单相桥式相控整流电路的设计正文

引言目前我国的家用电器的直流电源大多数是采用单相桥式整流电路［1］来获得，它具有电路简单、输出直流电压高等特点，但它存在着输入功率因数低，输出电压不可调等缺点，而在实际生活有的电器则需要输入电压可调，如对直流电动机的调速、电解、电镀等。这就限制了其使用范围，随着现代《电力电子技术》的不断发展，对单相桥式整流电路输出不可调这一缺点在不断改进。目前已经实现用晶闸管］来代替二极管，通过触发电路来控制晶闸管的导通角完成输出直流可调。典型的电路有单相半波可控整流［3］，单相全波可控整流和单相桥式全控整流电路。由于晶闸管与二极特性有所差异，在替换后又出现了一些新问题，如半波可控整流存在着输出电流脉动大、波纹系数大的缺点；全波可控整流电路需要中心抽头变压器，又导致电源利用率偏低；桥式全控整流电路要求桥臂上晶闸管同时被触发导通，因此选择晶闸管时要求具有相同的导通时间，这个实现起来比较难，且脉冲变压器二次绕组之间要承受二次电压，所以绝缘要求高。针对以上问题我怀着对电力电子技术的喜爱，结合我所学的知识设计一个改进的单相桥式半控整流电路⑷。此电路能够将220V50HZ的正弦交流电转化成在0-198v可调的直流电并能克服以上电路出现的问题，且具有电路结构简单、成本低、工作可靠的特点。一、设计任务（一）设计目的进一步掌握晶闸管相控整流电路的组成、结构、工作原理；重点理解触发电路和保护电路的功能、结构、工作原理；对所学专业知识综合性运用。（二）设计要求根据课题正确选择电路形式；绘制完整电气原理图；详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元器件值；编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项。（三）设计内容电路方案说明；主电路方案论证；触发电路及保护电路的选择；完整电路图分析。（四）设计参数单相桥式半控整流电路接电阻性负载；要求输出电压在0-198V连续可调；输出电流在2A以上；采用220V变压器降压供电。二、设计方案的论证与选择因为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。所以在做设计之前对于主电路设计中主要考虑了以下几种方案：（一）单相半波可控整流电路电路简图如下：图3.1单相半波可控整流电路此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，晶闸管VT的移相角a移相范围为180°。但输出脉动大，变压器二次绕组中存在直流电流分量，造成变压器铁心磁化5］。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。（二）单相全波可控整流电路电路简图如下：图3.2单相全波相控整流电路此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，单相全波只需用2个可控器件，即只用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倍且绕组和铁心对铜、铁等材料的消耗比单相全控桥多⑹，在当今世界上有色金属

有限的情况下，这是很不利的，所以我也放弃了这个方案。（三）单相桥式全控整流电路电路简图如下：图3.3图3.3单相桥式全控整流电路此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会出现失控现象，负载形式多样。但是它要求桥臂上的晶闸管同时被触发导通卫。因此，选择晶闸管时要求具有相同的导通时间，需选用同步变压器。电路复杂，且脉冲变压器二次绕组之间要承受二次电压U2,绝缘要求太高。（四）单相桥式半控整流电路电路简图如下：图3.4单相桥式半控整流电路此电路对每个导电回路进行控制用的是一只晶闸管和一只二极管结合，相对于全控桥而言每个回路少了一个控制器件，有利于降低损耗、降低成本且还不需同步变压器，只是在带感性负载时当触发角突然增大至180。或触发脉冲丢失时，晶闸管会出现失控现象。但只要在输出端加一个续流二极管，就可以避免发生失控现象⑻。综上所述，通过认真比较，我采用方案四，即单相桥式半控整流电路（负载为阻感性负载）。

三、具体设计（一）主电路的设计带阻感负载的单相桥式相控整流电路如图4.1所示：为了方便分析，假设电路已工作在稳态。图4.1图4.1单相桥式半控整流电路的主电路工作原理在u2正半周期，触发角为a时给晶闸管VT1加触发脉冲使其开通，ud=u2负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为水平线，其波形如图4.2所示。u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1中仍流过电流id并不关断。至3t=n+a时刻，给VT2加触发脉冲，因VT2和VD3本已承受正电压，故导通。VT2和VD3导通后，u2通过VT2和VD3向VT1和VD4施加反压使VT1关断，流过VT1和VD4的电流迅速转移到VT2和VD3上，此过程称为换相，亦称换流［9］至下一周期重复上述过程，如此循环下去。ud波形如图4.2所示，其平均值为U或=—x^2U2血血心祝）*costr-0.91^2cosar式（4-1）7T

