电力电子技术课程设计--单相桥式可控整流电路的设计.doc

电力电子变流技术课程设计报告

课题一 单相桥式可控整流电路的设计

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2105年 12 月15日

目录
一、设计目的 3
二、设计任务 3
1.设计的任务 3
2.设计指标内容及要求 3
三、设计方案选择及论证 3
四、总体电路设计 4
1.总体电路的功能框图 4
2.电路组成 4
3.工作原理 5
4.主要参数关系 5
五、各功能模块电路设计 5
1.各功能模块的设计 5
1.1 驱动电路的设计 5
1.2 电力电子器件的保护 6
2、整流电路参数的计算 7
3.元器件的选择 8
3.1晶闸管（SCR）的介绍 8
3.2晶闸管的工作原理 8
3.3晶闸管基本工作特性归纳 9
3.4晶闸管的主要参数如下 9
3.5晶闸管的选取 10
六、总体电路 10
1.总体电路原理图 10
1.2 工作原理 11
七、总结 11
1.系统调试及结果 11
1.1建模 11
1.2模型参数设置 12
2.仿真结果与分析 14
1.3小结 16
3、收获与体会 16
八、参考文献 16

一、设计目的
单相桥式整流电路是整流电路中的一种，由于其优点明显，实用性强，在大、中、小型各种实际电路中都有十分广泛的应用。
二、设计任务
1.设计的任务
（1）进行设计方案的比较，并选定设计方案；
（2）完成单元电路的设计和主要元器件说明；
（3） 完成主电路的原理分析,各主要元器件的选择；
（4） 驱动电路的设计,保护电路的设计.
2.设计指标内容及要求
（1）电网供电电压为单相220V；
（2）变压器二次侧电压为110V；
（3）输出电压连续可调，为0～100V；
（4）带阻感性负载：L=1000mH，R=100Ω.
三、设计方案选择及论证
单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），，且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全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。
四、总体电路设计
保护电路
1.总体电路的功能框图

直流负载电路
220v交流电源

整流电路

驱动电路

控制电路

2.电路组成
该电路为单相桥式全控整流电路，由变压器﹑四个晶闸管﹑电感及电阻组成。

图1 阻感性负载电路（ａ）工作波形（b）
3.工作原理
假设电路已经工作在稳定状态，假设 ，负载电流连续，近似为一平直的直线。
电源电压的正半周，在α=时，触发晶闸管VT1、VT4导通，负载上的电压和电源电压相同。但由于电感的平波作用，电流不能突变，因此电流波形平稳近似一条直线。
当交流电压正半周过零开始変负时，由于L的作用，产生感应电动势UL,阻止电流下降，极性为下负上正，只要UL在数值上大于电源负电压，已导通的VT1、VT4管仍受正压而继续导通，此时负载两端出现负电压。直到电源负半周时刻触发VT2、VT3管导通，VT1、VT4才会受反压关断，负载电流改由VT2、VT3导通回路供应。因此每个晶闸管始终导通180°，晶闸管电流为180°底宽、高度为Id的矩形波，在晶闸管的触发时刻换流。变压器二次电流为正负对称的矩形波，无直流分量。
4.主要参数关系
① 输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id

