單相橋式可控整流電路設(shè)計

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電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書

單相橋式可控整流電路設(shè)計

院、部：電氣與信息工程學(xué)院

學(xué)生姓名：何鵬輝指導(dǎo)教師：肖文英職稱教授專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：電氣本1304班完成時間：2023年6月4日學(xué)號：1330140437

湖南工學(xué)院電力電子課程設(shè)計課題任務(wù)書

學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師課題名稱一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個單相橋式可控整流電路，單相交流輸入交流電壓220V，負載自擬，整流輸出電壓要求在0～100V連續(xù)可調(diào)，其它性能指標(biāo)自定。內(nèi)二、設(shè)計內(nèi)容容1、關(guān)于本課程學(xué)習(xí)狀況簡述；及2、主電路的設(shè)計、原理分析和器件的選擇；任務(wù)3、控制電路的設(shè)計；4、保護電路的設(shè)計；5、利用MATLAB軟件對自己的設(shè)計進行仿真。主要參考資料[1]王兆安,王俊編.電力電子技術(shù)(第5版).北京:機械工業(yè)出版社,2023[2]黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關(guān)斷器件及電路.北京:機械工業(yè)出版社,1991[3]李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應(yīng)用.北京:機械工業(yè)出版社,1996教研室主任：（簽字）年月日肖文英學(xué)生姓名何鵬輝單相橋式可控整流電路的設(shè)計教研室看法

摘要

單相橋式可控整流電路是一種能將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，其轉(zhuǎn)換效率高，原理及結(jié)構(gòu)簡單，因此它在單相整流電路中有著很廣泛的應(yīng)用。

設(shè)計一個單相橋式可控整流電路，我首先先確定設(shè)計總體方案，比較了單相橋式半控整流電路和單相橋式全控整流電路的優(yōu)劣之后，最終選擇了單相橋式全控整流電路。單相橋式全控整流電路由一個變壓器，4個可控晶閘管，和一個阻感負載組成。然后根據(jù)總體方案分別設(shè)計了各個單元電路，如觸發(fā)電路、保護電路等；還根據(jù)要求計算了參數(shù)，包括觸發(fā)角的選擇，輸出平均電壓，輸出平均電流，輸出有功功率計算，輸出波形分析，器件額定參數(shù)確定等；完成這些后，將各個單元電路銜接起來就完成了主電路的設(shè)計；然后再用MATLAB軟件仿真調(diào)試。

設(shè)計完成后，用MATLAB軟件進行仿真調(diào)試，調(diào)試結(jié)果滿足設(shè)計要求。

圖3.1單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形

3.1.2單結(jié)晶體管自激震蕩電路

利用單結(jié)晶體管的負阻特性與RC電路的充放電可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可變的脈沖。從圖3-1（a）可知，經(jīng)D1-D2整流后的直流電源UZ一路通過R2、R1加在單結(jié)晶體管兩個基極b1、b2之間，另一路通過Re對電容C充電，發(fā)射極電壓Ue=Uc按指數(shù)規(guī)律上升。Uc剛沖點到大于峰點轉(zhuǎn)折電壓Up的瞬間，管子e-b1間的電阻突然變小，開始導(dǎo)通。電容C開始通過管子e-b1迅速向R1放電，由于放電回路電阻很小，故放電時間很短。隨著電容C放電，電壓Ue小于一定值時，管子BT又由導(dǎo)通轉(zhuǎn)入截止，然后電源又重新對電容C充電，上述過程不斷重復(fù)在電容上形成鋸齒波震蕩電壓，在R1上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖脈沖Us，如圖3.1（b）所示，其震蕩頻率為

f=1/T=1/ReCLn(1/1-η)……3.1

式中η=0.3～0.9是單結(jié)晶體管的分壓比。即調(diào)理Re，可調(diào)理振蕩頻率

3.1.3同步電源

同步電壓由變壓器TB獲得，而同步變壓器與主電路接至同一電源，故同步電壓于主電壓同相位、同頻率。同步電壓經(jīng)橋式整流、穩(wěn)壓管DZ削波為梯形波

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UDZ,而削波后的最大值UZ既是同步信號,又是觸發(fā)電路電源.當(dāng)UDZ過零時,電容C經(jīng)e-b1、R1迅速放電到零電壓。這就是說,每半周開始,電容C都從零開始充電,進而保證每周期觸發(fā)電路送出第一個脈沖距離過零的時刻(即控制角α)一致,實現(xiàn)同步。

