单相全控桥感性负载-毕业论文.doc

目 录

摘要 2
1 前言 2
2主电路设计 3
2.1系统流程框图 3
2.2主电路的设计 3
2.2.1 整流电路及波形图 3
2.2.2 工作原理 4
2.2.3 整流电路的参数计算 5
2.3 晶闸管元件的选择 6
3 触发电路的设计 8
4 保护电路的设计 11
5 仿真波形 11
心得体会 18
参考文献 18

摘 要
整流电路技术在工业生产上应用极广。如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路按组成的器件不同，可分为不可控、半控与全控三种，利用晶闸管半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路；按电路接线方式可分为桥式和零式整流电路；按交流输入相数又可分为单相、多相（主要是三相）整流电路。正是因为整流电路有着如此广泛的应用，因此整流电路的研究无论在是从经济角度，还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。
1前言
在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。
整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。

单相全控桥式晶闸管整流电路(阻感负载)的设计
2 主电路的设计
2.1系统流程框图
根据方案选择与设计任务要求，画出系统电路的流程框图如图5所示。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带阻感性负载。
输入
过电流保护
整流主电路
过电压保护

驱动触发电路
输出

图2.1
2.2主电路的设计
2.2.1 整流电路及波形图
图2.2单相桥式全控整流电路图（阻感负载）

图 2.3单相桥式全控整流电路图（阻感负载，带反电动势）

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2,3
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1,4
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图2.4单相桥式全控整流电路图（阻感负载）时的波形

2.2.2工作原理
在电源电压正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在时触发，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，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。
在电源电压负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在时触发，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中在时，电压过零，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。

2.2.3 整流电路的参数计算

1）整流输出电压的平均值可按下式计算
=== （公式1）
当α=0时，取得最大值,即= 0.9 。从=100可以而得出=90V，α=90o时，=0。α角的移相范围为90o。
2）整流输出电压的有效值为
=30V （公式2）
3）整流电流的平均值和有效值分别为
（公式3）
（公式4）
4)为保证电流连续所需电感量L可有下式求出：
（公式5）
5)在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值和有效值相等，其波形系数为1。
流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为：
（公式6）
（公式7）
6)晶闸管在导通时管压降=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于;VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整 个电压加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为。

2.2 晶闸管元件的选择

由于单相桥式全控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。
1).晶闸管的主要参数如下：
①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 ≥（2～3）UTM （公式8）
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。
要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。
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ITM ≤ ITn ,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。
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：
（公式9）
（公式10）
波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值与平均值之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。
（公式11）

额定状态下， 晶闸管的电流波形系数
（公式12）
=== （公式13）
晶闸管承受最大电压为考虑到2倍裕量，取300V。
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
（公式14）

因为,则晶闸管的额定电流为=10A(输出电流的有效值为最小值，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.
在本次设计中我选用4个KP20-4的晶闸管.
Ⅲ、 若散热条件不符合规定要求时，则元件的额定电流应降低使用。
③ 通态平均管压降 UT(AV) 。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.4～1.2V。
④ 维持电流IH 。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般IH值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。
⑤ 门极触发电流Ig 。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。
⑥ 断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。
⑦ 通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。

3 触发电路的设计
晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求：
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）。
由闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散性很大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流Igt、门极触发电压U是指该型号的所有合格器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通，对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为0.5-1MS，相当于50HZ、18度电度角。为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在 触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。
③ 触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。
触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。
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。
例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时要求触发脉冲的移项范围是0度-180度，带大电感负载时，要求移项范围是0度-90度；三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是0度-90度。
⑤触发脉冲与主电路电源必须同步。
为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。触发电路同时受控于电压Uc与同步电压Us控制。
这里我们选用“ 单结晶体管触发电路”
利用单结晶体管(又称双基极二极管)的负阻特性和RC的充放电特性，可组成频率可调的自激振荡电路，如图所示。
图中V6为单结晶体管，其常用的型号有BT33和BT35两种，由等效电阻V5和C1组成组成RC充电回路，由C1-V6-脉冲变压器组成电容放电回路，调节RP1即可改变C1充电回路中的等效电阻。

图3.1 单结晶体管触发电路原理图

工作原理简述如下：
由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经VD1半波整流，再由稳压管V1、V2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7及等效可变电阻V5向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压UP时，单结晶体管V6导通，电容通过脉冲变压器原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。
同时由于放电时间常数很小，C1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压Uv，使V6关断，C1再次充电，周而复始，在电容C1两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。在一个梯形波周期内，V6可能导通、关断多次，但只有输出的第一
个触发脉冲对晶闸管的触发时刻起作用。充电时间常数由电容C1和等效电阻等决定，调节RP1改变C1的充电的时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制

4 保护电路的设计
电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。
过流保护：当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。采用快速熔断器作过电流保护，其接线图。熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路
过压保护：设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。
5 仿真波形

图5.1仿真电路图（有反电动势）
其中通道一为交流源波形（输入电压波形）；通道二为输出电压波形；通道三为输出电流波形；通道四为VT1,VT4的触发信号波形；通道五为VT2,VT3的触发信号波形。
当触发角时的波形仿真图

图5.2
当触发角时的波形仿真图

图5.3

当触发角时的波形仿真图

图5.4

当触发角时的波形仿真图

图5.5

触发角时的波形仿真图

图5.6

仿真电路

图5.7仿真电路图（阻感负载）

当触发角时的波形仿真图

图5.8

当触发角时的波形仿真图

图5.9

当触发角时的波形仿真图

图5.10

当触发角时的波形仿真图

图5.11

触发角时的波形仿真图

图5.12

心得体会
通过了近一周的电力电子技术的课程设计，我们终于完成了老师交给我们的任务。在刚开始时要分组由不同的老师来带各个小组。
首先老师把我们都叫到一起，并且耐心仔细的给我们讲解了实验中应该注意的现象和如何进行课程设计的方法。并且告诉我们在电子图书室可以找到一些设计所需的资料。后来事实证明，这些东西有很大的用处。
回到宿舍，我们首先将电力电子技术这本书看一遍，用了将近一天的时间，当我已经对电路图及其原理有了比较深的了解之后，我们又到电子图书室查询了一些资料，但是到的合工大的电子图书室查的。而后又上网了解了一些关于设计所需注意的一些事项。并用公式将所需数据计算出来。

参考文献

[1]《电力电子基础》 陈治明 机械工业出版社 1992
[2]《电力电子技术》王兆安、黄俊 机械工业出版社 2010年 第四版
[3]《电力电子器件及其应用》 李序葆、赵永健 机械工业出版社 1996年
[4]《电子技术课程设计指导》高等教育出版社　彭介华　2002
[5]《电子电路精选》 郑琼林 电子工业出版社 1996年 第一版

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