电力电子课程设计-全控整流电路

1、第1章单相桥式整流电路方案的选择我们知道，单相整流器的电路形式是各种各样的，整流的结构也是比较多的。因此在做 设计之前我们主要考虑了以下几种方案：方案一：单相桥式半控整流电路电路简图如下：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a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

2、二极管， 以免发生失控现象。方案二：单相桥式全控整流电路个导电回路进 波形平稳，应平均值为零，即直流电路简图如下：此电路对每行控制，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, 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， 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。方案三：单相半波可控整流电路: 电路简图如下：图1.3一个可控器件，电此电路只需要路比较简单，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。方案四：单相

3、全波可控整流电路：电路简图如下：图1.4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。综上可知单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载

4、性质不同就会有不同的特点。下面分析各种单相相控整流电路在带电阻性负载、 电感性负载和反电动势负载时的工作情况。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。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

5、载）。第二章 系统主体电路的设计2.1系统总设计框图系统原理方框图如 2.1所示:图2.1系统原理方框图根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路接阻感性负载。2.2系统主体电路原理及说明主电路原理图及其工作波形如下所示：图2.3王电路工作波形图电路如图22和图2.3所示。为便于讨论，假设电路已工作于稳态。(1)工作原理在电源电压U2正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在 F =二时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路， 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 VT1、VT2继续导通，直到 VT3、VT4被触发导通时，VT1、V

6、T2承受反相电压而截止。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 VT3 VT4承受正向电压，在4 :时触发，VT3 VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在VT1、t =2二时，电压U2过零，VT3 VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。值得注意的是，只有当：乞-2时，负载电流id才连续，当二2时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是022.3原理图的分析图2.4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

7、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，以发挥整流电路的整流作用。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，而过压保护则采用 RC电路。这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

8、。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。2.4整流电路参数计算1 ）整流输出电压的平均值可按下式计算1 兀垃厂22Ud =2U 2 sin td = U 2 cos： =0.9U2 cos：（2-1）兀百tH当a =0时，Ud取得最大值100V即Ud = 0.9 U2=100V从而得出U2=111V, a =90O时，Ud=O。a角的移相范围为90。2）整流输出电压的有效值为U =豹t$dgt 尸U2 =111V（2-2）If xx3）整流电流的平均值和有效值分别为UdU2I d 一 =0.9 COS：（

9、2-3）RdRdURdU2Rd(2-4)4）在一个周期内每组晶闸管各导通180。，两组轮流导通，变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值|d和有效值I相等，其波形系数为 1。兀,1,I dI d2IddT2 二流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为:(2-5)(2-6)5）晶闸管在导通时管压降 UT =0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3 VT4已导通，把整个电压 u2加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于 2U 2 ;VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压U2加到VT1或VT2上，故两

10、个晶闸管承受的最大反向电压也为.2U2。2.5元器件的选取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。1）.晶闸管的主要参数如下：额定电压Urn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 UTnminU drM ,U rrm】(2-7 )Um （ 23） UTmUTm： 工作电路中加在管子上的最大瞬时电压额定电流 I T(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

11、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ITM t)2d(cot) =(2-8 )1 T(AV)JT二 1/2 二 Ims in tdC t)lm(2-9 )波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值It与平均值Wd之比称为该波形的波形系数,用

12、Kf表示。Kf(2-10)额定状态下，晶闸管的电流波形系数Kf上1 Td= 1.11(2-11 )(2-12 )d = 1；2U 2 sin cotd t 片 2、2 U 2 cosa = 0.9U 2 cos。当a =0时，Ud取得最大值100V即Ud = 0.9 U2=100V从而得出U2=111V , a =90时,Ud=0。a角的移相范围为90。晶闸管承受最大电压为 U TM = ； 2U 2 = . 2 111V = 157V考虑到2倍裕量，取400V.晶闸管的选择原则：I所选晶闸管电流有效值|Tn大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。n、选择时考虑(1.52)倍的安全余量。即

13、iTn = 0.707 l T(AV)= (1.5 2) l TMIt(av)-(1.52)骨(2-13 )因为I则晶闸管的额定电流为It av =10A（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20A.即晶闸管的额定电流至应大于20A.在本次设计中我选用 4个KP20-4的晶闸管.川、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0.41.2V。 维持电流Ih。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

14、电流。一般Ih值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。 门极触发电流lg。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。2）变压器的选取根据参数计算可知：变压器应选变比为2,容量至少为24.2V A。2.6性能指标分析整

15、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程度的，称为纹波系数。1）整流输出电压平均值1 ,拠厂j2x2U d =. 2U 2 sin td t = U 2 cos ： = 0.9U 2 cos：（2-14 ）n n2）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2 2(2-15)ULr U2 -UdK r 一UdUd第三章辅助电路的设计3.1驱动电路的设计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

16、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。3.1.1对触发电路的要求晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求：1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压。2） 触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后电流能迅速上 升超过掣住电流而维持导通。4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围

17、必须满足电路要求。图3.1强触发电流波形3.1.2晶闸管触发电路类型1. 单结晶体管触发电路1）特点：由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能 好，脉冲前沿陡等优点，在小容量的晶闸管装置中得到了广泛应用。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。2）组成：由自激振荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成如图3.2 （ a）所示:-220 VOt3.2单结晶,本管触发电路及波形Rj加在单结晶体管两个基极d、b2之间；另一路通过.frj/虫发尖脉冲Ug，如图。控制 BT的导通、截3）工作原理：经D1D4整流后的直流电源 UW，一路

