單相橋式整流電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明3二、設(shè)計(jì)方案的比擬 4三、單元電路的設(shè)計(jì)和主要元器件說(shuō)明6四、主電路的原理分析9五、各主要元器件的選擇：12六、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)14七、保護(hù)電路16八、元器件清單21九、設(shè)計(jì)總結(jié)22十、參考文獻(xiàn)23一、設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明1.設(shè)計(jì)任務(wù)：1）進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的比擬，并選定設(shè)計(jì)方案；2）完成單元電路的設(shè)計(jì)和主要元器件說(shuō)明；3）完成主電路的原理分析，各主要元件的選擇;4）驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；5）利用仿真軟件分析電路的工作過(guò)程；2.設(shè)計(jì)要求：1）單相橋式相控整流的設(shè)計(jì)要求為：負(fù)載為感性負(fù)載，L=700mH, R=500。2）技術(shù)要求：A.電網(wǎng)供電電壓為單相220V

2、；B.電網(wǎng)電壓波動(dòng)為5%10%；C.輸出電壓為0100V;第16貞二、設(shè)計(jì)方案的比擬單相橋式整流電路有兩種方式，一種是單相橋式全控整流電路，一種是單相橋式半控整流電路。主要方案有三種：方案一：采用單相橋式全控整流電路，電路圖如下：對(duì)于這個(gè)電路，每一個(gè)導(dǎo)電回路中有兩個(gè)晶閘管，即用兩個(gè)晶閘 管同時(shí)導(dǎo)通以控制導(dǎo)電的回路，不需要續(xù)流二極管，不會(huì)出現(xiàn)失 控現(xiàn)象，整流效果好，波形穩(wěn)定。變壓器二次繞組不含直流分量, 不會(huì)出現(xiàn)變壓器直流磁化的問(wèn)題，變壓器利用率高。方案二：采用單相橋式半控整流電路，電路圖如下：I相較于單相橋式全控整流電路，對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，只需 一個(gè)晶閘管，而另一個(gè)用二極管代替，這樣使電

3、路連接簡(jiǎn)便，且 降低了本錢(qián)，降低了損耗。但是假設(shè)無(wú)續(xù)流二極管，當(dāng)a突然增 大到180°或觸發(fā)脈沖喪失時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩 個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使力成為正弦半波，級(jí)半周期外為 正弦波，另外半周期力為零，其平均值保持恒定，相當(dāng)于單相半 波不可控整流電路時(shí)的波形，即失控現(xiàn)象。因此該電路在實(shí)際應(yīng) 用中需要加設(shè)續(xù)流二極管。綜上所述：?jiǎn)蜗鄻蚴桨肟卣麟娐肪哂芯€(xiàn)路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便的優(yōu) 點(diǎn)。但輸出電壓脈動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)）， 且整流變壓器二次繞組中存在直流分量，使鐵心磁化，變壓器 不能充分利用。而單相橋式全控整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小， 功率因數(shù)高，變壓器二次電流為

4、兩個(gè)等大反向的半波，沒(méi)有直流 磁化問(wèn)題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。因此選擇方案一的單相橋式 全控整流電路。三、單元電路的設(shè)計(jì)和主要元器件說(shuō)明1 .單相橋式全控整流電路，如下圖:由一臺(tái)變壓器、四個(gè)晶閘管經(jīng)過(guò)橋接而成，負(fù)載為阻感負(fù)載。晶 閘管5和1（組成一對(duì)橋臂，憶和口組成另一對(duì)橋臂。2 .主要元器件一一晶閘管晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，又可稱(chēng)做可控硅整 流器，以前被簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅；1957年美國(guó)通用電器公司開(kāi)發(fā)出世 界上第一款晶閘管產(chǎn)品，并于1958年將其商業(yè)化；晶閘管是PNPN 四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個(gè)極：陽(yáng)極，陰極和門(mén)極；晶閘管具 有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工

5、作，且其工1作過(guò)程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控 整流、交流調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)電了開(kāi)關(guān)、 逆變及變頻等電子電路中。Wl/八 Kf rf 睜A y1）晶閘管的分類(lèi)：晶閘管按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可 分為普通晶閘管SCR）、雙向晶閘管（TRIACh逆導(dǎo)晶閘管（RCT）、 門(mén)極關(guān)斷晶閘管（GTO）、BTG晶閘管、溫控晶閘管（TT國(guó)外，TTS 國(guó)內(nèi)）和光控晶閘管（LTT）等多種。晶閘管按其引腳和極性可 分為二極晶閘管、三極晶閘管和四極晶閘管。晶閘管按其封裝形 式可分為金屬封裝晶閘管、塑封晶閘管和陶瓷封裝晶閘管三種類(lèi) 型。其中，金屬封裝晶閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多 種；塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散

