单相全控桥式晶闸管整流电路的设计(阻感性负载)

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1、122.2.2.2.2.2.2.2.344.4.4.摘要 前言 1 系统方案及主电路设计 21 方案选择 22 系统流程框图43 主电路的设计43.1 整流电路及波形图3.2 工作原理 53.3 整流电路的参数计算4 晶闸管元件的选择 75 性能指标分析 9触发电路的设计9保护电路的设计101 保护电路的论证与选择2 过流保护113 过压保护13心得体会16参考文献 17致谢 18单相全控桥式晶闸管整流电路的设计摘要：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

2、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。关键词：整流电路 变压 全控 晶闸管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

3、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

4、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。2 系统方案及主电路设计2.1 方案选择我们知道，单相整流电路形式是各种各样的，可分为单相桥式相控整流电路 和单相桥式半控整流电路，整流的结构也是比较多的。因此在做设计之前我们主要 考虑了以下几种方案：方案一：单相桥式半控整流电路电路简图如下：图 1 单相桥式半控整流电路对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当a突然增大至180或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次

5、绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使成为正弦半波，即半周期为正弦，另外半周期为为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。 所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。方案二：单相桥式全控整流电路电路简图如下：图 2单相桥式全控整流电路此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负 载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半 周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁 化问题，变压器的利用率也高。方案三：单相半波可控整流电路：电路简图如下：图

6、3 单相半波可控整流电路此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a移相范围为1800。但 输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为使变 压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。实际上很少应用此种电 路。方案四：单相全波可控整流电路：电路简图如下：图 4 单相全波可控整流电路此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，相应地，门极 驱动电路也少2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。不存在直流 磁化的问题，适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时），且整

7、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。相同的负载 下流过晶闸管的平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，在均 电流减小一半；且功率因数提高了一半。 综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电路。2.2 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。图 5 系统流

8、程框图2.3 主电路的设计2.3.1 整流电路及波形图图 6 单相桥式全控整流电路图（阻感负载）图 7 单相全控桥式整流电路阻感负载时的波形2.3.2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。在电源电压因负半周期间，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

9、、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2.3.3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凶公式1)当a=0时，21取得最大值,即= 0.9。从=100可以而得出=90V,a=90o 时,=0a角的移相范围为90o。2)整流输出电压的有效值为=100V3)整流电流的平均值和有效值分别为公式 3)公式 4)公式 2)4)在一个周期内每

10、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21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 5)公式 6)5）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3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;VT 1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2.4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

11、 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： 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23倍，以保证电路 的工作安全。晶闸管的额定电压UTn 三（23）UTM公式7)UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 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

12、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 W 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8)公式9)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 10)额定状态下， 晶闸管的电流波形系数公式 11)凶公式 12)

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：、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II、效值。选择时考虑(1.52)倍的安全余量。即ITn =0.707IT(AV) =(1.5公式13)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。 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

14、极与阴极电压的平均值，一般在0.41.2V。 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。 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。 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。 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

15、域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的用整流输 出电压的平均值表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的，称为纹波系数。1）整流输出电压平均值凶（公式 14）2）纹波系数纹波系数用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即公式 15）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：触发信号可为直流、交流或脉冲电压。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

16、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。触发脉冲

17、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。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

18、度。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3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。4 保护电路的设计4.1 保护电路的论证与选择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

19、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。4.2 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（见图 8）。熔断器是最简单的过电流保护元

20、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图如下图 8 所示：图 8 快速熔短器的接入方法A 型熔断器 特点：是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。B 型熔断器 特点：能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低C 型熔断器 特点：直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用 对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引

21、起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如图 9 所示：图 9 过流保护原理图 在此我们采用容阻吸收回路，即采用快速熔断器的方法来进行过电流保护。 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。在选择快熔时应考虑：(1) 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。(2) 电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一 般与电力半导体器件串联连接，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) 快熔的上J值应小于被保护器件的允许上J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。因为晶闸管的额定电流为1

