单相桥式带阻感负载可控整流器的设计

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第一章 绪论

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。电力电子技术在现在各科学领域的发展中占有重要的作用。用电力电子技术制造出的产品也被人们所熟知。

为培养运用基本知识进行简单电路设计的能力，扎实电力电子基础理论，我们需要进行电力电子的课程设计。

我在此次课程设计中选择了做单相桥式带阻感负载可控整流器的设计。单相桥式整流电路是根据进闸管的单相触发导通特性来进行设计，电源的正半周期和负半周期分别控制不通的晶闸管的导通。同时调整晶闸管的触发角α可以得到所需要的电路的输出波形。

本课程设计的编写是以实验研究为主线，以科学实验研究所运用的实验技术为主要内容，按照实验是什么，为什么，干什么，怎么干的逻辑思维体系和实验的构成要素（主体，手段，对象和目的）为教材内容展开。

通过本课题的设计，培养学生掌握电子技术的科学实验规律，实验技术，测量技术等实验研究方法，使其具有独立实验研究的能力，以便在未来的工作中开拓创新。

为了全面介绍科学实验研究的技术方法，在加强的直接实验方法的同时，力求使学生尽快掌握当前先进科学技术，本课题设计所用到的matlab或者PSIM软件等技术的新手段，新工具。在学习运用新的学习辅助软件的同时又可以对课程设计的设计的正确、快速的完成由所帮助。

通过课程设计，能够加深对电路理论知识的理解和掌握，更主要的是学习和掌握科学实验研究方法。学会运用理论和实验两种研究方法，解决实际问题能力，

单相桥式带阻感负载可控整流器的设计

学会结合学习辅助软件进行设计。

在这次课程设计中，非常感谢老师及同学的帮助！

由于时间仓促及个人水平有限，本说明难免有错，敬请老师同学提出批评并指正。

设计者：

2010年6月

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第二章 设计方案

2.1 设计方案的比较

单相桥式可控整流电路可分为单相桥式全控整流电路和单相桥式半控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。半控电路和全控电路在电阻负载时工作情况相同，一下针对阻感负载进行讨论。

单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：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。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，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，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。

根据以上的比较分析因此选择的方案为单相桥式全控整流电路（负载为阻感性负载）。

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第三章 单元电路的设计

3.1 主电路的原理

3.1.1 主电路原理图 1.原理方框图

系统原理方框图如3-1所示：

图3-1系统原理方框图

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阻感性负载。 2.电路原理图

系统电路原理图如图3-2所示。

u1

L

R

图3-2 电路原理图

它包括4个晶闸管和一个电感，一个电阻，且ωL>>R，这样电路呈阻感性。3.1.2 电路原理说明

在电源电压u2正半周期间，触发角α处给晶闸管VT1、VT4加触发脉冲使其导通，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连续且波形近似为一水平线。此时晶闸管VT1、VT2承受正向电压，若在 t 时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在，u2过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承

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受反相电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。

在电源电压u2负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在 t 时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在 t 2 时，电压u2过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，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id才连续，当 时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是0 。

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第四章 驱动电路及保护电路

4.1 驱动电路的设计

对于使用晶闸管的电路，在晶闸管阳极加正向电压后，还必须在门极与阴极之间加触发电压，使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。相控电路的控制亦称为出发控制，相应的驱动电路亦称触发电路。根据控制要求决定晶闸管的导通时刻，对变流装置的输出功率进行控制。触发电路是变流装置中的一个重要组成部分，变流装置是否能正常工作，与触发电路有直接关系，因此，正确合理地选择设计触发电路及其各项技术指标是保证晶闸管变流装置安全，可靠，经济运行的前提。 4.1.1 触发电路的要求

