电力电子课程设计单项桥式全控整流电路（纯电阻）

1、 单项桥式全控整流电路（纯电阻）系 、 部： 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： 第一章 绪论电子技术是根据电子学的原理，运用电子器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学，包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。信息电子技术包括 analog (模拟) 电子技术和 digital (数字) 电子技术。电子技术是对电子信号进行处理的技术，处理的方式主要有：信号的发生、放大、滤波、转换。现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整 电子产品

2、流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率mosfet和igbt为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 整流器时代大功率的工业用电由工频(50hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,

3、大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。 逆变器时代七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(gtr)和门极可关断晶闸管(gt0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。 变频器时代进入八

4、十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率m0sfet的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(igbt)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。mosfet和igbt的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率m0sfet和gtr在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用igbt代替gtr在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠

5、,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础第二章 课程设计方案的选择2.1整流电路 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，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。而负载性质又分为带电阻性负载、电阻-电感性负载和反电动势负载时的工作情况。单相桥式全控整流电路（电阻-电感性负载）电路简图如下：图2.1此电路对每个导电回路进行控制，与单相桥式半控整流电路相比，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

6、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。单相全控桥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。 单相全控桥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。根据以上的分析，我选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为电阻-电感性负载）。2.2.1晶闸管晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（silicon controlled rectifier-scr），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始被性能更好的

7、全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型-普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。 1）晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。引出阳极a、阴极k和门极（或称栅极）g三个联接端。内部结构:四层三个结如图2.22）晶闸管的工作原理图晶闸管由四层半导体（p1、n1、p2、n2）组成，形成三个结j1（p1n1）、j2（n1p2）、j3（p2n2），并分别从p1、p2、n2引入a、g、k三个电极，如图1.

8、2(左)所示。由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图2.3（右）所示的两个晶闸管t1（p1-n1-p2）和（n1-p2-n2）组成的等效电路。 图2.2晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形a)晶闸管外形 b)内部结构 c)电气图形符号 d)模块外形图2.3 晶闸管的内部结构和等效电路3）晶闸管的门极触发条件（1）: 晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通； （2）：晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；（3）：晶闸管一旦导通门极就失去控制作用；（4）：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下。晶闸管的驱动过程更多的

9、是称为触发，产生注入门极的触发电流的电路称为门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。2.2.2 可关断晶闸管可关断晶闸管简称gto1） 可关断晶闸管的工作原理图2.4 gto的结构、等效电路和图形符号gto的导通机理与scr是完全一样的。 gto一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。 gto在关断机理上与scr是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的

10、大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。第三章 电路原理图设计3.1 主电路原理图设计 单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路如图（1）：图3.1单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路在单项桥式全控整流电路中，晶闸管vt1和vt4组成一对桥臂，vt2和vt3 组成另一对桥臂。在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，vt1、vt4串联承受电压u2，设vt1和vt4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角处给vt1和vt4加触发脉冲，vt1、vt4即导通，电流从a端经vt1、r、vt4流回电源b端。当u2为零时，流经晶闸管的电流也降到零，v

11、t1和vt4关断。在u2负半周，仍在触发延迟角处触发vt2和vt3（vt2和vt3的=0处为t=），vt2和vt3导通，电流从电源的b端流出，经vt3、r、vt2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，vt2和vt3关断。此后又是vt1和vt4导通，如此循环的工作下去，整流电压ud和晶闸管vt1、vt4两端的电压波形如下图（2）所示。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为u2和u2。pwtwtwt000i2udidb)c)d)u(i)ddaauvt1,4图3.2单项桥式全控整流电路带电阻负载时的波形3.1.2 工作原理 第1阶段（0t1）：这阶段u2在正半周期，a点电位高于b点电位晶闸管v

12、t1和vt2方向串联后于u2连接，vt1承受正向电压为u2/2，vt2承受u2/2的反向电压；同样vt3和vt4反向串联后与u2连接，vt3承受u2/2的正向电压，vt4承受u2/2的反向电压。虽然vt1和vt3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以ud=0，id=0。 第2阶段（t1 ）：在t1 时同时触发vt1和vt3，由于vt1和vt3受正向电压而导通，有电流经a点vt1rvt3变压器b点形成回路。在这段区间里，ud=u2，id=ivt1=ivt3=ud/r。由于vt1和vt3导通，忽略管压降，uvt1=uvt2=0，而承受的电压为uvt2=uvt4=u2。 第3阶段（t2

13、 ）：从t=开始u2进入了负半周期，b点电位高于a点电位，vt1和vt3由于受反向电压而关断，这时vt1vt4都不导通，各晶闸管承受u2/2的电压，但vt1和vt3承受的事反向电压，vt2和vt4承受的是正向电压，负载没有电流通过，ud=0，id=i2=0。 第4阶段（t2 ）：在t2 时，u2电压为负，vt2和vt4受正向电压，触发vt2和vt4导通，有电流经过b点vt2rvt4a点，在这段区间里，ud=u2，id=ivt2=ivt4=i2=ud/r。由于vt2和vt4导通，vt2和vt4承受u2的负半周期电压，至此一个周期工作完毕，下一个周期，充复上述过程，单项桥式整流电路两次脉冲间隔为1

