单相桥式晶闸管全控整流电路课程设计

学 号： 0121011360219

课 程 设 计

题 目 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师

单相全控桥式晶闸管整流电路设计

自动化学院 自动化专业 自动化1002班

李志强 许湘莲

2012 年 12 月 29 日

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

课程设计任务书

学生姓名： 李志强 专业班级： 自动化1002班

指导教师： 许湘莲 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 初始条件：单相全控桥式晶闸管整流电路的设计（阻感负载） 1、电源电压：交流220V、50Hz 2、输出功率：1KW 3、移相范围0°~90°

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写

等具体要求）

1、根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路、控制电路； 2、用MATLAB/Simulink对设计的电路进行仿真；

3、撰写课程设计报告——画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理、选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、绘出主电路典型波形，绘出触发信号（驱动信号）波形，并给出仿真波形，说明仿真过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料；

5、通过答辩。

时间安排：2012.12.24-12.29

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

摘要

本次课程设计只要是对单相全控桥式晶闸管整流电路的研究。首先对几种典型的整流电路的介绍，从而对比出桥式全控整流的优点，然后对单相全控桥式晶闸管整流电路的整体设计，包括主电路，触发电路，保护电路。主电路中包括电路参数的计算，器件的选型；触发电路中包括器件选择，参数设计；保护电路包括过电压保护，过电流保护，电压上升率抑制，电流上升率抑制。之后就对整体电路进行Matlab仿真，最后对仿真结果进行分析与总结。 关键词：单相全控桥、晶闸管、整流

目 录

1 系统方案及主电路设计............................................ 1

1.1 整流电路对比 ............................................... 1 1.2 系统流程框图 ............................................... 3 1.3 主电路的设计 ............................................... 3 1.4 整流电路参数计算 ........................................... 5 1.5 晶闸管元件的选择 ........................................... 6 2 驱动电路设计..................................................... 7

2.1 触发电路简介 ............................................... 7 2.2 触发电路设计要求 ........................................... 7 2.3 集成触发电路TCA789......................................... 8

2.3.1 TCA785芯片介绍 ....................................... 8 2.3.2 TCA785锯齿波移相触发电路 ............................ 12

3 保护电路设计.................................................... 13

3.1 过电压保护 ................................................ 13 3.2 过电流保护 ................................................ 14 3.3 电流上升率di/dt的抑制 .................................... 14 3.4 电压上升率du/dt的抑制 ..................................... 15 4 系统MATLAB仿真................................................ 16

4.1 MATLAB软件介绍............................................ 16 4.2 系统建模与参数设置 ........................................ 16 4.3 系统仿真结果及分析 ........................................ 20 设计体会........................................................... 24 参考文献........................................................... 25

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

1 系统方案及主电路设

1.1 整流电路对比

我们知道，单相整流电路形式是各种各样的，可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，整流的结构也是比较多的。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1-1：

图1-1 单相桥式半控整流电路

对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当α突然增大至180°或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一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1-2：

图1-2 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。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。

1

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

2.3.2 TCA785锯齿波移相触发电路

由于TCA785自身的优良性能，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。西门子TCA785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。西门子TCA785外围电路如图2-3 所示。

图2-3 TCA785锯齿波移相触发电路原理图

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TCA785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。同步变压器的变比选为K?220/15?44/3?14。

12

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

3 保护电路设计

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护也是必要的。

3.1 过电压保护

以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。 （1）交流侧过电压保护

可采用阻容保护或压敏电阻保护。

① 阻容保护（即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护） 单相阻容保护的计算公式如下：

C?6i0%S2U2R?2.3S2U2 (3-1)

UK% (3-2) i0%S：变压器每相平均计算容量（VA）；

U2：变压器副边相电压有效值（V）； i0%：变压器激磁电流百分值； Uk%：变压器的短路电压百分值。

当变压器的容量在（10—000）KVA里面取值时i0%=(4—10)在里面取值，

Uk%=(5—10）里面取值。

电容C的单位为μF，电阻的单位为Ω。 电容C的交流耐压≥1.5Ue。

Ue：正常工作时阻容两端交流电压有效值。

根据公式算得电容值为4.8μF,交流耐压为165V，电阻值为12.86Ω， 在设计中我们取电容为5μF，电阻值为13Ω。

② 压敏电阻RV1的计算

U1mA=1.32U2=1.3×2×220=404.4V (3-3)

流通量取5KA。选MY31-440/5型压敏电阻（允许偏差+10％）作交流侧浪涌

13

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

过电压保护。

（2）直流侧过电压保护

直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成didt加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。

U1Ma?(1.8～2)UDC=(1.8～2.2)×198=356.4～435.6V (3-4)

