遼寧工業(yè)大學(xué)電力電子技術(shù)110V50A單相半控橋式整流電路

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）題目：題目：110V/50A單相半控橋式整流電路單相半控橋式整流電路院（系）：院（系）： 新能源學(xué)院新能源學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 電氣電氣141141 學(xué)學(xué) 號：號： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間：起止時間： 2015.07.06-2015.07.172015.07.06-2015.07.17 .本科生課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：新能源學(xué)院 教研室：電氣教研室注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算

2、學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級電氣141設(shè)計題目110V50A單相半控橋式整流電路單相半控橋式整流電路課程設(shè)計（論文）任務(wù)課題完成的設(shè)計任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)課題完成的設(shè)計任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實現(xiàn)功能實現(xiàn)功能為 1 臺額定電壓 110V、功率為 5kW 的直流電動機提供直流可調(diào)電源，以實現(xiàn)直流電動機的調(diào)速設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù)1、方案的經(jīng)濟技術(shù)論證。2、主電路設(shè)計。3、通過計算選擇整流器件的具體型號。4、若采用整流變壓器，確定變壓器變比及容量。5、觸發(fā)電路設(shè)計或選擇。6、繪制相關(guān)電路圖。7、完成 4000 字左右的設(shè)計說明書。要求要求1、1、文字在 4000 字左右。2、2、文中的理論分析與計算要

3、正確。3、3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)1、交流電源：單相220V。2、整流輸出電壓Ud在0110V連續(xù)可調(diào)。3、整流輸出電流最大值50A。4、直流電動機負(fù)載。5、根據(jù)實際工作情況，最小控制角取20300左右。進(jìn)度計劃第 1 天：集中學(xué)習(xí)；第 2 天：收集資料；第 3 天：方案論證；第 4 天：主電路設(shè)計；第 5 天：選擇器件；第 6 天：確定變壓器變比及容量；第 7 天：確定平波電抗器；第 8 天：觸發(fā)電路設(shè)計；第 9 天：總結(jié)并撰寫說明書；第 10天：答辯指導(dǎo)教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日本科生課程設(shè)計（

4、論文）摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，人們對電路的要求也越來越高，由于生產(chǎn)實際中需要大小可調(diào)的直流電源，而整流電路結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。由于電力電子技術(shù)是電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成各種電力變換電路實現(xiàn)電能和變換的控制，而構(gòu)成這一學(xué)科。單相半控橋式整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)較早的一種整流電路，它的作用是將交流電變成直流電供給直流用電設(shè)備。整流電路的應(yīng)用十分廣泛，例如直流電動機，電鍍，電解電源，同步發(fā)電機勵磁，通信系統(tǒng)等。本次的課程設(shè)計是要完成單相半控橋式整流電路的設(shè)計，對整流電路原理及特點進(jìn)行分析，對整流器件進(jìn)行參數(shù)計算并選擇出合適的器件。設(shè)計目的是為 1

5、臺額定電壓 110V、功率為 5kW 的直流電動機提供直流可調(diào)電源，以實現(xiàn)直流電動機的無級調(diào)速，因為是設(shè)計半控橋式整流電路，因此在電路中會用到晶閘管和二極管。 關(guān)鍵詞：整流電路；二極管；半控整流；橋式電路；晶閘管； 本科生課程設(shè)計（論文）目 錄第 1 章 緒論 .11.1 單相半控橋式整流電路技術(shù)概況 .11.2 本文設(shè)計內(nèi)容 .1第 2 章 單相半控橋式整流電路電路設(shè)計 .22.1 單相半控橋式整流電路整體設(shè)計方案 .22.2 具體電路設(shè)計 .42.2.1 主電路設(shè)計 .42.2.2 觸發(fā)電路設(shè)計 .52.2.3 保護電路設(shè)計 .72.3 元器件型號選擇 .92.4 MATLAB 仿真實驗