22、0A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所 以快速熔断器的熔断电流为 15A。图 10 过流保护4.3 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。见图 11 和图 12。图 11 阻容三角抑制过电压图 12 压敏电阻过过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的电子保护原图如图 13 所示：图 13 过电压保护电路在此我们采用储能元件保护即阻容保护。单相阻容保护的计算公式如下：公式

23、16）公式 17）S:变压器每相平均计算容量（VA）U:变压器副边相电压有效值（V）%:变压器激磁电流百分值%：变压器的短路电压百分值。当变压器的容量 在（101000）KVA 里面取值时 i%= （410）在里面取值，U%=（510）里面取值。电容C的单位为口 F,电阻的单位为欧姆电容C的交流耐压21.5UU：正常工作时阻容两端交流电压有效值。根据公式算得电容值为4.8 口 F,交流耐压为165V，电阻值为12.86Q,在设计中我们取电容为5uF,电阻值为13Q。图14晶闸管的过压保护心得体会随着科学技术的发展，现代社会对专业人才的要求越来越高，尤其作为电子 工程专业的人员，不仅要有坚实的理

24、论知识，更应该具备丰富的实践经验和较强的 动手能力。在做电力电子课程设计的过程中我们更能认真和全面的对所学知识有一个全 面和系统更深刻的了解和掌握。在这个过程中我们认真的查阅了大量的资料和工具 书增长了我的知识，开阔了我们的视野。通过单相全控桥式晶闸管整流电路的设计，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厚的兴趣。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。在这次课程设计过程中，碰到的难题就是对相关参数的计算，因为在学习中 没

25、能很好的系统的总结相关知识。在整个课程设计中贯穿的计算过程没能很好的把 握。在今后的学习中要认真总结经验，对电力电子课程进行补充。为以后深入的学 习专业知识做铺垫。通过这次课程设计我对于文档的编排格式、原理图波有了一定的了解，这对 于以后的毕业设计及工作需要都有颇大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习 一遍电力电子技术这门课程，把以前一些没弄懂的问题基本掌握了。参考文献1 何希才，新型开关电源设计与应用北京：科学出版社，2001:168.2 黄家善，王廷才，电力电子技术M.北京：机械工业出版，2000:193.3王兆安，黄俊电力电子技术M（第4版）北京：机械工业出版社，2000.4王兆安，黄

26、俊电力电子技术M（第5版）.北京：机械工业出版社，2009.5浣喜明，姚为正电力电子技术M.北京：高等教育出版社，2004.128- 1456周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真M.北京：中国电力出版社，2006.7陆秀令电力电子技术实验指导书M.衡阳：湖南工学院电气与信息工程 系，2010.8王兆安，刘进军，电力电子技术M.第五版北京：机械工业出版， 2009:119-123.9樊立平，电力电子技术M.北京：中国林业出版，北京大学出版 社，2006:116-119.10曲学基，于明扬，电力电子整流计算及应用M.北京：电子工业出版 社，2008:192-196.11John G，Kassak

27、ian. Principles of Power Electronics. Addis on Wesley publishing company，1991致谢电力电子技术是一门基础性和技术性很强的课程，通过本次课程设计 ，我对 电力电子技术这门课有了很深的了解，对各个知识点有个更好的掌握。本次设计，我所设计的是单相全控桥式晶闸管全控整流电路，开始设计时我 遇到了很多的问题，使我有种很深的无助感。好在后来经过仔细查阅资料，各类图 书，以及老师和同学的帮助，我顺利完成了课设中的任务。在此我要感谢我们的指导老师王淑玉给予我们热情的指导和细心的解答，感 谢王老师在百忙之中给我的帮助。在这次课程设计中老师一路陪伴我们，一直到了 论文的定型结稿，让我从中学习到许多。当我们忙于课程设计的时候，她告诉我们 做课程设计的经验， 让我们能够做到心中有数，这样为我们以后一段时间的设计 起到了很好的引导作用，使我们清楚自己的设计方向而不至于那么盲目。感谢老师 的引导，在此过程中我们收益良多，令我们的课程设计得以顺利完成。同时也培养 了我自己独立工作的能力，给自己的未来树立了信心，我相信它会对我今后的工 作、学习、生活产生重要影响，我相信这次的课程设计会让我终身收益！