单相全控桥式整流电路的设计

1、.目 录第 1 章 绪论2第 2 章 方案的选择与整流器主电路设计32.1 方案的选择.32.2 整流器主电路设计.6第 3 章 电路参数计算和元件选取83.1 二次侧相电压 U27.83.2 二次侧相电流 123.3 变压器的容量123.4 参数计算123.5 晶闸管的选择15第 4 章 单相桥式整流电路的性能指标分析164.1 整流输出电压的平均值184.2 纹波系数.19第 5 章 晶闸管触发电路设计205.1 晶闸管触发电路应满足的要求215.2 晶闸管触发电路的选择235.3 触发电路及工作原理115.3.1 控制角 115.3.2 同步脉冲形成电路145.4 驱动电路.145.5

2、软件设计14第 6 章 保护电路的设计14第 7 章 实验与仿真.147.1 仿真模型147.2 仿真结果.14第 8 章 设计总结与体会15第 9 章 参考文献30附录 A：电路原理图附录 ：原器件清单附录 C：程序清单.第1 章 绪 论1.1 什么是整流电路rectifying circuit励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和20 世纪 70 年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。可以从各种角度对整流电路进行分类，主要的分类方法有：按组成的期间可分为不可控，半控，全控三种；按电路的结构可分为桥式电路和零式电

3、路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向还是双向，又可分为单拍电路和双拍电路.1.2 整流电路的发展与应用器还是电力电子技术的发展都是以电力电子器件的发展为纲的，1947 年美国贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一次革命；1957 年美国通用公司研制了第一个晶闸管，标志着电力电子技术的诞生；70 年代后期，以门极可关断BJT）为代表的全控型器件迅速发展，把电力电子技术推上一个全新的阶段；80 年代后期，以绝缘极双极型晶体管（）为代表的复合型器件异军突起，成为了PWM 脉宽调制式，后来，又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，PIC,随着全控型电力电子

4、器件的发展，电力电电路的工作ZVSZCS）把电力电子技术和整流电路的发展推向了新的高潮。1.3本设计的简介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,得到了广泛应用。但是晶杂管相控整流电路中随着触发角的增大，电流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。把逆变电路中的 SPWM 控制技术用于整流电路，就构成了PWM 整流电路。通过对PWM 整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为

5、1。这种整流电路称为高功率因素整流器，它具有广泛的应用前景的课程设计的课题。第2 章 2.1单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，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，在相同的负载晶闸管的介绍: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，

6、开.200Hz-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。外行 :螺栓型和平板型两种封装引出阳极 、阴极 K 和门极（或称栅极）G 三个联接型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。内部结构:四层三个结如图 2.1.1 （3）晶闸管的工作原理图晶闸管由四层半导体（P 、N 、P 、N ）组成，形成三个结 J （P N J11221112（N P J（P N P P N 引入K 1.2(左)1 2322122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图晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生

7、注入门极的触发电流 的电路闸管才被称为半控型器件。2.1.2 整流电路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图有利于降低损耗！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。方案二：单相桥式全控整流电路.电路简图如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

8、次绕组中，正负两直流磁化问题，变压器的利用率也高。方案三：单相半波可控整流电路：电路简图如图此 电 路 只范围为 180 需要一个可控器单，VT 的 a 移相输出脉动大，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。为使变压器铁心方案四：单相全波可控整流电路：电路简图如图 2 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 2 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 减小一半；且功

9、率因数提高了一半。载）。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。2.2 整流器主电路设计系统原理方框图如.图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接电阻性负载。主电路原理图如图主电路工作波形如图图 电路如图，假设电路已工作于稳态。(1) 工作原理 在电源电压u 正半周期间，VT1、VT2 承受正向电压，若在 t 时触发，2 导通，电流经 和 T 二次侧形成回路，但由于大电感的存在，u 过零变负时，电感上的感应电动势使 VT1、VT2 继续导通，直到 VT3、2VT4 部分。 在电源电压u t 时2 受反相电

