元件 短路時起保護作用，可 靠性稍有降低< KJd小:交流側(cè)線 電流與之比 /“：整流輸出 電流C型直流負載側(cè)有故障時動 作，元件內(nèi)部短路時不 能起保護作用1RN < 1D/。：整流輸出電流表一：快速熔斷器的接入方式、特點和額定電流三種接入方式均可使用在單相橋式整流電路中，因此選A型對于第二類過流，即整流橋負載外電路發(fā)生短路而引起的 過電流，那么應(yīng)當采用電子電路進行保護。電子電路保護原理 圖如下:可控硅觸發(fā)脈沖是由一個電平信號Uk來控制，當Uk為“1電 平時，可控硅觸發(fā)脈沖關(guān)斷，那么整

18、流裝置輸出為0。當Uk為“0 電平時，可控硅觸發(fā)脈沖正常輸出，那么整流裝置輸出電壓為 Udo圖6中，Ri, R2, N組成比擬器，通過RP1來設(shè)置過流保護值；VI 為鉗位二極管，Uk為可控硅觸發(fā)脈沖輸出的控制信號。當整流 裝置輸出電流超出額定值的2096時，電流反應(yīng)UIF>URP1,那么比 擬器輸出為“0電平，使三極管V2截止，此時Uk為“1電平, 使整流裝置輸出電壓為0。鉗位二極管VI保證系統(tǒng)在出現(xiàn)過流時,元器件保護、利用儲能元器件保護、利用引入電壓檢測的電子保 護電路作過電壓保護。這次我們采用儲能元件保護即阻容保護。3.電流上升率、電壓上升率的抑制保護di電流上升率萬的抑制圖3.4串

19、聯(lián)電感抑制回路晶閘管初開通時電流集中在靠近 門極的陰極外表較小的區(qū)域，局部 電流密度很大，然后以0.1mm/Us 的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，假設(shè)晶閘管開通時電流上di升率帚過大，會導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率 使其在適宜的范圍內(nèi)。其有效方法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電 感。dv電壓上升率石的抑制dv加在晶閘管上的正向電壓上升率不也應(yīng) 一I有所限制,如果幫過大，由于晶閘管結(jié)電2、 L容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流 J可以實際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘圖6.5并聯(lián)R-C阻容吸收回管正向阻斷能力下降，嚴重時引起晶閘管dv誤導(dǎo)通。為抑制帚的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收 回路。八、元器件清單元器件備注數(shù)量整流變壓器變比為2,容量至少為22. 2VA1個晶閘管額定電壓為400V,額定電流為1A4個電阻包括負載中500 Q電 阻以及觸發(fā)電路保 護電路中的電阻假設(shè)干電感包括負載中的700mH 電感以及觸發(fā)電路 保護電路中的電感假設(shè)干電位器觸發(fā)電路和過流保護電路中