6、.12第 3 章 課程設(shè)計總結(jié) .14參考文獻(xiàn) .15本科生課程設(shè)計（論文）第 1 章 緒論1.1 單相半控橋式整流電路技術(shù)概況電力電子學(xué)，又稱功率電子學(xué)（Power Electronics） 。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或設(shè)置，以完成對電能的變換和控制。電力電子學(xué)是橫跨“電子” “電力” “控制”三個領(lǐng)域的一個新興工程技術(shù)學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，人們對電路的要求也越來越高，由于在生產(chǎn)實際中需要大小可調(diào)的直流電源，而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，性能穩(wěn)定，利用它可以方便地得到大、中、小各種容量的直流電能，是目前獲得直流電能的主要方法，得到了

7、廣泛的應(yīng)用。 但是晶閘管相控整流電路中隨著觸發(fā)角的增大，電流中諧波分量相應(yīng)增大，因此功率因數(shù)很低。把逆變電路中得 PWM 控制技術(shù)用于整流電路，就構(gòu)成了 PWM 整流電路。通過對 PWM 整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為 1。這種整流電路稱為高功率因數(shù)整流器，它具有廣泛的應(yīng)用前景。由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成各種電力變換電路實現(xiàn)電能的變換和控制，而構(gòu)成的一門完整的學(xué)科。故其學(xué)習(xí)方法與電子技術(shù)和控制技術(shù)有很多的相似之處。單相橋式整流電路是一種相對重要的整流電路，把交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能

8、的一種橋式整流電路。它可以應(yīng)用到很多的地方，在許多的元器件中都有用到，范圍廣泛。1.2 本文研究內(nèi)容課程設(shè)計內(nèi)容是設(shè)計一個單相半控橋式整流電路為 1 臺額定電壓 110V、功率為 5kW 的直流電動機提供直流電源。其中交流電源為單相 220V、整流輸出電壓在 0110V 連續(xù)可調(diào)、整流輸出電流最大值 50A，同時根據(jù)實際工作情況，最dU小控制角取 20300左右。因此本文需要研究的是設(shè)計一個主電路、控制電路、保護電路組成的總電路。其中主電路是要設(shè)計一個單相半控橋式整流電路，控制電路是要同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路，而保護電路需要過電壓保護和過電流保護兩種。本科生課程設(shè)計（論文）第 2 章 單相半

9、控橋式整流電路設(shè)計2.1 單相半控橋式整流電路總體設(shè)計方案單相半控橋式整流電路總體設(shè)計框圖如圖 2.1 所示 圖 2.1 總電路整體框圖220V 交流輸入部分是主要是由市電輸入，為電路提供電源，橋式整流部分是將 220V 電源經(jīng)過橋式整流將之前輸入的交流電整流變換成直流電輸出。脈沖寬度調(diào)節(jié)即調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的寬度改變直流輸出電壓的大小，最后由輸出直流電源部分為電動機提供電源?？傠娐酚芍麟娐贰⒂|發(fā)電路、保護電路三部分組成。其電路圖如圖 2.2 所示200V 交流輸入橋式整流電路脈沖寬度調(diào)節(jié)輸出直流電源本科生課程設(shè)計（論文） 圖 2.2 總電路圖 本科生課程設(shè)計（論文）2.2 具體電路設(shè)計2.2.1

10、主電路設(shè)計在單相式全控橋式整流電路中，每一個導(dǎo)電回路中有兩個晶閘管，即用兩個晶閘管同時導(dǎo)通以控制導(dǎo)電的回路。實際上為了對每個導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，只需一個晶閘管就行，另一個晶閘管可用二極管代替，從而簡化整個電路。如圖 2.3所示： 圖 2.3 單相半控橋式整流電路與全控橋時相似，假設(shè)負(fù)載中得電感很大，且電路已工作在穩(wěn)態(tài)。在正半2u周，觸發(fā)角處給晶閘管加觸發(fā)脈沖， 經(jīng)和向負(fù)載供電。過零1VT2u1VT4VD2u變負(fù)時，因電感作用是電流連續(xù)，繼續(xù)導(dǎo)通，但因 a 點電位低于 b 點電位，1VT是得電流從轉(zhuǎn)移至，關(guān)斷，電流不再流經(jīng)變壓器的二次繞組，而是4VD2VD4VD由和續(xù)流。此階段，忽略器件的通態(tài)壓降