14、80。1.3 参数计算整流电压平均值： （2-1） 角的移相范围为00-1800。向负载输出的平均电流值为：（2-2）流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半（因为一个周期内每个晶闸管只有半个周期导通），即 （2-3） 3.2保护电路原理图设计3.2.1过电流电路设计 电力电子电路运行不正常或发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种情况。短路保护的特点是整定电流大、瞬时动作。电磁式电流脱扣器(或继电器)、熔断器常用作短路保护元件。过载保护的特点是整定电流较小、反时限动作。热继电器、延时型电磁式电流继电器常用作过载保护元件。过电流保护电路如图（3）所示。 图3.3 过电流保护电

15、路m57962l通过检测igbt的饱和压降来判断igbt是否过流，一旦过流，m57962l将对igbt实施软关断，并输出过流故障信号。3.2.2三菱驱动模块m57962l简介在我们的过流保护装置中，使用了日本三菱公司的驱动模块m57962l。m57962l是n沟道大功率igbt模块的驱动电路，能驱动600v/400a和1200v/400a的igbt，m57962l的原理方框图如图1所示，它有以下几个特点：（1）采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合20khz左右的高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻（约185），可将5v的电压直接加到输入侧；图3.4 m579621l的原理框图（2）如果

16、采用双电源驱动技术，使输出负栅压比较高。电源电压的极限值为18v/15v，一般取15v/10v；（3）信号传输延迟时间短，低电平高电平的传输延迟时间以及高电平低电平的传输延迟时间都在1.5s以下；3.2过电压保护电路设计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过电压和系统中的操作过程中等外因部分。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，比如换相过电压，关断过电压。过电压保护电路如图（5）所示。图3.5 rc过电压保护电路利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感)，所以与电容c串联电阻r可起

17、阻尼作用，它可以防止r、l、c电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。3.3 触发电路设计电力电子器件驱动电路概述驱动电路主电路与控制电路之间的接口使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号对半控型器件只需提供开通控制信号对全控型器件则既要提供开通

18、控制信号，又要提供关断控制信号驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路晶闸管触发电路应满足下列要求：触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流的概念）触发脉冲应有足够的幅度不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离20图3.6理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1ms）t1t3强脉冲宽度im强

19、脉冲幅值（3igt5igt）t1t4脉冲宽度i脉冲平顶幅值（1.5igt2igt）图3.7 常见的晶闸管触发电路第四章 元器件和电路参数计算4.1晶闸管基本参数4.1.1晶闸管的主要参数说明：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 utn =（23）utm utm ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 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1

20、70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： (5-2-1) (5-2-2)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。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)

21、 。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，其有效值与平均值之

22、比称为该波形的波形系数，用kf表示。 (5-2-3) 额定状态下， 晶闸管的电流波形系数 (5-2-4)4.1.2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。 时，不计控制角余量按计算由 得 =111v 考虑2倍裕量：取222v晶闸管的选择原则：、所选晶闸管电流有效值大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。、 选择时考虑（1.52）倍的安全余量。即当时， 晶闸管额定电流 考虑2倍裕量：取6.4a所以在本次设计中我选用4个kp10-3的晶闸管。4.1.3变压器的选取根据参数计算可知:变压器应选变比为,容量至少为。4.2性能指标分析：整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是

23、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= (4-3-1) 2)纹波系数纹波系数用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即 （4-3-2） 第五章 matlab仿真5.1 matlab的简介matlab的名称源自matrix laboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。matlab将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用matlab产品的开放式结构，可以非常容易地对matlab的功能进行扩

24、充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善matlab产品以提高产品自身的竞争能力。 目前matlab产品族可以用来进行 数值分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与仿真 数字图像处理 数字信号处理 通讯系统设计与仿真 财务与金融工程matlab是matlab产品家族的基础，它提供了基本的数学算法，例如矩阵运算、数值分析算法，matlab集成了2d和3d图形功能，以完成相应数值可视化的工作，并且提供了一种交互式的高级编程语言m语言，利用m语言可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法。matlab compiler是一种编译工具，它能够将那些利用matlab提供的编程语言m

25、语言编写的函数文件编译生成为函数库、可执行文件、com组件等等，这样就可以扩展matlab功能，使matlab能够同其他高级编程语言例如c/c+语言进行混合应用，取长补短，以提高程序的运行效率，丰富程序开发的手段。 利用m语言还开发了相应的matlab专业工具箱函数供用户直接使用。这些工具箱应用的算法是开放的可扩展的，用户不仅可以查看其中的算法，还可以针对一些算法进行修改，甚至允许开发自己的算法扩充工具箱的功能。目前matlab产品的工具箱有四十多个，分别涵盖了数据采集、科学计算、控制系统设计与分析、数字信号处理、数字图像处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。 simulink是基于m

26、atlab的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的 建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车动力学系统等等，其中包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等等。simulink提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且simulink还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用simulink几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作。 stateflow是一个交互式的设计工具，它基于有限状态机的理论，可以用来对复杂的事件驱动系统进行建模和仿真。