10、压截止，负载电流从 中换流至 VT3、VT4 中在 时，电压u 过零，VT3、VT4 因电感中的感应电动势一t2直导通，直到下个周期 VT1、VT2 导通时，VT3、VT4 因加反向电压才截止。值得注意的是，只有当 时，负载电流i 才连续，当 时，负载22d是0。2第3 章 3.1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.12 2 U = 2U sin =td tU U =0.9 （222d当=0时，U 取得最大值100V即U =0.9 U =100V从而得出U =111V，dd22=90时，U =0。角的移相范围为90。ood2）整流输出电压的有效值为 1 2U 2t d t U

11、 = =111V（U 223）整流电流的平均值和有效值分别为UR 0.9UI 2（ddRddU UI （2RRdd4)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I 和有效值 相等，其波形系数为1。Id流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为：1I dTI I I（T2ddd1I I I IT2Tddd5)晶闸管在导通时管压降u =0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT 和T1VT 已导通，把整个电压u 加到VT122或VT2 U ;VT1和VT2反向2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u 加到 VT12或VT2上，故两

12、个晶闸管承受的最大反向电压也为 U 。23.2元器件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UTnUDRMURRM通常取 和 中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压U U,UUTnU（TMUTM：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压额定电流IT(AV)IT(AV)电流等级即为晶闸管的额定电流。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。ITMI,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许

13、有效值的范围。：额定电流有效值，根据管子的ITnITn换算出，T(AV)IT(AV)I I三者之间的关系：、TMTn2II 1/2 Tn (Imsin ) )td t （2m0II1/ Imsin )td t m2T(AV)0I 与平均值I 之比称为该波形TdTK的波形系数，用 表示。f.IK （TIf额定状态下， 晶闸管的电流波形系数2ImI1.11K IIfm2T()12 2 U = 2U sin =td t =0.9 （U U 222d当U 即U = U 从而得出U odd22U 。od晶闸管承受最大电压为U U 2111V V 考虑到 2 2400V.晶闸管的选择原则：、所选晶闸管电流

14、有效值 大于元件 在电路中可能流过的最大电流有ITn效值。ITnI、 T(AV)ITMII （1.11T()I因为I ,则晶闸管的额定电流为 I =10A(输出电流的有效值为最小T T2 2 倍裕量,取 20A.即晶闸管的额定电流至少应大于 20A.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。UT(AV) 通态平均管压降。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦IH 维持电流。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I H.流容量大小而定。 门极触发电流 时，使晶闸管能完全导通所需Ig的门极电流，一般为毫安级。

15、 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。变压器的选取2,容量至少为3.3性能指标分析：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12 2 U =d 2U sin =td tUU =0.9 （2222)纹波系数纹波系数 K 用来表示直流输出电压中相对纹波电压的

16、大小，即rU2U2UUK 2ddUrd第 4 章 对于使用晶闸管的电路，在晶闸管阳极加正向电压后，还必须在门极与阴闸管变流装置安全，可靠，经济运行的前提。.4.1 对触发电路的要求产生的触发脉冲要求:阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。图 4.2 晶闸管触发电路类型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4.2.1 a所示：图3)工作原理：经D D 整

17、流后的直流电源U ，一路经R 、R 加在单结晶体14W21管两个基极b 、b 之间；另一路通过R 对电容C 充电、通过单结晶体管放电。12e控制BT的导通、截止；在电容上形成锯齿波振荡电压，在R 上得到一系列前沿1很陡的触发尖脉冲u ；如图，其振荡频率为：g11f (4.1)1TR C )1e上式中 是单结晶体管的分压比，即调节R ，可调节振荡频率。e4)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D 削波为梯形w波u ，而削波后的最大值U 既是同步信号，又是触发电路电源。当u 过零DWWDW时，电容C

18、 经 e-b 、R 迅速放电到零电压。这就是说，每半周开始，电容C 都11制角）一致，实现了同步。5)移相控制：当R 增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压U 的时间增大，第一个epT T 、l2T 和C 等元件组成，其中T 、D 、R 和R 为一恒流源电路。T 截止时，恒32lWW2321I流源电流I 对电容C C 两端电压u 为：u I 1ct1c22cCCc图当T R C u 电位迅速降压。242b3当T 周期性地导通和关断时，u 便形成一锯齿波，同样u 也是一个锯齿波2b3e3电压，射极跟随器T 的作用是减小控制回路的电流对锯齿波电压的影响。调3节电位器R ，即改变C 的恒定充电电流I