11、，則=0，不像全控橋時出現(xiàn)1VT2VDdU為負(fù)的情況。dU在的負(fù)半周觸發(fā)角時刻觸發(fā)，導(dǎo)通，則向加反壓使之關(guān)斷，2u3VT3VT1VT經(jīng)和向負(fù)載供電。過零變正時，導(dǎo)通, 關(guān)斷。VT3 和續(xù)2u3VT2VD2u4VD2VD4VD流，又為零，此后重復(fù)以上過程。dU該電路在實際應(yīng)用中，需加設(shè)續(xù)流二極管，以避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。RVD實際運行中，若無續(xù)流二極管，則當(dāng)突然增大至 180o或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個二級管輪流導(dǎo)通的情況，這使成為正弦半波，即dU半周期為正弦，另外半周期為零，其平均值保持恒定，相當(dāng)于單相半波不dUdU可控整流電路時的波形，成為失控。例如當(dāng)導(dǎo)通時切斷觸發(fā)電

12、路，則當(dāng)變1VT2u本科生課程設(shè)計（論文）負(fù)時，由于電感作用，負(fù)載電流由和續(xù)流，當(dāng)又為正時，因是導(dǎo)通1VT2VD2u1VT的，又經(jīng)和向負(fù)載供電，出現(xiàn)失控現(xiàn)象。2u1VT4VD有續(xù)流二極管時，續(xù)流過程由完成，在續(xù)流階段晶閘管關(guān)斷，這就RVDRVD避免了某一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通從而導(dǎo)致失控現(xiàn)象。同時，續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個管壓降，少了一個管壓降，有利于降低損耗。圖 2.4 觸發(fā)電路2.2.2 觸發(fā)電路設(shè)計本課設(shè)采用的觸發(fā)電路為相位控制晶閘管的觸發(fā)電路，并以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路作為控制電路，如圖 2.4 所示。此電路可分為六個基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)、雙窄脈

13、沖形成環(huán)節(jié)、強觸發(fā)環(huán)節(jié)、封鎖環(huán)節(jié)。本課設(shè)主要以脈沖形成、脈沖移相、同步作介紹。(1)脈沖形成環(huán)節(jié)脈沖形成環(huán)節(jié)由晶體管、組成，、起脈沖放大作用。控制電壓 Uco4V5V7V8V加在基極上，電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器 TP 二次側(cè)輸出，其一次繞組接在4V集電極電路中。8V當(dāng) Uco=0 時，截止。+電源通過供給一個足夠大的基極電流，使4V1E11R5V飽和導(dǎo)通，所以的集電極電壓接近于-。、處于截止?fàn)顟B(tài)，無脈5V5V5cU1E7V8V沖輸出。另外，電源的+（15V）經(jīng)、發(fā)射結(jié)到-（-15V） ，對電容充1E9R5V1E3C本科生課程設(shè)計（論文）電，充滿后電容兩端電壓接近 2（30V） 。1E當(dāng)控制電

14、壓 Uco0.7V 時，導(dǎo)通，A 點電位由+（+15V）迅速降低至 1.0V4V1E左右，由于電容兩端電壓不能突變，所以基極電位迅速降至約-2（-30V） ，3C5V1E由于發(fā)射結(jié)反偏置，立即截止。它的集電極電壓由-（-15V）迅速上升到5V5V1E+3.1V（、三個 PN 結(jié)正向壓降之和） ，于是、導(dǎo)通，輸出觸發(fā)脈6VD7V8V7V8V沖。同時，電容經(jīng)電源+、放電和反向充電，使基極電位3C1E11R4VD4V5V又逐漸上升，直到-（-15V） ，又重新導(dǎo)通。這時又立即降到-，5bU1E5V5cU1E使、截止，輸出脈沖終止?？梢?，脈沖前沿由導(dǎo)通時刻確定，（或）7V8V4V5V6V截止持續(xù)時間即