27、stateflow与simulink和matlab紧密集成，可以将stateflow创建的复杂控制逻辑有效地结合到simulink的模型中。这次课程设计中我们主要用的是simulink模块，运用simulink模块我们进行仿真，建立仿真的模块。具体的操作步骤如下:(1) 启动simulink模块库浏览窗口。(2) 新建一个空白模型，即点击库浏览器工具栏上的空白按钮。在simulink里，模型是保存在模型文件里的，新建一个空白模型，也就是新建了一个空白的模型文件，模型文件的后缀名为.mdl。也可以在模型窗口新建一个空白模型，其操作是使用file 菜单下的new a model 命令。(3) 在模

28、块库浏览窗口中找到所需的模块。在整流电路中较多使用的模块有:正弦波发生器、积分器、复用器和示波器。它们各自的位置分别是:正弦波发生器在sources子库，积分器在连续系统子库，复合器在信号和系统子库，示波器在接收器子库。(4) 分别将所需的各个模块从库里拖曳到空白的模型窗口。这时,simulink会在模型窗口复制出这些模块。(5) 将用户界面中的模块排列好，把它们用直线连接起来。注意模块的输入端只能和模块的输出端相连接。双击scope模块打开scope窗口，以观察仿真的输出波形。在开始仿真之前先把仿真的时间设置成有效时间，最后保存模型。5.2 仿真模型的建立 用matlab设计的仿真原理图如下

29、所示图5.1单相桥式全控整流电路（电阻性负载）5.3 仿真参数的计算 仿真时取r=10，u2=100v,f=50hz,则周期为t=0.02s，根据公式脉冲延迟时间,则可以根据不同的 值确定延迟时间。由于两个桥臂各导通半个周期，所以两个脉冲所间隔的时间为0.01s，因此在第一个脉冲发出的0.01s后再发出第二个脉冲。根据ud的计算公式： (2-4)所以不同的a会有不同的ud的值。比如当我们取a=90时，u2=100v,则可以得出ud=4.5v.下面为根据公式t=at/360可以得到脉冲的触发时间。 =0时，脉冲1的t=0,脉冲2的t=0.01s =30时，脉冲1的t=0.00167s,脉冲2的t

30、=0.01167s=45时，脉冲1的t=0.0025s,脉冲2的t=0.0125s =60时，脉冲1的t=0.00333s,脉冲2的t=0.01333s=90时，脉冲1的t=0.005s,脉冲2的t=0.015s=120时，脉冲1的t=0.00667s,脉冲2的t=0.01667s =180时，脉冲1的t=0.001s,脉冲2的t=0.011s 5.4 仿真原件参数的设置1 交流电源图5.2 交流电源参数设置交流电源的有效值为100v,峰值设置为141.1v,电源的频率为f=50hz.2 触发脉冲的设置根据不同的设置不同的脉冲参数，以下以=60时为例，当=60时，脉冲1的t=0.00333s,

31、脉冲2的t=0.01333s.如下所示。图5.3触发脉冲的设置脉冲2的设置，a=60时，t=0.01333s图5.4触发脉冲的设置pulse type”设置为time based，“time”设置为use simulation time，“amplitude”设置为1.1，“period”设置为0.02，“pulse width”设置为50，pulse 参数对话框，其中相位延迟phase delay的设置，按关系t=t/360计算，对电网交流电t=0.02s，当=60时，t=0.00333s，当=120时，t=0.00667s，对pulse2，相位延迟设置为0.01+0.01166。当对=30

32、仿真时，对pulse1，相位延迟phase delay设置为t=t/360=0.00166s，对pulse2，相位延迟设置为0.01=0.00166=0.01166s。当对=60仿真时，对pulse1，相位延迟phase delay设置为t=t/360=0.00333s，对pulse2，相位延迟设置为0.01=0.00333=0.01333s。当对=90仿真时，对pulse1，相位延迟phase delay设置为t=t/360=0.005s，对pulse2，相位延迟设置为0.01=0.005=0.015s。当对=120仿真时，对pulse1，相位延迟phase delay设置为t=t/360=

33、0.00667s，对pulse2，相位延迟设置为0.01=0.00667=0.01667s。3 电压测量图5.5“output signal”设置为complex。4 电流测量图5.6“output signal”设置为complex。5 示波器设置图5.7图5.8在参数设置对话框中设置如下：“general”标签页：“number of axes”设置为5“time range”设置为auto“tick labels”设置为 bottom axis only“sampling”设置为decimation1“data history”标签页：“limt data porits to last”设置为50006 负载参数设置图5.9设置负载为r=107 晶体管参数设置图6.05.5 仿真结果分析5.5.1 仿真波形波形分别代表电源的波形，的波形，的波形，晶闸管上的电压的波形以及输入时的电流的波形。 =0时，仿真的波形 =30时，仿真波形 =45时，仿真波形 =60时，仿真波形 =90时，仿真波形 =120时，仿真波形 =180时 仿真波形4.5.2 仿真结果分析以 时为例，由的计