图式（4-1）图4.2单相桥式半控整流电路的主电路当a=0时，Ud=0.9U2。当a=90°时，Ud=0°a角的移相范围为90°。单相桥式半控整流电路带阻感负载时，晶闸管VT1两端的电压波形如图4.2所示，晶闸管承受的最大正反向电压均为板2u2。晶闸管导通角。与a无关，均为180°，其电流波形如图4.2所示，平均值和有效值分别为:0.707/^式（4-2）0.707/^式（4-2）变压器二次电流i2的波形为正负各180°的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。原理图分析在单相桥式半控整流电路中，晶闸管VT1和VD4组成一对桥臂，VT2和VD3组成另一对桥臂。在U2正半周，若2个晶闸管均不导通，负载电流Id为零，VT1和VD4串联承受电压U2。若在触发角a处给VT1

加触发脉冲，VT1和VD4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VD4流回电源b端。当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1关断［1。］。在u2负半周，仍在触发角a处触发VT2和VD3,VT2和VD3导通，电流从电源b端流出，经VD3、R、VT2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，VT2关断。此后又是VT1和VD4导通，如此循环的工作下去，晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为u2和t2u2。整流电压平均值［12］为Uo=—j"：2U2sin«td（«t）=^2U21二C0S以=0.9U21+C0S以式（4-3）兀a兀22a=。时，Ud=Ud0=0.9U2°a=180o时，Ud=0。可见，a角的移相范围为1800。向负载输出的直流电流平均值为,U2•克,U2•克U1+cosaI=―d=2dRnR2=0.9U211+cosar2式（4-4）晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即：IdVT=0.45即：IdVT=0.45UR1+cosa2式（4-5）为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此需计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为I=1—I=1—jnV'2Usin伽2VTY2naR<72U，1.cn—ad(①t)=——1—sin2a+v2R2nn式（4-6）变压器二次电流有效值与输出直流电流有效值I相等，为:式（4-7）U；1.—.n—a

―■——sin2a式（4-7）R\2nn由上面的公式可知，不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U212（二）触发电路的设计单结晶体管触发电路晶闸管的触发电路有很多种形式，概括起来有直流触发电路、交流触发电路、相位触发电路几种，这里我采用的是相位触发电路［13］。。具体的触发电路如图4.3所示，主要是利用RC回路控制触发信号的相位，通过改变RC的时间常数来改变触发相位。图4.3晶闸管相位式触发电路改变电位器RP的数值可以调节输出脉冲电压的频率。但是（RP+R1）的阻值不能太小，否则在单结晶体管导通之后，电源经过RP和R供给的电流较大，单结晶体管的电流不能降到谷点电流之下，电容电压始终大于谷点电压，因此，单结晶体管就不能截止，造成单结晶体管的直通现象。选用谷点电流大一些的管子，可以减少这种现象。当然，（RP+R1）的阻值也不能太大，否则充电太慢，使晶闸管的最大导通角受到限制，减小移相范围。一般（RP+R1）是几千欧到几十千欧。单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度，主要决定于电容器放电的时间常数。R1或C太小，放电快，触发脉冲的宽度小，不能使晶闸管触发。因为晶闸管从阻断状态到完全导通需要一定时间，一般在10us以下，所以触发脉冲的宽度必须在10us以上。如选用C=0.1〜1uF，R1=250〜100Q，就可得到数十微秒的脉冲宽度。但是，若C值太大，由于充电时间常数（RP+R）C的最小值决定于最小控制角，则（RP+R）就必须很小，如上所述，这将引起单结晶体管的直通现象。如果R1太大，当单结晶体管尚未导通时，其漏电流就可能在R1上产生较大的电压，这个电压加在晶闸管的控制极上而导致误触发。一般规定，晶闸管的不触发电压为0.15~0.3V，所以上述电压不应大于这个数值。脉冲电压的幅度决定于直流电源电压和单结晶体管的分压比。如电源电压为20V，晶体管的分压比为0.5,则在单结晶体管导通时，电容器上的电压约为10V，除去管压降外，可以获得幅度为7〜8V的输出脉冲电压。根据上述数据，输出脉冲的宽度和幅度都能满足触发晶闸管的要求。图4.3中的电阻R2是作温度补偿用的。因为在UP=UBB+UD的式中，分压比几乎不随温度而变，而UD将随温度上升而略有下降。这样，UP就要随温度而变，这是不希望的。当接入日2（及R1）后，UBB是由稳压电源的电压UZ经R2、RBB、R1分压而得，而RBB随温度上升而增大，因此在温度上升后，RBB增大，电流就减小，R1和R2上的压降也相应减小，UBB就增大一些，于是补偿了⑰因温度上升而

