单相桥式可控整流电路设计说明

1、设计题目： 单相桥式可控整流电路设计1. 课程设计目的 :电力电子技术课程是一门专业技术基础课，电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论 教学之后的一个实践教学环节。 其目的是训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识， 独立完 成查找资料、选择方案、 设计电路、 撰写报告的能力，使学生进一步加深对变流电路基本理论的理解 和基本技能的运用，为今后的学习和工作打下坚实的基础。电力电子技术课程设计是配合变流电路理论教学，为自动化专业开设的专业基础技术技能设 计，课程设计对自动化专业的学生是一个非常重要的实践教学环节。 通过设计能够使学生巩固、 加深 对变流电路基本理论的理解， 提高学生运用电路

2、基本理论分析和处理实际问题的能力， 培养学生的创 新精神和创新能力。熟悉单相桥式整流电路相关知识， 训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识， 独立进行 查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告，进一步加深对变流电路基本理论的理解，提高运用基本 技能的能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。2. 设计方案论证：2.1 设计的要求 :单相桥式相控整流的设计要求为：(1 )输入电压：单相交流 220伏、 50 赫兹。(2) 输出功率： 1kw(3) 用集成电路组成触发电路。(4) 负载性质：电阻、电阻电感， L=700mH,R=500欧姆 .2.2 方案的选择 :单相整流器的电路形式是各种各样的

3、， 整流的结构也是比较多的。 因此在做此设计之前我们主要 考虑了以下几种方案：A 方案 1：单相桥式半控整流电路图 1 单相桥式半控整流电路原理简图对每个导电回路进行控制， 相对于全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。B 方案 2：单

4、相桥式全控整流电路 :图 2 单相桥式全控整流电路电路简图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。C 方案 3：单相半波可控整流电路：图 3 单相半波可控整流电路电路简图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

5、。D 方案 4：单相全波可控整流电路：图 4 单相全波可控整流电路电路简图此电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

6、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，在均电流减小一半；且功率因数提高了一半。综上所述，针对他们的优缺点，我们采用 方案二 ，即单相桥式全控整流电路。2.3 主体电路的设计：2.3.1 电路原理及说明 :当负载由电阻和电感组成时称为阻感性负载。 例如各种电机的励磁绕组 , 整流输出端接有平波电 抗器的负载等等。单相桥式整流电路带阻感性负载的电路如图2 所示。由于电感储能 , 而且储能不能突变因此电感中的电流不能突变 , 即电感具有阻碍电流变化的作用。 当流过电感中的电流变化时 , 在电 感两端将产生感应电动势 , 引起电压降 UL负载中的电感量的大小不

7、同，整流电路的工作情况及输出Ud 和 i d 的波形具有不同 的特点。当负载电感量 L 较小（即负载阻抗角 ），控制角 时，负载上的电流不连续；当电感 L 增大 时，负载上的电流不连续的可能性就会减小；当电感L 很大时，且 Ld Rd 示时，这种负载称为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流的变化， 负载电流连续， 可看作一条水平直线。各电量的波 形图如图 5 所示。在电源电压 U2 正半周期间， 晶闸管 T1、T2 承受正向电压，若在 t= 时触发， T1 、T2 导 通，电流经 T1 、负载、 T2 和 Tr 二次形成回路，但由于大电感的存在， U2 过零变负时，电感上的感 应电动势使 T1

8、 、T2 继续导通，直到 T3、T4 被触发时， T1 、T2 承受反向电压而截止。输出电压 的波形出现了负值部分。在电源电压 U2 负半周期间， 晶闸管 T3、T4 承受正向的电压， 在 t= +时触发 ，T3、T4 导 通， T1 、T2 反向则制，负载电流从 T1 、T2 中换流至 T3、 T4中。在 t=2 时，电压 U2 过零， T3、 T4因电感中的感应电动势一直处于导通，直到下一个周期T1、T2 导通的时候， T3、T4 因加反向电压才截止。值得注意的是，只有当 /2 时，负载电流不连续，而 且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相范围是0/2 。2.3.2 电感负

9、载可控整流电路 :单相全控桥式整流电路 ，在生产实践中，除了电阻性负载外，最常见的负载还有电感性负载，如电动机的励磁绕组， 整流电路中串入的滤波电抗器等。 为了便于分析和计算， 在电路图中将电阻 和电感分开表示。当整流电路带电感性负载时， 整流工作的物理过程和电压、 电流波形都与带电阻性负载时不同。因为电感对电流的变化有阻碍作用，即电感元件中的电流。u2LR(a)0u000u00 iV2,3ugidi20 iV1,4V1,4(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)图 5 单相全控桥式整流电路电感性负载及其波形( (a) 电路图； (b) 电源电压； (c) 触发脉冲； (d) 输出电压