19、 ，可调节锯齿波斜率。同步移相W22环节初始位，T 基极电位由锯齿波电压u u u 三4hcop者共同决定。如果u =0，u 为负值时，u 点的波形由u +u 确定。copb4hp当u 为正值时，u 点的波形由u + u +u 确定。u 电压等于 0.7V 后，Tcob4hpcob44导通，T 经过 M 点时使电路输出脉冲。之后一直被钳位在 0.7V。M 点是T 由截44止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿。因此当u u 便可改变 M pcou 的目的是为了确定控制电压u =0 时pco脉冲的初始相位。.4.2.2 KC04 集成移相触发器 KC04 集成移相触发器可分为同步、锯齿波形成、移相、

20、脉冲形成，脉冲输出等几部分电路。图同步电路由晶体管T T 等元件组成。正弦波同步电压u 经限流电阻加到l4TT 、T 基极。在u 正半周，T 截止，T 导通，D 导通，T 得不到足够的基极电l2T2l14压而截止。在u 的负半周，T 截止，T 、T 导通，D 导通，T 同样得不到足Tl2324u u |0.7V时，T 、T 、TTsl23均截止，D 、D 也截止，于是T 从电源+15V 经R 、R 获得足够的基极电流12434而饱和导通，形成上图所示的与正弦波同步电压u 同步的脉冲u 。Tc4图（1） 主电路主电路为图，且移相范围要求180.因为锯齿波底宽为 240，考虑到两端的非线性，故取3

21、0210作为 0180的移相区间。以A相晶闸管Tl为例时，触发电路产生的触发脉冲应对准相电压自然换流点，即对准相电压为路的同步电压应与晶闸管阳极电压相位上相差180。3.3触发电路工作原理触发脉冲频率与主电路晶闸管频率始终是一致的。u 的相位，才能保证各晶闸管有相同的控制角，相同的输出电压波形。正确TS选择同步电压相位，叫做晶闸管电路的同步或定相，它是变流装置设计、安装、调整、维护中的重要问题。锯齿波同步触发电路的同步电压u 和晶闸管的供电TS围0180，即要求触发电路在正半波范围内发出脉冲。因此，正半波范围内应00.存在锯齿波的上升段，锯齿波的宽度为 240 ，见图0图第 5 章 相对于电机

22、和继电器，接触器等控制器而言，电力电子器件承受过电流和可少的重要环节。5.1 主电路的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，其电路图见图5.1.1图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。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时电压。保护方法：阻容

23、保护过电压产生过程：当某一桥臂的晶闸管在导通状态突然因果载使快速熔断压。保护方法：阻容保护图5.2晶闸管的保护电路变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。. 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直流母线中。3）快熔的I t 值应小于被保护器件的允许I t

24、值、224）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。外保护。在此我们采用储能元件保护即阻容保护。图单相阻容保护的计算公式如下：.C i %S（5.1）U202U %Ki %R 2.3U2（5.2）2S0S:变压器每相平均计算容量（VA）U ：变压器副边相电压有效值 （V）2i %:变压器激磁电流百分值0U %：变压器的短路电压百分值。k当变压器的容量 在（10-10

25、00）KVA 里面取值时 i %=（4-10）在里0面取值，U %=（5-10）里面取值。k电容 C 的单位为F，电阻的单位为欧姆电容 C 的交流耐压1.5UeU ：正常工作时阻容两端交流电压有效值。e根据公式算得电容值为 4.8F,交流耐压为 165V，电阻值为 12.86，在设计中我们取电容为 5F，电阻值为 13。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 0.1mm/s 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。如图加在晶闸管上的正向电压上升率 du/dt 也应有所限

26、制,如果 du/dt 过大由于作用，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。如图图 .第 6 章 6.1 系统原理电路图图62系统的调试（1）将 DJK01 电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧使输出线电压为 200V,用两根导线将 200V 交流电压接到 DJK03-1 的“外接 220V”端，按下“启动”按钮，打开 DJK03-1 的电源开关，用双踪示波器观察“Tca785 锯齿波移相触发电路”各观察孔的波形。（2）锯齿波移相触发电路的调试：锯齿波斜率由电位器RP1 电位器调节晶闸管的触发角，将 DJK04 上的“给定”输出 U 直接与 DJK02-1 上的移g相控制电压 U 相接，将给定开关S 拨到接地位置（即U =0）