下降之值，从而使峰点电压UP保持不变。⑴稳压管的作用是将整流电压u变换成梯形波（削去顶上一块，所谓削波），稳定在一个电压值UZ，使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周产生第一个脉冲（第一个脉冲使晶闸管触发导通后，后面的脉冲都是无用的）的时间不受交流电源电压波动的影响。图（b）中示出了单结晶体管触发电路中各处电压的波形。⑵通过变压器将触发电路与主电路接在同一电源上，所以每当主电路的交流电源电压过零值时，单结晶体管上的电压UZ也过零值，两者同步。在UZ过零值时，单结晶体管基极间的电压UBB也为零。如果这时电容器上还有残余电压，必然要向R1放电，很快放掉，以保证电容器在每一半波之初从零开始充电。这样，才能使每半周产生第一个脉冲的时间保持不变，从而使晶闸管的导通角和输出电压平均值保持不变。图4.5晶闸管相位式触发电路图⑶如果改变电位器RP的电阻值，就可以改变电容C充电的快慢。例如增大阻值，电容器C的充电变慢，因而每半波出现第一个脉冲的时间后移（即a角增大），从而使晶闸管的导通角变小，输出电压的平均值也变小。因此，改变RP是起移相的作用，达到调压的目的。（三）保护电路的设计保护电路主要是针对晶闸管的保护，对晶闸管的保护又分为过流保护、过压保护和对电流电压上升率抑制保护三种。在电路中采用的是三种保护电路相结合。晶闸管的过流保护晶闸管设备产生过电流的原因主要是由于整流电路内部原因，如整流晶闸管损坏，触发电路或控制系统有故障等；其中整流桥晶闸管损坏类较为严重，一般是由于晶闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流。另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。对于整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用接入快速熔断器［1的方式来保护。如图4.6所示：

图4.6晶闸管过流保护电路图晶闸管的过压保护图4.6晶闸管过流保护电路图晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过压保护的常用方法是并接R-C阻容吸收回路网.如图4.7所示图4.7过压保护电路图电流上升率、电压上升率的抑制保护（1）电流上升率di/dt的抑制图4.7过压保护电路图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，局部电流密度很大，然后以0.1mm/us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16］。如下图：