对于触发电路，有如下要求：

（1）、触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

（2）、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

（3）、触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导

后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

（4）、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。

目前应用最为广泛的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用为多。

4.1.2 单结晶体管触发电路

（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4.1 （a）所示：

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图4.1单结晶体管触发电路及波形

（3）工作原理：

经D1~D4整流后的直流电源UW，一路经R2、R1加在单结晶体管两个基极

b1、b2之间；另一路通过Re对电容C充电、通过单结晶体管放电。控制BT的

导通、截止；在电容上形成锯齿波振荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲ug，如图4.1(b)所示，其振荡频率为：

f

11

(式4.1)

TRCln1)

e

1

上式中 0.3~0.9是单结晶体管的分压比，即调节Re，可调节振荡频 （4）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

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电压与主电压同相位、同频率。

同步电压经桥式整流、稳压管Dw削波为梯形波uDW，而削波后的最大值UW 既是同步信号，又是触发电路电源。当uDW过零时，电容C经e-b1、R1迅速放电到零电压。这就是说，每半周开始，电容C都从零开始充电。进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻（即控制角α）一致，实现了同步。 （5)移相控制

当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉 冲出现的时刻推迟，即控制角α增大，实现了移相。锯齿波形成电路由Tl、T2、

T3和C2等元件组成，其中Tl、DW、RW2和R3为一恒流源电路。T2截止时，恒

流源电流I1c对电容C2充电，所以C2两端电压uc为：

I1

uc I1cdt 1c

CC

（式4-2）

4.2 保护电路

由于电力电子器件承受过电流和过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。但又不能完全根据装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，必须充分发挥器件应有的过载能力。因此，保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的重要环节。 （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。过电压又分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统重点额操作过程等外部原因，包括操作过电压和雷击过电压。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括环相过电压和关断过电压。过电压电路图如图4-3所示。

图4-3 过电压抑制措施及配置位置

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（2） 过电流保护

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。图4-4为过电流保护措施及配置位置。

变压器

快速熔断器

变流器

图4-4 过电流保护措施及配置位置

4.3 晶闸管的保护电路

（1） 晶闸管变流装置的过电流保护

晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流，过电流分过载和短路两种情况，由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热器的传导途径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别在瞬时短路电流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，晶闸管承受过载或短路电流的能力主要受结温的限制。可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器，直流快速熔断器和过电流继电器等。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。

图4-5 晶闸管过电流保护电路

（2）晶闸管变流装置的过电压保护

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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。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，过电压保护有避雷器保护，利用非线性过电压保护元件保护，利用储能元件保护，利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护。电路图如图4-6所示。

图4-6 晶闸管的过电压保护

（3）缓冲电路

缓冲电路也称吸收电路。其作用是抑制电力电子期间的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小期间的开关损耗。缓冲电路又可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路称为du/dt抑制电路，用于吸收器件关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。

晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的du/dt，因此一般采用RC吸收电路即可。电路如图4-7所示。

图4-7 RC吸收电路

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第五章 参数设定及元件选择

5.1 输出电压

（1）输出电压的平均值可按下式计算

1 22

2U2sin td t =U2cos =0.9U2cos （式5-1） Ud= 当触发角α=0°时，Ud取得最大值100V，即Ud= 0.9 U2=100V从而得出

U2=111V；当触发角α=90o时，Ud=0°，α角的移相范围为0~90o。

（2）整流输出电压的有效值为

21

U 2U2sin td t =U2 =111V （式5-2）

5.2 输出电流

（1）输出电流平均值

UU

Id d 0.92cos （式5-3）

RdRd （2）输出电流有效值 UU2

I （式5-4） RdRd（3）晶闸管电流平均值

1

Id Id （式5-5） IdT TId

2 2 2

（4）晶闸管电流有效值 IT

T 1Id Id Id （式5-6） 2 2 2

5.3 额定参数确定

（1)晶闸管额定电压UTn

通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压 UTn minUDRM,URRM

UTn ≥（2～3）UTM （式5-7）

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UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压。 （2）晶闸管的额定电流IT(AV)