3.1.4移相控制

當(dāng)Re增大時，單結(jié)晶體管發(fā)射極充電到峰點電壓Up的時間增大，第一個脈沖出現(xiàn)的時刻推遲，即控制角α增大，實現(xiàn)了移相。

3.1.5脈沖輸出

觸發(fā)脈沖Ug由R1直接取出，這種方法簡單、經(jīng)濟，但觸發(fā)電路與主電路有直接的電聯(lián)系，擔(dān)憂全。對于晶閘管串聯(lián)接法的全控橋電路無法工作。所以一般采用脈沖變壓器輸出。

3.2保護電路的設(shè)計

電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時可能會發(fā)生過流、過壓，造成開關(guān)器件的永久性損壞。過流、過壓保護包括器件保護和系統(tǒng)保護兩個方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護主電路中的開關(guān)器件，防止過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出及負載的電流、電壓，實時保護系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。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)使整流橋短時間內(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。

3.2.1過電流保護

當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負載過載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變失?。灰约敖涣麟娫措妷哼^高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必需對電力電子裝置進行適當(dāng)?shù)倪^電流保護。

采用快速熔斷器作過電流保護，熔斷器是最簡單的過電流保護元件，但最普通的熔斷器由于熔斷特性不適合，很可能在晶閘管燒壞后熔斷器還沒有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過電流可及時熔斷起到保護作用。最

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好的方法是晶閘管元件上直接串快速熔斷器，因流過快速熔斷器電流和晶閘管的電流一致，所以對元件的保護作用最好，這里就應(yīng)用這一方法快熔抑制過電流電路圖如下圖所示：

圖3.2快速熔斷器的接入方法

A型熔斷器

特點：是熔斷器與每一個元件串連，能可靠的保護每一個元件。B型熔斷器

特點：能在交流、直流和元件短路時起保護作用，其可靠性稍有降低C型熔斷器

特點：直流負載側(cè)有故障時動作，元件內(nèi)部短路時不能起保護作用對于其次類過流，即整流橋負載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，則應(yīng)當(dāng)采用電子電路進行保護。常見的過電流保護原理圖如下所示

圖3.3過流保護原理圖

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3.2.3過壓保護

設(shè)備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設(shè)備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。

過電壓保護的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。見下圖3-4和下圖3-5

圖3.4阻容三角抑制過電壓圖3.5壓敏電阻過壓

過電壓保護的其次種方法是采用電子電路進行保護。常見的過電壓保護原理圖如下圖所示：

圖3.6過電壓保護電路圖

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4．元器件和電路參數(shù)計算

4.1元件選取晶閘管（SCR）

4.1.1晶閘管的基本特性

1．靜態(tài)特性

靜態(tài)特性又稱伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關(guān)系。這里介紹陽極伏安特性和門極伏安特性。

（1）陽極伏安特性

晶閘管的陽極伏安特性表示晶閘管陽極與陰極之間的電壓Uak與陽極電流ia

之間的關(guān)系曲線，如下圖。

圖4.1晶閘管陽極伏安特性

①正向阻斷高阻區(qū)；②負阻區(qū)；③正向?qū)ǖ妥鑵^(qū)；④反向阻斷高阻區(qū)陽極伏安特性可以劃分為兩個區(qū)域：第Ⅰ象限為正向特性區(qū)，第Ⅲ象限為反向特性區(qū)。第Ⅰ象限的正向特性又可分為正向阻斷狀態(tài)及正向?qū)顟B(tài)。（2）門極伏安特性

晶閘管的門極與陰極間存在著一個PN結(jié)，門極伏安特性就是指這個PN結(jié)上正向門極電壓Ug與門極電流Ig間的關(guān)系。由于這個結(jié)的伏安特性很分散，無法找到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門極特性和一條極限低阻門極特性之間的一片區(qū)域來代表所有元件的門極伏安特性，陰影區(qū)域如圖4.2所示。