15、為脈沖寬度。所以脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù)、有11R3C關(guān)。(2)鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)中，鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等。如圖所示為恒流源電路方案，由和等元件組1V2V3V2C成，其中、和為一恒流源電路1VsV2RP3R(3)同步環(huán)節(jié)在鋸齒波同步的觸發(fā)電路中，觸發(fā)電路與主電路的同步是指要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。從圖可知，鋸齒波是由開關(guān)管來2V控制的。由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波，截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的2V2V寬度，開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率。要使觸發(fā)脈沖與主電路電源同步，使2V的開關(guān)頻率與主電路電源

16、頻率同步就可達(dá)到。圖中的同步環(huán)節(jié)，是由同步變壓2V器 TS 和作同步開關(guān)用的晶體管組成的。同步變壓器和整流變壓器接在同一電2V源上，用同步變壓器的二次電壓來控制的通斷作用，這就保證了觸發(fā)脈沖與主2V電路的電源同步。同步變壓器二次電壓經(jīng)二極管間接加在的基極上。當(dāng)二次電壓波形TSu1VD2V在負(fù)半周的下降段時，導(dǎo)通，電容被迅速充電。因 O 點接地為零電位，R1VD1C點為負(fù)電位，Q 點電位與 R 點相近，故在這一階段基極為反向偏置，截止。2V2V在負(fù)半周的上升段，+電源通過給電容反向充電，為電容反向充電波形，1E1R1CQu其上升速度比波形慢，故截止。當(dāng) Q 點電位達(dá) 1.4V 時，導(dǎo)通，Q 點電

17、TSu1VD2V位被鉗位在 1.4V。直到 TS 二次電壓的下一個負(fù)半周到來時，重新導(dǎo)通，1VD迅速放電后又被充電，截止。如此周而復(fù)始。在一個正弦波周期內(nèi)，包1C2V2V括截止與導(dǎo)通兩個狀態(tài)，對應(yīng)鋸齒波波形恰好是一個周期，與主電路電源頻率和相位完全同步，達(dá)到同步的目的?？梢钥闯?，Q 點電位從同步電壓負(fù)半周上升段開始時刻到達(dá) 1.4V 的時間越長，截止時間就越長，鋸齒波就越寬?？芍忼X2V波的寬度是由充電時間常數(shù)決定的。1R1C本科生課程設(shè)計（論文）2.2.3 保護電路設(shè)計電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時可能會發(fā)生過流、過壓，造成開關(guān)器件的永久性損壞。過流、過壓保護包括器件保護和系統(tǒng)保護兩個方便。檢測開

18、關(guān)器件的電流、電壓，保護主電路中得開關(guān)器件，防止過流，過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出及負(fù)載的電流、電壓，實時保護系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。例如，R-C 阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器，壓敏電阻等。再一種則是采用電子保護電路，檢測設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋式電路短時間內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。過電流保護：當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負(fù)載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變失??；以及交流電源電壓過高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流

19、超過正常工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必須對電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護。采用快速熔斷器作過電流保護，如圖 2.5 所示。熔斷器是最簡單的過電流保護元件，但最普通的熔斷器由于熔斷特性不適合，很可能在晶閘管燒壞后熔斷器還沒有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過電流可及時熔斷起到保護作用。最好的辦法是晶閘管元件上直接串快速熔斷器，因流過快速熔斷器電流和晶閘管的電流相同，所以對元件的保護作用最好，這里就應(yīng)用這一方法。圖 2.5 過電流保護電路 過電壓保護：設(shè)備在運行過程中，會受到交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設(shè)備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。過電壓