18、经R2、止；在电容上形成锯齿波振荡3.2（b）所示，其振荡频率为:上式中 =0.3 0.9是单结晶体管的分压比，即调节Re,可调节振荡频率。4）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，故同步电压与主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管 Dw削波为梯形波UDW，而削当 uDW过零时，电容C经e-b、R1C都从零开始充电。进而保证每周期触 a ） 一致，实现了同步。Up的时间增大，第一个脉锯齿波形成电路由 Tl、T2、T3和C2等波后的最大值 UW既是同步信号，又是触发电路电源。 迅速放电到零电压。这就是说，每半周开始，电容发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻

19、（即控制角5）移相控制当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压丁2截止时，恒流源电流lie对电容C2冲出现的时刻推迟，即控制角a增大，实现了移相。元件组成，其中Ti、Dw、Rw2和R3为一恒流源电路。1I充电，所以C2两端电压ue为：ue11edt1etC C3.2保护电路的设计电力电子器件承受过电流和过电压的能力 但又不能完全根据装置运行时可能出现的相对于电机和继电器， 接触器等控制器而言, 较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，必须充分发挥器件应有的过载能力。因此，保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的重要环节。3.2.1主电路的过

20、电压保护设计所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最 大峰值电压Un都称为过电压，其电路图见图3.3RC?图3.3产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、 直流侧和器件上，因而，下面介绍单相桥式全控整流主电路的电压保护方法。1.交流侧过电压保护过电压产生过程：电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁芯中保护方法：阻容的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应

21、出很高的瞬时电压。保护2. 直流侧过电压保护由于图3.4主电路的过电压保护322晶闸管的保护电路1.晶闸管过电压保护过电流保护第一种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。第二种是在适当的地方安装保护器件，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。我们这次的课程设计采用的是第二种保护电路。（1 ）晶闸管变流装置的过电流保护晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时，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

22、从管心到散热器的传导途径中要遭受到一 系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别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，晶闸管承受过载或短路电流的能力主要受结温的限制。可用 作过电流保护电路的主要有快速熔断器，直流快速熔断器和过电流继电器等。在此我们 采用快速熔断器措施来进行过电流保护。图3.5过电流保护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。在选择快 熔时应考虑：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电路中的接入方式和主电路联结形式确定。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

23、直流母线中。3） 快熔的I 2t值应小于被保护器件的允许I 2t值、4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。因为晶闸管的额定电流为 10A,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 15A。（2 ）晶闸管变流装置的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，内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，过电压保护有避雷器保护，利用非线性过电压保护元件保护，利用储能元件保护， 利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护。在此我们采用储能元件保护即阻容保护。

24、图3.6晶闸管的过电压保护单相阻容保护的计算公式如下:C _6i。R _2.32 IU2 U k%(3-2)(3-3)S：变压器每相平均计算容量（VA u2 ：变压器副边相电压有效值（V）i %:变压器激磁电流百分值Uk %变压器的短路电压百分值。Uk%=当变压器的容量在（10-1000 ）KVA里面取值时i0%=（ 4-10 ）在里面取值,（5-10 ）里面取值。电容C的单位为卩F,电阻的单位为欧姆，电容C的交流耐压1.5UeUe :正常工作时阻容两端交流电压有效值。根据公式算得电容值为4.8卩F,交流耐压为165V,电阻值为12.86 Q ,在设计中我们取电容为5卩F,电阻值为13 Q o

25、3.3电流上升率、电压上升率的抑制保护3.3.1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，局部电流密很大，然后以过大,0.1mm/卩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 ：图3.7串联电感抑制回路3.3.2电压上升率 du/dt的抑制加在晶闸管上的正向电压上升率du/dt也应有所限制，如果du/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，严

26、重时引起晶闸管误导通。为抑制du/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如下图：图3.8并联R-C阻容吸收回路第四章电路仿真4.1 SIMULINK仿真软件介绍Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合 分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操 作，就可构造出复杂的系统。Simuli nk具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simuli nk已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用 Simulink

27、。4.2仿真波形打开新建模型窗口，将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口并改名，设定有关参 数后将各模块库连接组成仿真模型，如下图4-2所示，设置好各模块参数，点击下拉菜单仿真(Simulation )按钮，仿真参数(Simulation Parameters)命令设定有关仿真参数，设定停止时间(Stop Time)为0.1秒，仿真算法选择可变步长(Variable-step)积分算法函数，L=700mH,R=500欧姆，其他参数用默认值。然后点击启动仿真按钮，则开始仿真，双击显示 模块(scope )就能显示其信号波形。g*lit图4.1单相桥式全控整流电路仿真电路单相桥式全控整流电路在触发角为0时的仿真波形如下所示:-2吗515000.040.060.0801负载电疣凉过晶闸莒VT1的电凉晶闸育电压Time off萌t: 0负載电压m. “! Ik ! 4u 飞 !V V v I FI 1tIP T I! f图4.2触发角为0时的仿真波形单相桥式全控整流电路在触发角为60时的仿真波形如下所示:品哥管电压图4.3触发角为60 时的仿真波形0.040 0G 0 080.1课程设计总结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