单相桥式全相控整流电路课程设计

1、辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）辽 宁 工 业 大 学 电力电子技术 课程设计（论文）题目： 阻感性负载条件下的单相桥式相控整流电路的设计与分析 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间： 2013.12.30-2014.1.10 本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目阻感性负载条件下的单相桥式相控整流电路的设计与分析课程设计（论文）任务课题完成的功能：本课程设计利用晶闸管相位控制技术实现单相桥式全控整流电路设计。设计任务及要求

2、：（1）根据给出的技术参数指标，确定单相桥式全控整流电路总体设计方案及系统控制结构框图。（2）完成单相桥式全控整流电路主电路分析，并完成主电路设计。（3）完成主要元器件选择及器件和电路参数计算。（4）采用晶闸管相位控制技术，设计晶闸管的触发与驱动电路。 （5）设计保护电路，包括过压保护电路、过流保护电路及电流上升率di/dt和电压上升率du/dt抑制保护电路。（6）对如上阻感性负载下的单相桥式全控整流电路进行matlab软件仿真分析。（7）撰写课程设计说明书（论文）。技术参数：交流输入电源电压100V/50Hz，负载电阻500，负载电感700mH。进度计划（1）布置任务，查阅资料，确定系统的组

3、成（2天）（2）对系统各组成部件进行功能分析（3天）（3）系统电气电路设计及调试设计（3天）（4）撰写、打印设计说明书及答辩（2天）指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要单相桥式相控整流电路是将交流转换为直流的电路，其具有效率高，原理和结构简单的特点。而且单相桥式相控整流电路在单相整流电路中的应用的也比较多，同时，半控元件晶闸管也具有优越的电气性能和控制性能。对于晶闸管电路的控制方式主要采用的是相位控制方式。晶闸管所具有的相位控制技术，可以用来实现单相桥式相控整流电路的设计。因而，

4、本次设计采用单相桥式可控整流电路作为主电路，从总电路出发，根据负载择优选择方便的晶闸管，设计相应的同步触发电路，并逐一设置各个保护电路使电路可以安全而有效的运行，并最终达到整流的目的。关键词：整流电路；晶闸管；相位控制；目 录第1章 绪论1第2章 课程设计的方案22.1 方案设计22.2 系统组成总体结构2第3章 主电路设计33.1 单相桥式全控整流电路设计33.1.1 单相桥式全控整流电路的工作原理33.2 参数计算43.3 晶闸管选择5第4章 辅助电路设计64.1 触发电路64.1.1 触发电路设计要求64.1.2 芯片介绍74.1.3 触发电路电路图84.2 保护电路94.2.1 过电压

5、保护94.2.2 过电流保护104.2.3 电流上升率di/dt的抑制104.2.4 电压上升率du/dt的抑制11第5章 系统仿真与分析125.1 仿真电路图12第6章 课程设计总结15参考文献16IV第1章 绪论随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调的直流电源,而单相桥式相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,因而得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主，但在许多场合，都需要用直流电而要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是整流，因此，整流电路的应

6、用是非常广泛的。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有应用这种电路的的设备，因此，单相桥式相控整流电路在未来有着很好的发展前景。第2章 课程设计的方案2.1 方案设计因为单相桥式全控整流电路可以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，变压器的利用率也高，

7、所以，系统的主电路采用单相桥式全控整流电路，在与相应的触发电路相连接，同时，为确保电路能安全运行，再接入保护电路，对系统电路进行保护。2.2 系统组成总体结构根据方案选择与设计任务要求，画出系统电路的流程框图如图所示，整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路带阻感性负载。如图2.1。图2.1系统组成总体结构框图第3章 主电路设计3.1 单相桥式全控整流电路设计单相桥式全控整流电路用四个晶闸管，两只晶闸管接成共阴极，单相桥式电路由晶闸管VT1和VT4构成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂，再将其与电感电阻相并联，电感对电流变化有抗拒作

8、用，可以延迟VT的关断时间，单相桥式全控整流电路如图3.1。 图3.1单相桥式全控整流电路3.1.1 单相桥式全控整流电路的工作原理1）在正半周U2的（0）区间： 晶闸管VT1、VT4承受正压，但无触发脉冲，处于关断状态。假设电路已工作在稳定状态，则在0区间由于电感释放能量，晶闸管VT2、VT3维持导通。2）在U2正半周的t=时刻及以后： 在t=处触发晶闸管VT1、VT4使其导通，电流沿aVT1LRVT4bTr的二次绕组a流通，此时负载上有输出电压（Ud=U2）和电流。电源电压反向加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反压而处于关断状态。3）在U2负半周的（+）区间： 当t=时，电源电压自然过零

9、，感应电势使晶闸管VT1、VT4继续导通。在电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正压，因无触发脉冲，VT2、VT3处于关断状态。4）在U2负半周的t=+时刻及以后： 在t=+处触发晶闸管VT2、VT3使其导通，电流沿bVT3LRVT2aTr的二次绕组b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，负载上有输出电压（Ud=U2）和电流。此时电源电压反向加到VT1、VT4上，使其承受反压而变为关断状态。晶闸管VT2、VT3一直要导通到下一周期t=2+处再次触发晶闸管VT1、VT4为止。 3.2 参数计算1.在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为 （3-1） 由设计任务有电感，电阻，V，则输出电

10、压平均值的最大值可由下式可求得。 可见，当在范围内变化时，整流器可在0至90V范围内取值。2.整流输出电流平均值为： （3-2）3.在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，整流变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值和有效值相等，其波形系数为1。流过每个晶闸管的电流平均值与有效值分别为：=0.18*0.5=0.9A （3-3）0.636A （3-4）4、晶闸管在导通时管压降=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1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；VT1和VT2反向截止时

