單相橋式整流電路課程設(shè)計報告

1、電力電子課程設(shè)計報告目錄一、 設(shè)計任務(wù)說明3二、 設(shè)計方案的比較4三、 單元電路的設(shè)計和主要元器件說明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)動電路設(shè)計14七、 保護(hù)電路16八、 元器件清單21九、 設(shè)計總結(jié)22十、 參考文獻(xiàn)231、 設(shè)計任務(wù)說明1. 設(shè)計任務(wù)：1) 進(jìn)行設(shè)計方案的比較，并選定設(shè)計方案；2) 完成單元電路的設(shè)計和主要元器件說明；3) 完成主電路的原理分析，各主要元件的選擇；4) 驅(qū)動電路的設(shè)計，保護(hù)電路的設(shè)計；5) 利用仿真軟件分析電路的工作過程；2. 設(shè)計要求：1) 單相橋式相控整流的設(shè)計要求為：負(fù)載為感性負(fù)載，L=700mH，R=5002) 技術(shù)要

2、求：A. 電網(wǎng)供電電壓為單相220V；B. 電網(wǎng)電壓波動為5%10%；C. 輸出電壓為0100V;2、 設(shè)計方案的比較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：對于這個電路，每一個導(dǎo)電回路中有兩個晶閘管，即用兩個晶閘管同時導(dǎo)通以控制導(dǎo)電的回路，不需要續(xù)流二極管，不會出現(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，不會出現(xiàn)變壓器直流磁化的問題，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：相較于單相橋式全控整流電路，對每個導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，只需一個晶閘管，而另一

3、個用二極管代替，這樣使電路連接簡便，且降低了成本，降低了損耗。但是若無續(xù)流二極管，當(dāng)突然增大到180°或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使成為正弦半波，級半周期為正弦波，另外半周期為零，其平均值保持恒定，相當(dāng)于單相半波不可控整流電路時的波形，即失控現(xiàn)象。因此該電路在實際應(yīng)用中需要加設(shè)續(xù)流二極管。綜上所述：單相橋式半控整流電路具有線路簡單、調(diào)整方便的優(yōu)點。但輸出電壓脈動沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時），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小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個等

4、大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點。因此選擇方案一的單相橋式全控整流電路。3、 單元電路的設(shè)計和主要元器件說明1. 單相橋式全控整流電路，如圖所示： 由一臺變壓器、四個晶閘管經(jīng)過橋接而成，負(fù)載為阻感負(fù)載。晶閘管和組成一對橋臂，和組成另一對橋臂。2. 主要元器件晶閘管晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；1957年美國通用電器公司開發(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)，它有三個極：陽極，陰極和門極； 晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、

5、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。1） 晶閘管的分類：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（TRIAC）、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）、門極關(guān)斷晶閘管（GTO）、BTG晶閘管、溫控晶閘管（TT國外，TTS國內(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

6、閘管三種。通常，大功率晶閘管多采用金屬殼封裝，而中、小功率晶閘管則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為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，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程中，它的陽極（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： 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。 晶閘管承受

7、正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。這時晶閘管處于正向?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極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。門極只起觸發(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，晶閘管關(guān)斷。全控型晶閘管的工作條件：晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓（或電流）的情況下晶閘管才導(dǎo)通。這時晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管導(dǎo)通后，門極加反向電流或失去電壓，晶閘管關(guān)斷；或者門極正常，但主電

8、路電壓（或電流）減少到接近于零時，晶閘管也關(guān)斷。4、 主電路的原理分析主電路為單相橋式全控整流電路。對于阻感負(fù)載，假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，的平均值不變。的波形如圖所示，在的正半周期，觸發(fā)角處給晶閘管和加觸發(fā)脈沖使其開通，。負(fù)載中有電感存在使負(fù)載電流不能突變，電感對負(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，其波形如圖。過零變負(fù)時，由于電感的作用，晶閘管和中仍流過電流，并不關(guān)斷。至?xí)r刻，給和加觸發(fā)脈沖，因和本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。和導(dǎo)通后，通過和分別向和施加反壓使和關(guān)斷，流過和的電流迅速轉(zhuǎn)移到和上，此過程稱為換相，亦稱換流。至下一周期重復(fù)上述過程，如此循環(huán)下去，的

9、波形如圖所示，其平均值為當(dāng)時，；時，。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，晶閘管和的電壓波形如圖所示，晶閘管承受的最大反向電壓均為。晶閘管導(dǎo)通角與無關(guān)，均為180°，其電流波形如圖所示。平均值有效值分別為和。變壓器二次電流的波形為正負(fù)各180°的矩形波，如圖所示，其相位由角決定，有效值。整流電路參數(shù)計算：1）整流輸出電壓的平均值：當(dāng)時，取得最大值100V即得當(dāng)時，。角的移相范圍為90°。2） 整流輸出電壓的有效值為：3） 整流電流的平均值為：4） 整流電流的有效值為：5） 在一個周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通180°

10、，兩組輪流導(dǎo)通，變壓器二次電流是正、負(fù)對稱的方波，電流的平均值和有效值相等，其波形系數(shù)為1。流過每個晶閘管的電流平均值和有效值分別為：平均值：有效值：6） 每個晶閘管承受的最大正、反向電壓等于。5、 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)峰值電壓）和（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，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍。即且。因此，；考慮到留23倍的裕量，所以取2）電流定額通態(tài)平均電流國際規(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)溫不超過額定結(jié)溫時