选MY31-440/5型压敏电阻(允许偏差+10％)作直流侧过压保护。 （3）晶闸管两端的过电压保护

抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法，可查下面的经验值表确定阻容参数值。

表3-1 阻容保护的数值(一般根据经验选定) 晶闸管额定电流/A 10 20 50 100 200 500 电容/μF 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 电阻/Ω 100 80 40 20 10 5 由于IT?4.1A,由上表可知选取C=0.1μF，R=100Ω。

1000 2 2 3.2 过电流保护

快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。

接阻感负载的单相全控桥电路，通过晶闸管的有效值

IT?Id/2?3.22A (3-5) 选取RLS-4快速熔断器，熔体额定电流4A。

3.3 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/μs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4-1所示。

图3-1 串联电感抑制回路

14

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

3.4 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，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3-2所示。

图3-2 并联R-C阻容吸收回路

15

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

4 系统MATLAB仿真

4.1 MATLAB软件介绍

本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。

4.2 系统建模与参数设置

单相全控桥式整流电路模型主要由交流电源、同步触发脉冲、晶闸管全控桥、电感负载、测量等部分组成。采用MATLAB面向电气原理结构图方法构成的单相全控桥式整流电路仿真模型如图4-1所示。

图4-1 单相全控桥式整流电路仿真模型

16

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

（d）触发角为90°

图4-2 单相全控桥式整流电路仿真模型曲线

图4-3 单相全控桥式整流电路理论波形

下面分析一下仿真的结果：

1、由图5-2（a）知，在电源电压u2正半周期，晶闸管TV1（和TV4）承受

22

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

正向电压，在?时施加触发信号CF1，使晶闸管TV1（和TV4）导通，则电源电压通过TV1和TV4加至负载上，晶闸管TV1两端的电压近视为0（忽略管压降）。当电源电压过零变负时，由于电感的存在，TV1（和TV4）仍继续导通，负载电流Zi和电压Zu连续。

2、由图5-2（b）、（c）知，与理论波形图5-3相比较，分别在?=45°、

?=60°施加触发信号CF1，晶闸管TV1（和TV4）导通后，负载电压Zu接近于

变压器二次侧电压AC的波形。负载电流Zi存在断续，可知已知电感（700mH）还不够大，与前面的理论分析假设的大电感有区别。

3、由图5-3（d）可知，当触发角?=90°，理论值平均电压Ud=0，图中Zu接近于0。

4、数据分析：

（1）、?=0°，实际值Ud=198.069；理论值Ud=198；实测值和理论值非常接近，误差极小，产生的误差可能是计算问题；

（2）、?=45°，实际值Ud=140.056；理论值Ud=140；实测值和理论值非常接近，误差极小；

（3）、?=60°，实际值Ud=99.034；理论值Ud=99；实测值和理论值非常接近，误差极小；

（2）、?=00°，实际值Ud=0.062；理论值Ud=0；实测值和理论值非常接近，误差极小。

23

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

设计体会

不得不说，这次电力电子的课程设计使我受益匪浅。我选的课题是单相桥式整流带阻感性负载电路，通过平常在课堂上的学习，我们对这个电路在理论上已经有了非常充分的了解，课题看起来貌似也不难。但通过这几天的设计，我深深的感悟到理论与实际相结合的重要性，光具有理论知识是远远不够的，只要在亲自动手操作的过程中，在不断发现问题再改正问题的过程中，我们才能收获知识，得到进步。

此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了单相桥式整流电路的原理以及触发电路的设计。当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高。另外，通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，还必须把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

最后，我要特别感谢陆秀令老师对我的本课程设计在制作过程中得到了细心指导及许多同学的热心帮助，感谢他们提出的诚恳意见和无私的帮助。

24

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

参考文献

[1] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M](第4版).北京：机械工业出版社，2000.

15-96

[2] 浣喜明，姚为正.电力电子技术[M].北京：高等教育出版社，2004.128-145 [3] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M](第5版).北京：机械工业出版社，2009.

19-94

[4] 陆秀令,张振飞.电力电子技术实验指导书[M].衡阳：湖南工学院电气与信

息工程系，2010.10-18

[5] 周渊深. 电力电子技术与MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社，2006.

188-278

25

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

本科生课程设计成绩评定表

姓 名 专业、班级 课程设计题目： 课程设计答辩或质疑记录： 性 别 成绩评定依据： 序号 1 2 3 4 5 6 评定项目 选题合理、目的明确（10分） 设计方案正确，具有可行性、创新性（20分） 设计结果可信（例如：系统建模、求解，仿真结果）（25分） 态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分） 设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分） 答辩（20分） 总分 评分成绩 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字：

年 月 日

26

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cwc2.html