10、； (e) 输出电流； (f) 晶闸管 V -1 , V -4 上的电流；(g) 晶闸管 V -2,V -3 上的电流； (h) 变压器副边电流； (i) 晶闸管 V -1,V -4 上的电压 )当电流变化时电感要产生感应电动势而阻碍其变化，所以，电路电流的变化总是滞后于电压的 变化。负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算：1 2 2Ud2U 2 sin td( t)U2cos0.9U2 cos输出电流波形因电感很大， 平波效果很好而呈一条水平线。 两组晶闸管轮流导电， 一个周期中各导电 180， 且与 无关， 变压器二次绕组中电流 i 2的波形是对称的正、负方波。负载电流的平 均值 I

11、d 和有效值 I 相等，其波形系数为 1。在这种情况下：当 =0时， Ud=0.9 U2；当 =90时， Ud=0，其移相范围为 90。 晶闸管承受的最大正、反向电压都是。 流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别2.4 主电路的设计 :图 6 单相全控桥式整流电路主电路原理图2.4.1 原理图分析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。 整流电路中的晶 闸管在触发信号的作用下动作，

12、以发挥整流电路的整流作用。, 而过压保护则采用 RC 电路。这在电路中 , 过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护 部分的选择主要考虑到电路的简单性， 所以才这样的保护电路部分。 整流部分电路则是根据题目的要 求，选择的我们学过的单相桥式整流电路。 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。 触发电路是由设计题目而定的， 题目要求了用单结晶体管直接触发电路。 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。 一方面是方 便我们对设计电路中变压器型号的选择。2.5 主要元器件的说明2.5.1 元器件清单：表 1：元器件备

13、注数量整流变压器变比为 2，容量至少为 2.464kv A1个晶闸管KP20-44个电阻其中主电路负载电阻最大为 500若干个电感主电路负载 700mH1个电位器SW-SPDT2个二极管14 个同步变压器1个芯片TCA7851块熔断器熔断电流为 15A4个电容若干个脉冲变压器2个2.5.2 变压器的选取根据参数计算可知 :变压器应选变比为 1.5 ，容量至少为 22.5V A。由于单相桥式全控整流带电感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。2.5.3 晶闸管的的选取图 7 晶闸管的内部结构和图形符号2.6 相关参数计算2.6.1 晶闸管的主要参数如下

14、：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，额定电压应为正常工作峰值电压的 23 倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 UTnmin U DRM ,URRMUTn ( 23)UTM ( 2.6.1 )UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压额定电流 I T(AV)I T(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。要

15、注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰 值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值I TM I Tn ,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。I Tn ：额定电流有效值，根据管子的 I T(AV) 换算出，I T(AV) 、 I TM 、 I Tn 三者之间的关系：ITn 1/2(Im sin t)2d( t) Im/2 0.5Im( 2.6.2 )IT(AV) 1/2Imsin td( t) Im/ 0.318Im(2.6.3 )

16、KfId2.6.4 )波形系数：有直流分量的电流波形， 其有效值 I 与平均值 I d之比称为该波形的波形系数， Kf 表示。额定状态下， 晶闸管的电流波形系数KfI TnIT( AV)1.5722.6.5 )晶闸管承受最大电压为U TM2U 2 2 167V 236V 考虑到 2 倍裕量，取 500V.2.6.2 晶闸管的选择原则：、所选晶闸管电流有效值 I Tn 大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。 、 选择时考虑( 1.5 2)倍的安全余量。即I Tn 1.57I T(AV) ( 1.5 2) I TMI T(AV) (1.5 2) I TM(2.6.6 )1.57因为 IT=I

17、/ 2 ,则晶闸管的额定电流为 IT AV =12.5A( 输出电流的有效值为最小值，所以该额 定电流也为最小值 )考虑到 2倍裕量,取 25A.即晶闸管的额定电流至少应大于 25A.在本次设计中我选 用 4 个 KP20-4 的晶闸管 .、 若散热条件不符合规定要求时，则元件的额定电流应降低使用。 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 0.4 1.2V 。 维持电流 I H 。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般 I H值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小

18、而定。 门极触发电流 I g 。在常温下，阳极电压为 6V 时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一 般为毫安级。 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。 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。3设计结果与分析：整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的用整流输出电压的平均值表 示；另一个是反映输出直流电压平滑

19、程度的，称为纹波系数。1) 整流输出电压平均值1d=2U 2 sin td22t = U 2 cos=0.9U 2 cos3.5.1 )2) 纹波系数纹波系数 Kr 用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即KrUdULr224设计心得 :通过单相全控桥式整流电路的设计， 使我加深了对整流电路的理解， 让我对电力电子该课程产生 了浓烈的兴趣。整流电路的设计方法多种多样， 且根据负载的不同， 又可以设计出很多不同的电路。 其中单相全 控桥式整流电路其负载我们用的多的主要是电阻型、 带大电感型， 接反电动势型。 它们各自有自己的 优点。电路中， 开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流 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。这次的课程设计是我收获最大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但还是被我逐步解决了。每 次做课程设计我都感觉比较棘手， 因为它不单是要求你单纯地完成