圖4.2晶閘管門極伏安特性

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2．動態(tài)特性

晶閘管常應(yīng)用于低頻的相控電力電子電路時，有時也在高頻電力電子電路中得到應(yīng)用，如逆變器等。在高頻電路應(yīng)用時，需要嚴(yán)格地考慮晶閘管的開關(guān)特性，即開通特性和關(guān)斷特性。

（1）開通特性

晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程為開通過程。圖4.3給出了晶閘管的開關(guān)特性。在晶閘管處在正向阻斷的條件下突加門極觸發(fā)電流，由于晶閘管內(nèi)部正反饋過程及外電路電感的影響，陽極電流的增長需要一定的時間。從突加門極電流時刻到陽極電流上升到穩(wěn)定值IT的10%所需的時間稱為延遲時間td，而陽極電流從10%IT上升到90%IT所需的時間稱為上升時間tr，延遲時間與上升時間之和為晶閘管的開通時間tgt=td+tr，普通晶閘管的延遲時間為0.5～1.5μs，上升時間0.5～3μs。延遲時間隨門極電流的增大而減少，延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。

圖4.3晶閘管的開關(guān)特性

（2）關(guān)斷特性

尋常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。

要關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管，尋常給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的關(guān)斷，就是要使各層區(qū)內(nèi)載流子消失，使元件對正向陽極電壓恢復(fù)阻斷能力。突加反向陽極電壓后，由于外電路電感的存在，晶閘管陽極電流的下降會有一個過程，當(dāng)陽極電流過零，也會出現(xiàn)反向恢復(fù)電流，反向電流達最大值IRM后，再朝反方向快速衰減接近于零，此時晶閘管恢復(fù)對反向電壓的阻斷能力。

4.1.2晶閘管的主要參數(shù)

要正確使用一個晶閘管，除了了解晶閘管的靜態(tài)、動態(tài)特性外，還必需定量地把握晶閘管的一些主要參數(shù)?，F(xiàn)對經(jīng)常使用的幾個晶閘管的參數(shù)作一介紹。

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1．電壓參數(shù)

（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

門極開路，元件額定結(jié)溫時，從晶閘管陽極伏安特性正向阻斷高阻區(qū)漏電流急劇增長的拐彎處所決定的電壓稱斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM，“不重復(fù)〞說明這個電壓不可長期重復(fù)施加。取斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓的90％定義為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM，“重復(fù)〞表示這個電壓可以每秒50次，每次持續(xù)時間不大于10ms的重復(fù)方式施加于元件上。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM

門極開路，元件額定結(jié)溫時，從晶閘管陽極伏安特性反向阻斷高阻區(qū)反向漏電流急劇增長的拐彎處所決定的的電壓稱為反向不重復(fù)峰值電壓URSM，這個電壓是不能長期重復(fù)施加的。取反向不重復(fù)峰值電壓的90％定義為反向重復(fù)峰值電壓URRM，這個電壓允許重復(fù)施加。（3）晶閘管的額定電壓UR

取UDRM和URRM中較小的一個，并整化至等于或小于該值的規(guī)定電壓等級上。電壓等級不是任意決定的，額定電壓在1000Ｖ以下是每100Ｖ一個電壓等級，1000Ｖ至3000Ｖ則是每200Ｖ一個電壓等級。

由于晶閘管工作中可能會遭遇到一些意想不到的瞬時過電壓，為了確保管子安全運行，在選用晶閘管時應(yīng)使其額定電壓為正常工作電壓峰值UM的2~3倍，以作安全余量。

UR=（2～3）UM………………4.1（4）通態(tài)平均電壓UT（AV）

指在晶閘管通過單相工頻正弦半波電流，額定結(jié)溫、額定平均電流下，晶閘管陽極與陰極間電壓的平均值，也稱之為管壓降。在晶閘管型號中，常按通態(tài)平均電壓的數(shù)值進行分組，以大寫英文字母A～I表示。通態(tài)平均電壓影響元件的損耗與發(fā)熱，應(yīng)選中用管壓降小的元件來使用。2．電流參數(shù)