6、熱片型兩種。晶閘管 按電流容量可分為大功率晶閘管、中功率晶閘管和小功率晶閘管 三種。通常，大功率晶閘管多采用金屬殼封裝，而中、小功率晶 閘管那么多采用塑封或陶瓷封裝。晶閘管按其關(guān)斷速度可分為普 通晶閘管和快速晶閘管，快速晶閘管包括所有專(zhuān)為快速應(yīng)用而設(shè) 計(jì)的晶閘管，有常規(guī)的快速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘 管，可分別應(yīng)用于400Hz和10KHZ以上的斬波或逆變電路中。（備 注：高頻不能等同于快速晶閘管）2）工作原理晶閘管在工作過(guò)程中，它的陽(yáng)極（A）和陰極（K）與電源和 負(fù)載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門(mén)極G和陰極K與控 制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。半控型晶閘管的工作條件：

7、 晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門(mén)極承受何種電壓，晶 閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。 晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門(mén)極承受正向電壓的情 況下晶閘管才導(dǎo)通。這時(shí)晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)，這就是晶閘 管的閘流特性，即可控特性。晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽(yáng)極電壓，不管 門(mén)極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門(mén)極失去作 用。門(mén)極只起觸發(fā)作用。 晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接 近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。全控型晶閘管的工作條件：晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門(mén)極承受何種電壓，晶 閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門(mén)極承受正向電壓（或 電流）的情況下晶閘管才導(dǎo)

8、通。這時(shí)晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管導(dǎo)通后，門(mén)極加反向電流或失去電壓，晶閘管關(guān)斷; 或者門(mén)極正常，但主電路電壓（或電流）減少到接近于零時(shí)，晶 閘管也關(guān)斷。四、主電路的原理分析主電路為單相橋式全控整流電路。對(duì)于阻感負(fù)載，假設(shè)電路 已工作于穩(wěn)態(tài)，0的平均值不變。的的波形如下圖，在2的正半 周期，觸發(fā)角。處給晶閘管5和口加觸發(fā)脈沖使其開(kāi)通，廠(chǎng)的。 負(fù)載中有電感存在使負(fù)載電流不能突變，電感對(duì)負(fù)載電流起平波 左右，假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流'，連續(xù)且波形近似為一條水 平線(xiàn)，其波形如圖。4過(guò)零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用，晶閘管巴 和口中仍流過(guò)電流"并不關(guān)斷。至& =4十。時(shí)刻，給幾

9、和口加 觸發(fā)脈沖，因和5本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。和口導(dǎo) 通后，/通過(guò)和VT.分別向“和兀施加反壓使町和關(guān)斷， 流過(guò)“和口的電流迅速轉(zhuǎn)移到應(yīng)和R上，此過(guò)程稱(chēng)為換相，亦 稱(chēng)換流。至下一周期重復(fù)上述過(guò)程，如此循環(huán)下去，'。的波形如 下圖，其平均值為ud = f " y/2U sin cotd(cot) = 一土 U、cosa = 0.9U, cos a 71ia71當(dāng)a = 0時(shí),力。=0.9力；2 = 90時(shí)，d=。晶閘管移相范圍為0。 、90。單相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)，晶閘管口和口的電壓 波形如下圖，晶閘管承受的最大反向電壓均為近6。晶閘管導(dǎo) 通角。與a無(wú)關(guān)，均為1

10、80。，其電流波形如下圖。平均值有效值/八十 = - /. Ixrj. = = I. = Q7071d.分別為 2，和 V2。變壓器二次電流a的波形為正負(fù)各180°的矩形波，如下圖，其相位由。角決定，有效值,2 = /一。(c)(h)整流電路參數(shù)計(jì)算：1）整流輸出電壓的平均值:1 f=2,2/2U, sin cotd(cot =U, cos a = 0.9U)cos a萬(wàn)人 一7V一當(dāng)a = 0時(shí)，U,取得最大值100V即 =0.9& = 100V得q = 11 W當(dāng)e=90時(shí)，4=。° a角的移相范圍為90°。2)整流輸出電壓的有效值為:U = JL &