11、所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。通常按照實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）所造成的發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則來選取晶閘管的此項電流定額，并應(yīng)留一定的裕量。一般取其通態(tài)平均電流為按此原則所得計算結(jié)果的1.52倍。因，則晶閘管的額定電流為：因此，取2. 變壓器的選擇變壓器的變比為在不考慮損耗的情況下，選擇整流變壓器的容量為：6、 驅(qū)動電路設(shè)計晶閘管的電流容量越大，要求的觸發(fā)功率越大，對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

12、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。它由三個基本環(huán)節(jié)構(gòu)成：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相同步環(huán)節(jié)。電路圖如下：各點的電壓波形為：鋸齒波是由開關(guān)V2管來控制的：1） V2開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率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)生鋸齒波鋸齒波起點基本就是同步電壓由正變負(fù)的過零點；3） V2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度取決于充電時間常數(shù)R1C1；7、 保護(hù)電路晶閘管的保護(hù)電路，大致可以分為兩種情

13、況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b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。再一種則是采用電子保護(hù)電路，檢測設(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允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。1. 晶閘管的過流保護(hù)晶閘管設(shè)備產(chǎn)生過電流的原因可以分為兩類:一類是由于整流電路內(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較為嚴(yán)重, 一般是由于晶閘管因過電壓而擊穿,造成無正、反向阻斷能力，它相當(dāng)于整流橋臂發(fā)生永久性短路，使在另外兩橋臂晶閘管導(dǎo)通時，無法正常換流，因而產(chǎn)生線間

14、短路引起過電流.另一類則是整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，這類情況時有發(fā)生，因為整流橋的負(fù)載實質(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接地，當(dāng)逆變負(fù)載回路接觸大地時，也會發(fā)生整流橋相對地短路。對于第一類過流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過流，以及逆變器負(fù)載回路接地時，可以采用第一種保護(hù)措施，最常見的就是接入快速熔短器的方式。見圖1?？焖偃鄱唐鞯慕尤敕绞焦灿腥N，其特點和快速熔短器的額定電流見表1。方式特點額定電流備注A型熔斷器與每一個元件串聯(lián)，能可靠地保護(hù)每一個元件:晶閘管通態(tài)平均電流B型能在交流、直流和元件短路時起保護(hù)作用，可靠性稍有降低：交流側(cè)線電

15、流與之比：整流輸出電流C型直流負(fù)載側(cè)有故障時動作，元件內(nèi)部短路時不能起保護(hù)作用：整流輸出電流表一：快速熔斷器的接入方式、特點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型更為可靠。如下圖所示：對于第二類過流，即整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，則應(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：圖二可控硅觸發(fā)脈沖是由一個電平信號Uk來控制，當(dāng)Uk為“1”電平時，可控硅觸發(fā)脈沖關(guān)斷，則整流裝置輸出為0。當(dāng)Uk為“0”電平時，可控硅觸發(fā)脈沖正常輸出，則整流裝置輸出電壓為Ud。圖6中，R1，R2，N組成比較器，通過RP1來設(shè)置過流保護(hù)值；V1為鉗位二極管，Uk為可控硅觸發(fā)脈沖輸

16、出的控制信號。當(dāng)整流裝置輸出電流超出額定值的20%時，電流反饋UIF>URP1，則比較器輸出為“0”電平，使三極管V2截止，此時Uk為“1”電平，使整流裝置輸出電壓為0。鉗位二極管V1保證系統(tǒng)在出現(xiàn)過流時，比較器輸出電位為“0”電平，使整流裝置可靠關(guān)斷。2. 過壓保護(hù)電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，過電壓保護(hù)有避雷保護(hù)、利用非線性過電壓保護(hù)、元器件保護(hù)、利用儲能元器件保護(hù)、利用引入電壓檢測的電子保護(hù)電路作過電壓保護(hù)。這次我們采用儲能元件保護(hù)即阻容保護(hù)。3.

17、電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù)電流上升率的抑制晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以0.1mm/s的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個陰極面，若晶閘管開通時電流上升率過大，會導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。電壓上升率的抑制加在晶閘管上的正向電壓上升率也應(yīng)有所限制,如果過大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時引起晶閘管誤導(dǎo)通。為抑制的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。8、 元器件清單元器件備注數(shù)量整流變壓

18、器變比為2，容量至少為22.2VA1個晶閘管額定電壓為400V，額定電流為1A4個電阻包括負(fù)載中500電阻以及觸發(fā)電路保護(hù)電路中的電阻若干電感包括負(fù)載中的700mH電感以及觸發(fā)電路保護(hù)電路中的電感若干電位器觸發(fā)電路和過流保護(hù)電路中的電位器2個二極管用于觸發(fā)電路中11個電容用于保護(hù)電路和觸發(fā)電路若干熔斷器額定電流為1A4個三極管用于過流保護(hù)和觸發(fā)電路9個9、 設(shè)計總結(jié)從這次課程設(shè)計中，我收獲了很多。首先是對理論知識的理解，經(jīng)過課堂上的學(xué)習(xí)以及考試，我們對單相整流電路的原理認(rèn)識的比較深刻，但對于整流電路具體是怎么工作的卻很少關(guān)注。這次課程設(shè)計中包含了驅(qū)動電路、保護(hù)電路的設(shè)計以及對元器件的選擇，這讓我對單相整流電路乃至電力電子課程有了新的認(rèn)識，擴(kuò)充了知識面。其次，通過這次課程設(shè)計，我了解到方案的選擇也是非常重要的。往往需要實現(xiàn)一種功能可以有許多種方案，例如實現(xiàn)單相整流可以有好幾種方案，我們需要了解各個電路的特點以及設(shè)計要求，從而篩選出最適合的方案。再比如設(shè)計觸發(fā)電路，有很多種的觸發(fā)電路均能滿足我們的要求，但有