② 晶闸管的电流平均值和有效值

③（输出电流有效值I和变压器二次电流有效值

④ 晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压均为
五、各功能模块电路设计
1.各功能模块的设计
1.1 驱动电路的设计
GTO是电流驱动型器件。它的导通控制与普通晶闸管相似，但对触发前沿的幅值和陡度要求较高，且一般需要在整个导通期间施加正向门极电流。要使GTO关断则需施加反向门极电流，对其幅值和陡度的要求则更高，幅值需达到阳极电流的1/3左右，陡度需达50A/s，其中强负脉冲宽度约30s，负脉冲总宽度100s，关断后还需在门极-阴极间施加约5V的负偏压，以提高器件的抗干扰能力。
GTO一般用于大容量电流的场合，其驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直流耦合式两种类型。直流耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可以得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较为广泛，其缺点是功耗大，效率低。直流耦合式GTO驱动电路的电源由高频电源经二极管整流后得到，二极管VD1和电容C1提供+5V电压，VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路，提供+15V电压，VD4和电容C4提供-15V电压。场效应晶体管V1开通时，输出正强脉冲；V2开通时，输出正脉冲平顶部分；V2关断而V3开通时输出负脉冲；V3关断后电阻R3和R4提供门极负偏压。
1.2 电力电子器件的保护
在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。
1.2.1 过电压的产生及过电压保护
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。
(1)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，包括：
操作过电压：由分闸，合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间的存在的分布电容静电感应耦合过来。雷击过电压：由雷击引起的过电压。
(2)内因过电压　主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括以下几个部分。
换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不能恢复阻断能力时，因而有较大的反向电流通过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极这间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。
关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而线路电感在器件两端感应出的过电压。
各电压保护措施及配置位置，各电力电子装置可视具体情况只来用采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的装置，其功能属于缓冲电路的范畴。在抑制外因过电压的措施中，采用RS过电压抑制电路是最为常见的。RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（通常供电电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧）或电力电子电路的直侧流。对于大容量的电力电子装置，可采用图1－39所示的反向阻断式RC电路。有关保护电路的参数计算可参考相关的工程手册。采用雪崩二极管，金属氧化物压敏电阻，硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较为常用的手段。
1.2.2 过电流保护
电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。
在选择快熔时应考虑：
(1)电压等级应根据快熔熔断后实际承受的电压来确定。
(2)电流容量应按照其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。
(3)快熔的It值应小于被保护器件的允许It值。
(4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。
快熔对器件的保护方式分为全保护和短保护两种。全保护是指无论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕量较大的场合。短路保护方式是指快熔只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。
对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高，很难用快熔保护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。除了对电动机起动时的冲击电流等变化较慢的过电流可以用控制系统本身调节器进行对电流的限制之外，需设置专门的过电流保护电子电路，检测到过流之后直接调节触发，驱动电路，或者关断被保护器件。
此外，常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这种措施对器件过电流的
2、整流电路参数的计算
纯电阻负载时：
由图知晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 和
①整流电压平均值为：

α=0时，Ud= Ud0=0.9U2。α=180°时，Ud=0。可见，α角的移相范围为180°。
②向负载输出的直流电流平均值为：

③流过晶闸管的电流平均值 ：

④流过晶闸管的电流有效值为：

变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为

3.元器件的选择
3.1晶闸管（SCR）的介绍
晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。
晶闸管的结构：外形有螺栓型和平板型两种封装，引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端，对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便，平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。

图1.4 晶闸管的外形、结构和电气图形符号和模块外形
a)晶闸管类型b)内部结构c)电气图形符号d)模块外形
3.2晶闸管的工作原理
在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。其工作过程如下：
UGK>0 → 产生IG → V2通→产生IC2 → V1通→ IC1↗ → IC2 ↗ → 出现强烈的正反馈，G极失去控制作用，V1和V2完全饱和，SCR饱和导通。
晶闸管导通后，即使去掉门极电流，仍能维持导通。

图1.5 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
3.3晶闸管基本工作特性归纳
①承受反向电压时(UAK <0)，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；
②承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开 通(即UAK >0， IGK >0才能开通)；
③晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；
④要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
3.4晶闸管的主要参数如下
①额定电压UTN
通常取和中较小的，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=（2～3）UTM
UTM:工作电路中加在管子上的最大瞬时电压
②额定电流IT(AV)
IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。
在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值不大于额定电流的有效值,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。
在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值不大于额定电流的有效值,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。
3.5晶闸管的选取
整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为
Ud＝0.9 U2 cosa＝0.9×220×cos0°＝198V
I2＝Id＝100(A)
晶闸管承受的最大正反向电压为：
U＝220 ＝311（V）
流过每个晶闸管的电流的有效值为：
IVT＝Id∕ ＝70.7（A）
故晶闸管的额定电压为：
UN＝(2~3)×311＝622~933（V）
晶闸管的额定电流为：
IN＝(1.5~2)×70.7∕1.57＝67.5~90.1（A）
其型号为KP100-6。