(2)电压上升率dv/dt的抑制加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制，如果dv/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dv/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:CB图4.9CB图4.9并联R-C吸收回路其作用是利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率，确保晶闸管安全运行。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。四、元件的选用(一)主电路元器件的选用整流二极管的选用由于是220V电源所以采用反相耐压为1000V的1N4007整流二极管。晶闸管参数的计算晶闸管额定电流［17】ITN=(1.5〜2)XKfbXId式(5—8)其中Kfb为计算系数，取Kfb=0.368代入式(5—8)得，ITN=264〜352A取ITN=300A晶闸管额定电压：UTN=(2〜3)6U2=685.857v〜1028.78v所以有晶闸管的型号为BT169D。电抗器的选择电抗器的的主要参数有流过电抗器的电流和电抗器的电感量。前者一般是已知的，因此电抗器的参数主要是电感量的计算。限制输出电流脉动的电感量LmLm=(Udm/U2)X1000/2nfdXU2/SiId(mH)式(5—9)在式中U2为电源相电压有效值，fd为输出电流的最低斜波频率，和主电路有关，对于三相电路，取300，Udm为最低斜波频率的电压幅值；Si为脉动系数。Si取0.1，U2=220V。计算得：Lm=0.8X1000X220/(2X3.14X300X0.1X305)=3.06(mH)使输出电流连续的临界电感量LlLl=KlXU2/Idmin(mH)式(5—10)式中K1为与整流电路有关的系数，对于三相桥式K1取0.693；U2为变压器二次侧相电压。Idmin为电路所需的最低电流，一般为5%〜10%Id。在此取10%。由式(5—10)得：L1=0.693X140/(0.1X305)=3.18(mH)式(5—11)⑶实际串入电抗器的电感量限制电流脉动时的实际电感量Lma=Lm-（2LB-LD）=3.06-2X0.0895-1.8=1.08（mH）式（5—12）输出电流连续的实际临界电感量Lla=Ll-（2LB-LD）=3.18-2X0.0895-1.8=1.2（mH）式（5—13）取较大者作为串入电抗器的电感量即1.2mH。（二）触发电路元件的选用可调电阻RP+RRP+R的阻值不能太小，否则会造成单结晶体管的直通现象。当然，（RP+R）的阻值也不能太大，否则充电太慢，使晶闸管的最大导通角受到限制，减小移相范围。一般RP+R）是几千欧到几十千欧。在实际电路中RP为20K,R为1K电容C单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度，主要决定于电容器放大电的时间常数18"R1或C太小，放电快，触发脉冲的宽度小，不能使晶闸管触发。因为晶闸管从阻断状态到完全导通需要一定时间，一般在10uf以下，所以触发脉冲的宽度必须在10uf以上。若C值太大，由于充电时间常数（RP+R）C的最小值决定于最小控制角，则（RP+R）就必须很小，这将引起单结晶体管的直通现象。所以电容一般选用0.1~1uF,实际电路中选用了0.47uf。单结晶体管选用常用型号BT33F稳压管因脉冲电压的幅度决定于直流电源电压和单结晶体管的分压比。如电源电压为20V，晶体管的分压比为0.5,则在单结晶体管导通时，电容器上的电压约为10V，除去管压降外，可以获得幅度为7〜8V的输出脉冲电压。根据上述数据，输出脉冲的宽度和幅度都能满足触发晶闸管的要求。所以稳压管可取稳压值［19］为18V，最大电流为5mA的2CW21J。整流二极管选用常型号1N4007变压器因稳压输出20V，这里选用220V转35V的变压器。保护电路元件的选用[20]电容的选择：C=(2.5-5)X10-8XIfIf=0.367IdId-直流电流值如果整流侧采用500A的晶闸管可以计算C=(2.5-5)X10-8X500=1.25-2.5uF选用2.5pF,1kv的电容器电阻的选择：R=[(2-4)X535]/If=2.14-8.56Q选择10欧PR=[1.5X(pfvX2nfc)2X1012R]/2Pfv=2u(1.5-2.0)总结通过本次设计对所学的专业知识进行了一个综合性运用。特别是《电力电子技术》方面。主要是运用晶闸管来代替普通二极管来整流，通过触发电路的输出电压去控制晶闸管的导通角，从而实现输出直流电压连续可调。此电路主要从主电路、触发电路、保护电路三个方面来设计。通过所学专业知识的分析、所查资料的了解和老师的指导。主电路采用带续流二极管的单相桥式半控整流电路。触发电路采用单结晶体管触发电路。保护电路采用过流、过压相结合的保护措施。设计出来的电路具有电路结构简单、工作可靠、实用性强等特点。在设计过程中遇到了很多棘手的问题。比如在主电路中核心元件晶闸管的工作原理触发电路采用哪种方式更适合，保护电路采用哪种更有效，各元件的参数如何来正确的设定等等。但在通过自己的不断努力查阅资料和老师悉心指导下排出了种种困难完成了本次设计。在这次设计中，我不但收获知识，还收获了阅历，收获了成熟。在此过程中，我通过查阅大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考的能力、动手操作的能力，在其它各种能力上也都有了提高。更重要的是，在实践中学会了很多学习的方法。而这些是以后最实用的，受益匪浅。面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。参考文献王兆安，黄俊.电力电子技术西安[M].机械工业出版社,1999:32〜73.黄俊，王兆安.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社,1994:42〜65.赵良炳.现代电力电子技术基础[M].北京:清华大学出版社,1995:12〜36.赵妮娜.单相半控桥整流电路的改进[J].科技信息,2000.赵可斌，陈国雄.电力电子变流技术[M].上海:上海交大出版社,1993:82〜143.林渭勋.电力电子技术[M].杭州：浙江大学出版社,1986:24