11、漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为3.3 晶闸管选择1、晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值，考虑（1.52）倍的裕量： 2*0.636/1.57=0.81A （3.5） 此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。2、晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压乘以（23）倍的安全裕量，即可确定晶闸管的额定电压：(23)(23)

12、*1.414*100=(283424) （3.6）第4章 辅助电路设计4.1 触发电路4.1.1 触发电路设计要求1、触发信号为直流、交流或脉冲电压，由于晶闸管导通后，门极触发信号即失去了控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。2、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。触发信号功率大小是晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。由于晶闸管元件门极参数的分散性很大，且随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压、电流值，并有一定的裕量。 3、触发脉冲应有一定的宽度，脉搏冲的前沿尽

13、可能陡，以使元件在触发信号导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。普通晶闸管的导通时间约法为6，故触发电路的宽度至少应有以上，对于电感性负载，由于 电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5至1，此外，某些具体电路对触发脉冲宽度会有一定的要求，如三相全控桥等电路的触发脉冲宽度要大于60°或采用双窄脉冲。4、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲称相范围必须满足电路要求。为保证控制的规律性，要求晶闸管在每个阳极电压周期都在相同控制角触发导通，这就要求脉冲的频率必须与阳极电压同步。同时，不同的电路或者相同的电路在不同的负载、不同的用途时，要求的变化的范围（移

14、相范围）亦即触发脉冲前沿与阳极电压的相位变化范围不同，所用触发电路的脉冲移相范围必须满足实际的需要。4.1.2 芯片介绍可控硅移相触发器KJ004电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，本系统中选择模拟集成触发电路KJ004，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点 ，如下图所示其引脚图。 图4-1 KJ004芯片其电路参数为：1电源电压：直流+15V、-15V,允许波动土5(±10时功

15、能正常)。2KJ004 电源电流：正电流15mA,负电流10mA。3同步电压：任意值。4同步输入端允许最大同步电流：6mA(有效值) 5移相范围1700(同步电压30V,同步输入电阻15k) 6锯齿波幅度：10V(幅度以锯齿波平顶为准)。5移相范围1700(同步电压30V,同步输入电阻15k) 6锯齿波幅度：10V(幅度以锯齿波平顶为准)。7正负半周脉冲相位不均衡±30。 8使用环境温度为四级：C：070 R：-5585 E：-4085 M：-55125。4.1.3 触发电路电路图由于KJ004自身的优良

16、性能，决定了它可以方便地用于主电路为单个晶闸管或晶体管，单相半控桥、全控桥和三相半控桥、全控桥及其它主电路形式的电力电子设备中触发晶闸管或晶体管，进而实现用户需要的整流、调压、交直流调速、及直流输电等目的。KJ004触发电路，它对零点的识别可靠，输出脉冲的齐整度好，移相范围宽；同时它输出脉冲的宽度可人为自由调节。锯齿波斜率由电位器RP1 调节，RP2 电位器调节晶闸管的触发角。交流电源采用同步变压器提供，同步变压器与整流变压器为同一输入，根据KJ004芯片能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，从而可保证触发脉冲与晶闸管的阳极电压保持同步,其输出端分别接晶闸管VT1，VT2.系统触发电路如图4

17、.2。图4.2系统触发电路图 4.2 保护电路 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Um都称为过电压。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。4.2.1 过电压保护所谓过压保护，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Um都称为过电压。产生过电压的原因一般由静电感应、雷

18、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，通常过电压保护是在线圈两端并联一个电阻、电阻串电容或二极管串电阻，以形成一个放电回路，实现过电压的保护。这在电力和电子技术中经常用到。因而，单相桥式全控整流主电路的电压保护电路图，如图4.3。图4.3单相桥式全控整流主电路的电压保护电路图4.2.2 过电流保护电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高

19、保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。如图4.4。图4.4过电流保护电路4.2.3 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0.1mm/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过大，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。如图4.5。图4.5电流上升率di/dt的抑制电路图4.2.

20、4 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,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。如图4.6。图4.6电压上升率du/dt的抑制电路第5章 系统仿真与分析5.1 仿真电路图仿真电路图如图5.1。图5.1单相桥式全控整流电路的仿真电路图触发角=0°的输出电压仿真波形图如图5.2。图5.2触发角=0

21、6;的输出电压仿真波形图触发角=0°的输出电流仿真波形图如图5.3。图5.3触发角=0°的输出电流仿真波形图触发角=0°的晶闸管两端电压的波形图如图5.4。图5.4触发角=0°的晶闸管两顿电压的波形图触发角=30°的输出电压仿真波形图如图5.5。图5.5触发角=30°的输出电压仿真波形图触发角=30°的输出电流仿真波形图如图5.6。图5.6触发角=30°的输出电流仿真波形图触发角=30°的晶闸管两端的电压仿真波形图如图5.7。图5.7触发角=30°的晶闸管两端的电压仿真波形图第6章 课程设计总结通过这次的课程设计，我不仅掌握了MATLAB中SIMULINK仿真的使用，还对单相桥式全控整流电路有了更深刻的认识。在建模的过程中总结了以下几点：1.在单项桥式全控整流电路中，给晶闸管提供触发脉冲是设计的关键；2.给定正确的触发脉冲必须熟悉单项桥式全控整流电路的原理，掌握触发脉冲的过程；3.对同一个电路，可以建立不同的SIMULINK模型。通过这次的课程设计使我进一步巩固、深化电力电子技术及相关课程的基本知识、基本理论和基本技能，培养了我独立分析和解决实际问题的能力；通过课程设计