110V200A单相半控桥式整流电路的设计.doc

1、本科生课程设计（论文）摘 要单相桥式半控整流电路是电力电子电路中出现较早的一种整流电路，它的作用是将交流电变成直流电供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀，电解电源，同步发电机励磁，通信系统等。本次的课程设计是要完成单相桥式半控整流电路的设计，以及他的工作原理，电路的元件的选择和定量计算。单相桥式半控整流电路的负载性质对整流的影响，以及主电路的设计，触发电路的设计，还有保护电路的设计。设计目的是为1台额定电压110V、功率为5kW的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的无级调速，因为是设计桥式半控整流电路，因此在电路中会用到晶闸管和二极管。此外，根据设计要求还要

2、用MATLAB对所设计的单相桥式半控整流电路进行建模并仿真，得到电压和电流的波形。在单相桥式半控整流电路中，每一个导通回路中有一个晶闸管和一个二极管，所以是半控的，该电路在实际应用中需要加续流二极管，以避免发生的失控现象。关键词：整流电路；桥式电路；晶闸管；半控目 录第1章 绪论11.1 单相半控桥式整流电路技术概况11.2 本文设计内容2第2章 单相半控桥式整流电路电路设计32.1 单相半控桥式整流电路总体设计方案32.2 具体电路设计52.2.1 主电路设计52.2.2 触发电路设计62.2.3 保护电路设计82.3 元器件型号选择102.4 MATLAB仿真实验13第3章 课程设计总结1

3、参考文献22第1章 绪论1.1 单相桥式半控整流电路技术概况电力电子学，又称功率电子学（Power Electronics）。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或设置，以完成对电能的变换和控制。电力电子学是横跨“电子”“电力”“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。随着科学技术的日益发展，人们对电路的要求也越来越高，由于在生产实际中需要大小可调的直流电源，而相控整流电路结构简单、控制方便，性能稳定，利用它可以方便地得到大、中、小各种容量的直流电能，是目前获得直流电能的主要方法，得到了广泛的应用。 但是晶闸管相控整流电路中随着触发角的增大，电流中谐波分量相应

4、增大，因此功率因数很低。把逆变电路中得PWM控制技术用于整流电路，就构成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且输入电压同相位，功率因数近似为1。这种整流电路称为高功率因数整流器，它具有广泛的应用前景。由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多的相似之处。 单相桥式整流电路是一种相对重要的整流电路，把交流电能转换成直流电能的一种桥式整流电路。它可以应用到很多的地方，在许多的元器件中都有用到，范围广泛。1.2

5、 本文研究内容课程设计内容是设计一个单相半控桥式整流电路为1台额定电压110V、功率为5kW的直流电动机提供直流电源。其中交流电源为单相220V、整流输出电压在0110V连续可调、整流输出电流最大值50A，同时根据实际工作情况，最小控制角取20300左右。因此本文需要研究的是设计一个主电路、控制电路、保护电路组成的总电路，以及要进行MATLAB仿真实验。其中主电路是要设计一个单相半控桥式整流电路，控制电路是要同步信号为锯齿波的触发电路，而保护电路需要过电压保护和过电流保护两种。 第2章 单相半控桥式整流电路设计2.1 单相半控桥式整流电路总体设计方案单相半控桥式整流电路总体设计框图如图2.1所

6、示200V交流输入输出直流电源桥式整流电路脉冲宽度调节 图2.1总电路整体框图220V交流输入部分是主要是由市电输入，为电路提供电源，桥式整流部分是将220V电源经过桥式整流将之前输入的交流电整流变换成直流电输出。脉冲宽度调节即调节触发脉冲的宽度改变直流输出电压的大小，最后由输出直流电源部分为电动机提供电源。总电路由主电路、触发电路、保护电路三部分组成。其电路图如图2.2所示。 图2.2 总电路图 2.2 具体电路设计2.2.1 主电路设计在单相式全控桥式整流电路中，每一个导电回路中有两个晶闸管，即用两个晶闸管同时导通以控制导电的回路。实际上为了对每个导电回路进行控制，只需一个晶闸管就行，另一

7、个晶闸管可用二极管代替，从而简化整个电路。如图2.3所示： 图2.3 单相桥式半控整流电路图2.4 单相桥式半控整流电路波形图与全控桥时相似，假设负载中得电感很大，且电路已工作在稳态。在正半周，触发角处给晶闸管加触发脉冲， 经和向负载供电。过零变负时，因电感作用是电流连续，继续导通，但因a点电位低于b点电位，是得电流从转移至，关断，电流不再流经变压器的二次绕组，而是由和续流。此阶段，忽略器件的通态压降，则=0，不像全控桥时出现为负的情况。在的负半周触发角时刻触发，导通，则向加反压使之关断，经和向负载供电。过零变正时，导通, 关断。VT3和续流，又为零，此后重复以上过程。2.2.2 触发电路设计