通态平均电流标称为额定电流的参数。国际规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40°和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

ITn ：额定电流有效值，根据管子的IT(AV) 换算出， IT(AV) 、ITM ITn 三者之间的关系： ITn /2 (Imsin t)2d( t)

2Im

（式5-8）

IT(AV) 1/2 Imsin td( t)

Im2

（式5-9）

（3）波形系数

波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值IT与平均值ITd之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。 Kf

额定状态下， 晶闸管的电流波形系数

IT

（式5-10） ITd

I（式5-11） K Tn 1.11

f

2Im

5.4 元件选取

IT(AV)

Im

2

（1）晶闸管的选取 晶闸管的选择原则：

Ⅰ、所选晶闸管电流有效值ITn 大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。

Ⅱ、 选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。即ITn ＝0.707IT(AV) ＝（1.5～2）

ITM

IT(AV) (1.5~2)

ITM

（式5-12） 1.11

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因为IT I

,则晶闸管的额定电流为IT AV =10A(输出电流的有效值为最小值，2

所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至少应大于20A.

晶闸管承受最大电压为UTM 2U2 2 111取V 157V考虑到2倍裕量，400V.

（2）变压器的选取

变压器一次侧输入为220V，二次侧输出为0～100V，因此变压器应选变比为2,容量至少为24.2V·A。

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第六章 仿真

6.1 仿真电路图

利用matlab进行仿真，仿真电路图如图6-1所示。

图6-1 仿真电路图

6.2 仿真结果

根据调整不同的触发角，我们可以调整出不同的波形输出。 （1）触发角 0 的仿真波形如图6-2所示。

图6-2 触发角为 0 的仿真波形

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（2）触发角 30 时的仿真波形如图6-3所示。

图6-3 触发角为 30 时的仿真波形图

（3）触发角 60 时的仿真波形如图6-4所示。

图6-4 触发角为 60 时的仿真波形图

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第七章 心得体会

通过单相全控桥式整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。

每次做课程设计我都感觉比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的。

对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。

在设计过程中，我更加了解了单相桥式整流电路的一些特性。比如，在阻感负载中，触发角ɑ变化范围0～90度，输出电压波形亦与电阻和电感无关，电压的波形根据触发角变化，幅值与电阻相关，电流呈稳定状波形，这是加了电感平波的作用。

当然每次的课程设计都离不开老师平时的耐心教导，没有他们灌输给我们的知识，我们根本就无从动手，是老师的教导和同学们的帮助，以及自己的努力才能一次次地顺利完成课程设计。

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致谢

本课程设计在制作过程中得到了老师的细心指导及许多同学的热心帮助，并提出了许多中恳宝贵的意见，在此表示衷心的感谢。本课程设计说明书在编写过程中参考了许多有的关图书、电力电子课件和课程设计资料，并引用了有关章节内容，在此表示感谢。当然，在此次课程设计中，除了大家的帮助外，还有就是一位虚拟的人物“网络”，它给我提供了大量的资料。在我所设计的电路当中，有用到的芯片，它的一些详细资料不知道，大部分都是在网络上下载了解的，因此我应该感谢它。

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参考文献

[1] 王兆安.电力电子技术第四版.北京：机械工业出版社，2000

[2] 杨素行.模拟电子技术基础简明教程(第二版).北京：高等教育出版社,1998. [3] 叶 斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，1999 [5] 邱关源.电路.陕西：高等教育出版社,2006.

[6] 江中华.电路设计与制版 protel DSP典型实例.北京：人民邮电出版社，2004.

[7] 戴伏生.基础电子电路设计与实践.[M]北京：国防工业出版社，2002. [8] 王维平.现代电力电子技术及应用。南京：东南大学出版社，1999 [9] 武义伟.汪河著.实用电路300例.[M]北京：电子工业出版社，1983.

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附录

元器件清单

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hj4i.html