11、quot;(®2 Sin cot)2d(cot) =U2=W3)整流電流的平均值為：I. = = 0.9-cos6Z = 0.2A( R,4)整流電流的有效值為：I = Id = 0.2A5)在一個(gè)周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通180。，兩組輪流導(dǎo)通，變壓 器二次電流是正、負(fù)對(duì)稱(chēng)的方波，電流的平均值和有效值相等， 其波形系數(shù)為1。流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值分別為：平均值：3空="皿4有效值："唇"圖噎皿6)每個(gè)晶閘管承受的最大正、反向電壓等于eL156.978。五、各主要元器件的選擇:1.晶閘管的選擇：1）電壓定額晶閘管的額定電壓通常取晶閘管的（斷態(tài)重復(fù)

12、峰值電壓） 和U座，（反向重復(fù)峰值電壓中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電 壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常 工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的2'3倍。即產(chǎn)minU"以” 且 “” 之（2 3）Utm O因此，3聞2心111 =叫考慮到留23倍的裕量，所以取 UTn = 400V2）電流定額通態(tài)平均電流/“恒國(guó)際規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境 溫度為40和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所 允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是標(biāo)稱(chēng)其額定 電流的參數(shù)。通常按照實(shí)際波形的電流與晶閘管允許的最大正弦 半波電流（其平均值即通態(tài)平均電流,”的）所造成的

13、發(fā)熱效應(yīng)相 等（即有效值相等）的原那么來(lái)選取晶閘管的此項(xiàng)電流定額，并 應(yīng)留一定的裕量。一般取其通態(tài)平均電流為按此原那么所得計(jì)算 結(jié)果的1.52倍。因區(qū) 那么晶閘管的額定電流為:Z7.0.22 (L5 2)總=(1.5 2)= (L5 2)0.0941.3/<2x1.57因此，取,小(的=以2.變壓器的選擇攵=幺=g.2變壓器的變比為仇111在不考慮損耗的情況下，選擇整流變壓器的容量為:s = u/ = u J = 111X 0.2 = 22.2V A六、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)晶閘管的電流容量越大，要求的觸發(fā)功率越大，對(duì)于大中電 流容量的晶閘管，為了保證其觸發(fā)脈沖具有足夠的功率，往往采 用由晶體管組

14、成的觸發(fā)電路。晶體管觸發(fā)電路按同步電壓的形式 不同，分為正弦波和鋸齒波兩種。同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路, 不受電網(wǎng)波動(dòng)和波形畸變的影響，移相范圍寬，應(yīng)用廣泛。因此, 這里采用同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路。同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路輸出可為雙窄脈沖，也可為單 窄脈沖。它由三個(gè)根本環(huán)節(jié)構(gòu)成：脈沖的形成與放大、鋸齒波的各點(diǎn)的電壓波形為:鋸齒波是由開(kāi)關(guān)V2管來(lái)控制的：1)V2開(kāi)關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率一一由同步變壓器所接的交 流電壓決定；2) V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波一一鋸齒波起點(diǎn)根本就是同 步電壓由正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)；3) V2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時(shí)間就是鋸齒波的寬度一一取決于充電時(shí) 間常數(shù)R1C1；七、

15、保護(hù)電路晶閘管的保護(hù)電路，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng) 的地方安裝保護(hù)器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速 熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種那么是采用電子保護(hù)電路， 檢測(cè)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(guò) 允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源 逆變工作狀態(tài)，從而抑制過(guò)電壓或過(guò)電流的數(shù)值。1.晶閘管的過(guò)流保護(hù)晶閘管設(shè)備產(chǎn)生過(guò)電流的原因可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由于整 流電路內(nèi)部原因，如整流晶閘管損壞，觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有 故障等；其中整流橋晶閘管損壞類(lèi)較為嚴(yán)重，一般是由于晶閘 管因過(guò)電壓而擊穿，造成無(wú)正、反向阻斷能力，它相當(dāng)于整流橋 臂發(fā)生永久性短路，