8、本课设采用的触发电路为相位控制晶闸管的触发电路，并以同步信号为锯齿波的触发电路作为控制电路，如图2.5所示。此电路可分为六个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节、双窄脉冲形成环节、强触发环节、封锁环节。本课设主要以脉冲形成、脉冲移相、同步作介绍。图2.5 触发电路(1)脉冲形成环节脉冲形成环节由晶体管、组成，、起脉冲放大作用。控制电压Uco加在基极上，电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在集电极电路中。当Uco=0时，截止。+电源通过供给一个足够大的基极电流，使饱和导通，所以的集电极电压接近于-。、处于截止状态，无脉冲输出。另外，电源的+（15V）经、

9、发射结到-（-15V），对电容充电，充满后电容两端电压接近2（30V）。当控制电压Uco0.7V时，导通，A点电位由+（+15V）迅速降低至1.0V左右，由于电容两端电压不能突变，所以基极电位迅速降至约-2（-30V），由于发射结反偏置，立即截止。它的集电极电压由-（-15V）迅速上升到+3.1V（、三个PN结正向压降之和），于是、导通，输出触发脉冲。同时，电容经电源+、放电和反向充电，使基极电位又逐渐上升，直到-（-15V），又重新导通。这时又立即降到-，使、截止，输出脉冲终止。可见，脉冲前沿由导通时刻确定，（或）截止持续时间即为脉冲宽度。所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数、有关。(2)锯齿

10、波的形成和脉冲移相环节锯齿波的形成和脉冲移相环节中，锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等。如图所示为恒流源电路方案，由和等元件组成，其中、和为一恒流源电路(3)同步环节在锯齿波同步的触发电路中，触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。从图可知，锯齿波是由开关管来控制的。由导通变截止期间产生锯齿波，截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，开关的频率就是锯齿波的频率。要使触发脉冲与主电路电源同步，使的开关频率与主电路电源频率同步就可达到。图中的同步环节，是由同步变压器TS和作同步开关用的晶体管组成的。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同

11、步变压器的二次电压来控制的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路的电源同步。同步变压器二次电压经二极管间接加在的基极上。当二次电压波形在负半周的下降段时，导通，电容被迅速充电。因O点接地为零电位，R点为负电位，Q点电位与R点相近，故在这一阶段基极为反向偏置，截止。在负半周的上升段，+电源通过给电容反向充电，为电容反向充电波形，其上升速度比波形慢，故截止。当Q点电位达1.4V时，导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来时，重新导通，迅速放电后又被充电，截止。如此周而复始。在一个正弦波周期内，包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同

12、步，达到同步的目的。可以看出，Q点电位从同步电压负半周上升段开始时刻到达1.4V的时间越长，截止时间就越长，锯齿波就越宽。可知锯齿波的宽度是由充电时间常数决定的。2.3 保护电路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便。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中得开关器件，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

13、允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥式电路短时间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。2.3.1 过电流保护：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；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，如图2.6所示。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适合，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

14、起到保护作用。最好的办法是晶闸管元件上直接串快速熔断器，因流过快速熔断器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。图2.6 过电流保护电路2.3.2 过电压保护：设备在运行过程中，会受到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。过电压保护的一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻等非线性元件加以抑制。如图2.7所示图2.7 过电压保护电路电流上升率、电压上升率的抑制保护：晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流很大，然后以一定的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上

15、升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如图2.8所示 图2.8 电流上升率抑制保护电路加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制，如果dv/dt过大，由于晶闸管接电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管的误导通，有效办法可以在晶闸管两端并联R-C吸收回路。如图2.9所示。图2.9 R-C吸收回路2.4 元器件型号选择单相桥式半控整流电流（阻感负载）与单相全控桥式整流电路的电阻负载时的工作情况相同。直流输出电压平均值：直流输出电流平均

16、值： 流经晶闸管的电流有效值：变压器二次有效值： 参数计算： 输出电流平均值：流过晶闸管电流有效值：变压器二次侧电流有效值：器件选择：晶闸管的额定电流：这里取2倍安全电流储备，并考虑晶闸管元件的额定电流，所以选择额定电流为100A的晶闸管。晶闸管的额定电流：这里取3倍安全电压储备，并考虑晶闸管元件的额定电压，所以选择额定电压为1000V的晶闸管。通过在网上查询的资料显示，额定电压为1000V和额定电流100A的参数的晶闸管可以出自同一种型号的晶闸管。保护电路的晶闸管阻容吸收的计算表格如表2.1所示：保护电路阻容吸收网络的电阻大小为20欧姆，电容为0.25 uF表2.1 阻容吸收计算表格IT(A