20、保護的一種方法是并接 R-C 阻容吸收回路，以及用壓敏電阻等非線性元件加以抑制。如圖 2.6 所示本科生課程設(shè)計（論文） 圖 2.6 過電壓保護電路 電流上升率、電壓上升率的抑制保護：晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流很大，然后以一定的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，若晶閘管開通時電流上升率di/dt 過大，會導(dǎo)致 PN 結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如圖 2.7 所示 圖 2.7 電流上升率抑制保護電路加在晶閘管上的正向電壓上升率 dv/dt 也應(yīng)有所限制，如果 dv/dt 過大，由于晶閘管接電容的存

21、在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時引起晶閘管的誤導(dǎo)通，有效辦法可以在晶閘管兩端并聯(lián) R-C 吸收回路。如圖 2.8 所示本科生課程設(shè)計（論文）圖 2.8 R-C 吸收回路2.3 元器件型號選擇單相半控橋式整流電流（阻感負(fù)載）與單相全控橋式整流電路的電阻負(fù)載時的工作情況相同。直流輸出電壓平均值：2cos19 . 0)(sin2122UttUUd直流輸出電流平均值： 2cos19 . 0RURUIddd流經(jīng)晶閘管的電流有效值：2sin212)()sin22(2122RUtdtRUIVT變壓器二次有效值： 2sin21)()sin22(122

22、2RUtdtRUI參數(shù)計算： ddIUP出4.22出PURd輸出電流平均值：AVRUIdd8.454.2110流過晶閘管電流有效值：本科生課程設(shè)計（論文）ARUtdtRUIVT9.482sin212)()sin22(2122變壓器二次側(cè)電流有效值：ARUtdtRUI1.692sin21)()sin22(1222器件選擇：晶閘管的額定電流：AAIIVTN2 .627 .46)25 . 1 (57. 1這里取 2 倍安全電流儲備，并考慮晶閘管元件的額定電流，所以選擇額定電流為 100A 的晶閘管。晶閘管的額定電流：VVUUN4 .9333 .622)32(22這里取 2 倍安全電壓儲備，并考慮晶閘

23、管元件的額定電壓，所以選擇額定電壓為 1000V 的晶閘管。通過在網(wǎng)上查詢的資料顯示，額定電壓為 1000V 和額定電流 100A 的參數(shù)的晶閘管可以出自同一種型號的晶閘管。保護電路的晶閘管阻容吸收的計算表格如表 2.1 所示：表 2.1 阻容吸收計算表格保護電路阻容吸收網(wǎng)絡(luò)的電阻大小為 20 歐姆，電容為 0.25 uF2.4 MATLAB 仿真實驗啟動 MATLAB，打開 Simulink，新建文件，根據(jù)單相橋式半控整流電路所需的元器件添加相應(yīng)的控件并連線，完成仿真圖的繪制。繪制完成后的仿真圖如圖2.9 所示。本科生課程設(shè)計（論文）圖 2.9 單相半控橋式整流電路的 MATLAB 仿真圖由

24、前面的計算我們已經(jīng)知道，當(dāng)觸發(fā)角從 0 連續(xù)變化到 1800時，對應(yīng)的直流輸出電壓逐漸變小。圖 2.10、2.11、2.12、2.13 分別給出了控制角 為0、450、900、1800時的仿真波形圖。從上到下的分別是電源電壓 U、晶閘管 VT1 的觸發(fā)脈沖 P1、晶閘管 VT3 的觸發(fā)脈沖 P2、流經(jīng)晶閘管 VT1 的電流 Id1、流經(jīng)晶閘管 VT3 的電流 Id2、輸出電壓 Ud的波形。所產(chǎn)生的波形與理論波形相同，符合設(shè)計要求。本科生課程設(shè)計（論文） 圖 2.10 觸發(fā)角=0 時的仿真波形圖 2.11 觸發(fā)角=450時的仿真波形本科生課程設(shè)計（論文）圖 2.12 觸發(fā)角=900時的仿真波形圖 2.13 觸發(fā)角=1800時的仿真波形本科生課程設(shè)計（論文）第 3 章 課程設(shè)計總結(jié)本課程設(shè)計是要求設(shè)計一個單相半控橋式整流電路為額定電壓 110V、功率為 5kW 的直流電動機提供直流可調(diào)