16、使在另外兩橋臂晶閘管導(dǎo)通時(shí)，無(wú)法正常換 流，因而產(chǎn)生線(xiàn)間短路引起過(guò)電流.另一類(lèi)那么是整流橋負(fù)載外 電路發(fā)生短路而引起的過(guò)電流，這類(lèi)情況時(shí)有發(fā)生，因?yàn)檎鳂?的負(fù)載實(shí)質(zhì)是逆變橋，逆變電路換流失敗，就相當(dāng)于整流橋負(fù)載 短路。另外，如整流變壓器中心點(diǎn)接地，當(dāng)逆變負(fù)載回路接觸 大地時(shí)，也會(huì)發(fā)生整流橋相對(duì)地短路。對(duì)于第一類(lèi)過(guò)流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過(guò)流，以及逆 變器負(fù)載回路接地時(shí)，可以采用第一種保護(hù)措施，最常見(jiàn)的就是接入快速熔短器的方式。見(jiàn)圖1?？焖偃鄱唐鞯慕尤敕绞焦灿腥N, 其特點(diǎn)和快速熔短器的額定電流見(jiàn)表1。A型B型C型圖1：快速熔短器的接入方法.方式特點(diǎn)額定電流備注A型熔斷器與每一個(gè)元件串 聯(lián)，

17、能可靠地保護(hù)每一 個(gè)元件/此< 1 .57/7./，：晶閘管通態(tài)平均電流B型能在交流、直流和元件 短路時(shí)起保護(hù)作用，可 靠性稍有降低< KJd小:交流側(cè)線(xiàn) 電流與之比 /“：整流輸出 電流C型直流負(fù)載側(cè)有故障時(shí)動(dòng) 作，元件內(nèi)部短路時(shí)不 能起保護(hù)作用1RN < 1D/。：整流輸出電流表一：快速熔斷器的接入方式、特點(diǎn)和額定電流三種接入方式均可使用在單相橋式整流電路中，因此選A型對(duì)于第二類(lèi)過(guò)流，即整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的 過(guò)電流，那么應(yīng)當(dāng)采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。電子電路保護(hù)原理 圖如下:可控硅觸發(fā)脈沖是由一個(gè)電平信號(hào)Uk來(lái)控制，當(dāng)Uk為“1電 平時(shí)，可控硅觸發(fā)脈沖關(guān)斷，那么整

18、流裝置輸出為0。當(dāng)Uk為“0 電平時(shí)，可控硅觸發(fā)脈沖正常輸出，那么整流裝置輸出電壓為 Udo圖6中，Ri, R2, N組成比擬器，通過(guò)RP1來(lái)設(shè)置過(guò)流保護(hù)值；VI 為鉗位二極管，Uk為可控硅觸發(fā)脈沖輸出的控制信號(hào)。當(dāng)整流 裝置輸出電流超出額定值的2096時(shí)，電流反應(yīng)UIF>URP1,那么比 擬器輸出為“0電平，使三極管V2截止，此時(shí)Uk為“1電平, 使整流裝置輸出電壓為0。鉗位二極管VI保證系統(tǒng)在出現(xiàn)過(guò)流時(shí),元器件保護(hù)、利用儲(chǔ)能元器件保護(hù)、利用引入電壓檢測(cè)的電子保 護(hù)電路作過(guò)電壓保護(hù)。這次我們采用儲(chǔ)能元件保護(hù)即阻容保護(hù)。3.電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù)di電流上升率萬(wàn)的抑制圖3.4串

19、聯(lián)電感抑制回路晶閘管初開(kāi)通時(shí)電流集中在靠近 門(mén)極的陰極外表較小的區(qū)域，局部 電流密度很大，然后以0.1mm/Us 的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面，假設(shè)晶閘管開(kāi)通時(shí)電流上di升率帚過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率 使其在適宜的范圍內(nèi)。其有效方法是在晶閘管的陽(yáng)極回路串聯(lián)入電 感。dv電壓上升率石的抑制dv加在晶閘管上的正向電壓上升率不也應(yīng) 一I有所限制,如果幫過(guò)大，由于晶閘管結(jié)電2、 L容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流 J可以實(shí)際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘圖6.5并聯(lián)R-C阻容吸收回管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時(shí)引起晶閘管dv誤導(dǎo)通。為抑制帚的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收 回路。八、元器件清單元器件備注數(shù)量整流變壓器變比為2,容量至少為22. 2VA1個(gè)晶閘管額定電壓為400V,額定電流為1A4個(gè)電阻包括負(fù)載中500 Q電 阻以及觸發(fā)電路保 護(hù)電路中的電阻假設(shè)干電感包括負(fù)載中的700mH 電感以及觸發(fā)電路 保護(hù)電路中的電感假設(shè)干電位器觸發(fā)電路和過(guò)流保護(hù)電路中