（1）通態(tài)平均電流IT（AV）

在環(huán)境溫度為＋40℃、規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管元件在電阻性負載的單相、工頻、正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°的電路中，當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125℃時所允許的通態(tài)時的最大平均電流稱為額定通態(tài)平均電流IT（AV）。選用晶閘管時應(yīng)根據(jù)有效電流相等的原則來確定晶閘管的額定電流。由于晶閘管的過載能力小，為保證安全可靠工作，所選用晶閘管的額定電流IT（AV）應(yīng)使其對應(yīng)有效值電流為實際流過電流有效值的1.5～2倍。按晶閘管額定電流的定義，一個額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流有效值為157A。晶閘管額定電流的選擇可按

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下式計算。

?11I?sin?td(?t)??Im……………4.2TI?m02??（2維持電流IH

維持電流是指晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。維持電流與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關(guān)斷。

（3）掣住電流IL

晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)并撤除門極觸發(fā)信號，此時要維持元件導(dǎo)通所需的最小陽極電流稱為掣住電流。一般掣住電流比維持電流大（2～4）倍。3．晶閘管的型號

普通型晶閘管型號可表示如下

KP[電流等級]—[電壓等級/100][通態(tài)平均電壓組別]

其中其中K代表閘流特性，P為普通型。如KP500—15型號的晶閘管表示其通態(tài)平均電流（額定電流）IT（AV）為500A，正反向重復(fù)峰值電壓（額定電壓）UR為1500V，通態(tài)平均電壓組別以英文字母標(biāo)出，小容量的元件可不標(biāo)。

4.2晶閘管的選型

該電路為大電感負載，電流波形可看作連續(xù)且平直的。

Ud=100V時，不計控制角余量按?=0o計算由Ud=0.9U2得UdU2==111V取150V

0.9Ute=（2～3）Ut

=（2～3）6U2=（2～3）6?150V=735～1102V取Ute為1000V當(dāng)Id=1?時，

晶閘管額定電流?t(AV)=

Id1==0.64A1.571?57考慮2倍裕量：?d(AV)取1.28A

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4.3整流變壓器額定參數(shù)計算

在好多狀況下晶閘管整流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)往往不能一致，同時又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，使整流主電路與電網(wǎng)隔離，為此需要配置整流變壓器。整流變壓器根據(jù)主電路的型式、負載額定電壓和額定電流，算出整流變壓器二次相電壓U2、一次與二次額定電流以及容量。

由于整流變壓器二次與一次電流都不是正弦波，因而存在著一定的諧波電流，引起漏抗增大，外特性變軟以及損耗增大，所以在設(shè)計或選用整流變壓器時，應(yīng)考慮這些因素。

4.3.1一次與二次額定電流及容量計算

假使不計變壓器的勵磁電流，根據(jù)變壓器磁動勢平衡原理可得一次和二次電流關(guān)系式為：I1N1=I2N2

?1U1K==

?2U2式中N1、N2——變壓器一次和二次繞組的匝數(shù)；K——變壓器的匝數(shù)比。

由于整流變壓器流過的電流尋常都是非正弦波，所以其電流、容量計算與線路型式有關(guān)。單相橋式可控整流電路計算如下：

大電感負載時變壓器二次電流的有效值為

I2=Id=I=1A

U2=220V

U1?1220由一次側(cè)和二次側(cè)電壓得：===2

U2?2110?1?2==0.5故I1=0.5A?2?1變壓器二次側(cè)容量為S2=U2?2=110V?1A=110KV?A

4.4設(shè)計結(jié)果分析

該電路為大電感負載，電流波形可看作連續(xù)且平直的。（1）輸出電壓平均值Ud和輸出電流平均值Id

1???22U2?cos???0.9U2?cos??Ud??2U2sin?td??t??π?π?0.9?110??cos60??49.5V15

Id?Ud?49.5?100?0.495AR（2）晶閘管的電流平均值IdvT和有效值IvT

1IvT?Id?0.35A2

1I?Id?0.2475AdvT2（3）輸出電流有效值I和變壓器二次電流有效值I2

I?I2?Id?0.495A（4）晶閘管所承受的最大正向電壓,反向電壓和晶閘管的額定電壓

UD?2U