六、总体电路
1.总体电路原理图

该电路主要由六部分构成，分别为交流电源，保护电路，整流电路，控制电路，驱动电路和负载电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。
1.2 工作原理
（1）在u2正半波的（0~α）区间： 晶闸管VT1、VT4承受正压，但无触发脉冲，处于关断状态。假设电路已工作在稳定状态，则在0～α区间由于电感释放能量，晶闸管VT2、VT3维持导通。
（2）在u2正半波的ωt=α时刻及以后：在ωt=α处触发晶闸管VT1、VT4使其导通，电流沿a→VT1→L→R→VT4→b→Tr的二次绕组→a流通，此时负载上有输出电压（ud=u2）和电流。电源电压反向加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反压而处于关断状态。
（3）在u2负半波的（π~π+α）区间：当ωt=π时，电源电压自然过零，感应电势使晶闸管VT1、VT4继续导通。在电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正压，因无触发脉冲，VT2、VT3处于关断状态。
（4）在u2负半波的ωt=π+α时刻及以后：在ωt=π+α处触发晶闸管VT2、VT3使其导通，电流沿b→VT3→L→R→VT2→a→Tr的二次绕组→b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，负载上有输出电压 （ud=-u2）和电流。此时电源电压反向加到VT1、VT4上，使其承受反压而变为关断状态。晶闸管VT2、VT3一直要导通到下一周期ωt=2π+α处再次触发晶闸管VT1、VT4为止。
从波形可以看出α＞90º输出电压波形正负面积相同，平均值为零，所以移相范围是0～90º。控制角α在0～90º之间变化时，晶闸管导通角θ≡π，导通角θ与控制角α无关。
七、总结
1.系统调试及结果
1.1建模
单相桥式全控整流电路(阻-感性负载)的MATLAB仿真模型

1.2模型参数设置
a.交流电源参数

b.同步脉冲信号发生器参数
Pulse Generator 的参数

Pulse Generator1 的参数

c.电阻电感参数

d.示波器参数
示波器五个通道信号依次是：①通过晶闸管电流Ial；②晶闸管电压Ual；③电源电流i2④通过负载电流Id；⑤负载两端的电压Ud。
2.仿真结果与分析
a.触发角α=0°，MATLAB仿真波形如下：
α=0°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）(截图)
b. 触发角α=30°，MATLAB仿真波形如下：

α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）(截图)

c.触发角α=60°，MATLAB仿真波形如下：

α=60°
单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）(截图)
d.触发角α=90°，MATLAB仿真波形如下：

α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）(截图)
1.3小结
由于电感的作用，输出电压出现负波形；当电感无限大时，控制角α在0~90°之间变化时，晶闸管导通角θ=π，导通角θ与控制角α无关。输出电流近似平直，流过晶闸管和变压器副边的电流为矩形波。α=120°时的仿真波形，此时的电感为有限值，晶闸管均不通期间，承受二分之一的电源电压。
3、收获与体会
通过本次电力电子课程设计，让我们更进一步的了解到单项桥式全控整流电源的工作原理以及它的要求和性能指标。也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题，而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获。在设计的过程中，我遇到了很多的困难，主要是对自己所学的知识不牢固，许多的知识没有学会和理解，对一些一般的设计问题没有掌握很好的解决方法。在以后的学习中要不断的把自己的所学的与设计使用结合起来，学习上遇到的问题要脚踏实地解决。通过这次课程设计，我感觉自己提高了很多，在以后的学习中要尽快弥补自己薄弱环节。

八、参考文献

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[6] 陈治明.电力电子技术基础.北京：机械工业出版社，1992
[7] 郝万新，电力电子技术.北京：化学工业出版社，2005

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