17、V)1000500200100502010电容F210.50.250.21.150.1电阻25102040801002.5 MATLAB仿真实验启动MATLAB，打开Simulink，新建文件，根据单相桥式半控整流电路所需的元器件添加相应的控件并连线，完成仿真图的绘制。绘制完成后的仿真图如图2.10所示。图2.10 单相半控桥式整流电路的MATLAB仿真图由前面的计算我们已经知道，当触发角从0连续变化到1800时，对应的直流输出电压逐渐变小。图2.11、2.12、2.13、2.14分别给出了控制角 为0、450、900、1800时的仿真波形图。从上到下的分别是电源电压U、晶闸管VT1的触发脉冲

18、P1、晶闸管VT3的触发脉冲P2、流经晶闸管VT1的电流Id1、流经晶闸管VT3的电流Id2、输出电压Ud的波形。所产生的波形与理论波形相同，符合设计要求。 图2.11 触发角=0时的仿真波形 图2.12 触发角=450时的仿真波形图2.13 触发角=900时的仿真波形图2.14 触发角=1800时的仿真波形4第3章 课程设计总结本课程设计是要求设计一个单相半控桥式整流电路为额定电压110V、功率为5kW的直流电动机提供直流可调电源，在设计过程中需要设计一个单相半控桥式整流电路作为主电路，以及需要设计一个控制电路，同时还要有保护电路。在总电路设计之后还需要进行MATLAB仿真实验。本课程设计主

19、要是单相半控桥式整流电路的工作原理，包括：电路中开关器件的通断状态以及交流电源电压的波形和负载的性质，分析其输出的直流电压，电路中各元器件的电压和电流波形。单相半控桥式整流电路基本数量关系，包括输出的平均电压，平均电流，晶闸管承受的最大正向电压和反向电压，流过晶闸管的电流，电压的有效值，导通角的范围。单相半控桥式整流电路负载对整流的影响包括感性负载，容性负载，阻性负载。在选择器件时最重要的是掌握其基本特性，工作原理，主要参数以及使用中注意的问题。在设计过程中先要设计一个桥式电路作为主电路。单相半控桥式整流电路的设计需要用到晶闸管和电力二极管，相对于单相全控桥式整流电路来说，需要的器件更加简单、

20、经济，对于晶闸管的应用数量更少，但是相对去全控整流电路更容易出现失控现象。对于单相半控桥式整流电路，需要一个控制电路，所以在主电路设计完成之后就是对控制电路的设计，而本课程设计中所用到的是同步信号为锯齿波的触发电路作为该设计中的控制电路。对于一个电路来说需要保护电路来保护器件和系统，所以在最后要设计保护电路，而对于保护电路来说有过电压保护和过电流保护两种。根据不同的原因要设计不同的保护电路，所以就需要过电压和过电流两种保护电路。在设计电路完成之后，要进行MATLAB的仿真实验来验证所设计的电路是否成功，通过MATLAB仿真实验可以验证设计的电路符合设计要求。最后通过电力电子课程设计对于主要器件

21、晶闸管的原理和作用有了很大的提高，在这个过程中也学到了很多东西。参考文献1 王兆安.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,20032 郝万新.电力电子技术.化学工术.晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方法, 2003.63 刘雨棣.电力电子技木及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2006.84 吕 宏. 电力电子技术.感应加热电源的PWM-PFM控制方法, 2003.15 吴 雷. 电力电子技术.基于DSP大功率中频感应焊机的研究, 2003.46 李金刚. 电力电子技术.基于DSP感应加热电源频率跟踪控制的实现, 2003.4 7 石 玉. 电力电子技术题例与电路设计指导北京：机械

22、工业出版社,19998 马传天. 晶体管开关稳压电源.北京：人民邮电出版社,1995.19 周志敏. 开关电源实用技术.人民邮电出版社,2004.110 苏玉刚. 电力电子技术.重庆大学出版社,2004.3 11 龚秋生.龚氏全桥可控整流电路.洪都科技，2004.1212 贺益康、潘再平.电力电子技术.北京：科学出版社，200413 马建国、孟宪元.电子设计自动化技术基础.清华大学出版社，200414 蒋静坪.多脉冲整流器抑制电流谐波的研究.电工技术杂志,1999.615 王维平.现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，1999 11叶慧贞. 开关稳压电源 北京：国防工业出版社 1990 12张 立主编 现代电力电子技术 北京： 人民邮电出版社 1995.1.忽略此处.