單相橋式全控整流

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告題 目： 單相橋式全控整流電路設(shè)計學(xué) 院： 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 時 間： 目錄第一章設(shè)計任務(wù)書 1第二章原理方框圖及電路圖設(shè)計 2第三章觸發(fā)電路.主電路及保護(hù)電路的設(shè)計8第四章設(shè)計原理圖及結(jié)果分析 12第五章protel圖及pcb板 27第六章實驗心得 29第七章. 參考文獻(xiàn)30第一章 設(shè)計任務(wù)書1.1設(shè)計任務(wù)和要求（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)計和主要元器件的選擇；3、 完成主電路的原理分析，各主要元器件的選擇；4、 單相整流電路的主電路、觸發(fā)電路的設(shè)計；5、 保護(hù)電路的設(shè)計；6、 撰寫設(shè)計說明書；

2、7、 利用matlab對自己所設(shè)計的單相整流電路進(jìn)行仿真。（選做）（2）設(shè)計要求參考參數(shù)：整流變壓器輸出相電壓為200v，負(fù)載中r5歐姆，要求輸出電壓為0100v，采用220v變壓器降壓供電。1.2 方案的選擇單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單相橋式相控流電路，它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會有不同的特點。下面分析各種單相相控整流電路在帶電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載和反電動勢負(fù)載時的工作情況。單相半控整流電路的優(yōu)點是：線路簡單、調(diào)整方便。弱點是：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。而單相全控式整流電路具有輸出電流

3、脈動小，功率因數(shù)高，表壓氣二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點。單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在相同的負(fù)載下流過晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。第二章原理方框圖及主電路設(shè)計21原理原理方框圖如下所示： 圖1整流電路主要由觸發(fā)電路、保護(hù)電路和整流主電路組成。根據(jù)設(shè)計任務(wù)，在此設(shè)計中采用單相橋式全控整流電路接電阻性負(fù)載。22主電路設(shè)計221主電路原理圖及其工作波形圖2 主電路原理圖及工作波形單相全控橋式整流電路帶負(fù)載的電路如圖1（a）所示。其中tr為整流變壓器，t1、t4、t3、t2組成a、b兩個橋臂，變壓器二次電壓u2接在a、

4、b兩點，u2 = ,四只晶閘管組成整流橋。負(fù)載電阻是純電阻rd。當(dāng)交流電源電壓u2進(jìn)入正半周期時，a端電位高于b端電位，兩個晶閘管t1、t2同時承受正向電壓，如果此時門極無觸發(fā)信號，則兩個晶閘管仍處于正向截止?fàn)顟B(tài)，其等效電阻遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻rd，電源電壓u2將全部加在t1和t2上，ut1ut2=u2，負(fù)載上電壓ud=0。在t=時，給t1和t2同時加觸發(fā)脈沖，則兩晶閘管立即觸發(fā)導(dǎo)通，電源電壓u2將通過t1和t2加在負(fù)載電阻rd上。在u2正半周，t4和t3均承受反向電壓而處于截止?fàn)顟B(tài)。由于晶閘管導(dǎo)通時管壓降可視為零，則負(fù)載rd兩端的整流電壓ud=u2。當(dāng)電源電壓u2降到零時，電流id也降為零，t1和

5、t2截止。電源電壓進(jìn)入負(fù)半周時，b端電位高于a端電位，兩個晶閘管t3、t4同時承受正向電壓，在t=+時，同時給t3、t4加觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，電流經(jīng)t3、rd、t4、tr 二次側(cè)形成回路。在負(fù)載兩端獲得與正半周相同波形的整流電壓和電流，這期間t1和t2均承受反向電壓而處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)u2由負(fù)半周電壓過零變正時，t3、t4因電流過零而截止。在此期間t1、t2因承受反向電壓而截止，ud、id又降為零。一個周期過后，t1、t2在t=2+時刻又被觸發(fā)導(dǎo)通，依此循環(huán)。很明顯，上述兩組觸發(fā)脈沖在相位上相差，這就形成了如圖（b）(f)所示的波形圖。由以上電路工作原理可知，在交流電源u2的正、負(fù)半周里，t1、t

6、2和t3、t4兩組晶閘管輪流觸發(fā)導(dǎo)通，將交流電變成脈動的直流電。改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻，即改變的大小，ud、id的波形和平均值大小隨之改變。222整流電路參數(shù)計算1）整流輸出電壓的平均值可按下式計算= (1)為最小值時,=;為最大值時,=,所以單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時,的移相范圍是。2）整流輸出電壓的有效值為= (2)3）整流電流的平均值和有效值分別為 (3)4)流過每個晶閘管的平均電流為輸出電流平均值的一半，即 (4)流過每個晶閘管的電流有效值為 (5)5)晶閘管在導(dǎo)通時管壓降ud=0，故其波形為與橫軸重合的直線段；t1和t2加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒到時，4個晶閘管都不導(dǎo)通，假定t1

7、和t2兩晶閘管漏電阻相等，則每個元件承受的最大可能的正向電壓等于;t1和t2反向截止時漏電流為零，只要另一組晶閘管導(dǎo)通，就把整個電壓u2加到t1或t2上，故兩個晶閘管承受的最大反向電壓為。223元器件選取由于單相橋式全控整流帶電阻性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。1.晶閘管的主要參數(shù)如下：1）額定電壓utn通常取udrm和urrm中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 utn （23）utm utm ：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓 2）額

8、定電流it(av) it(av) 又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負(fù)載流過正弦半波、導(dǎo)通角不小于170的電路中，結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。要注意的是若晶閘管的導(dǎo)通時間遠(yuǎn)小于正弦波的半個周期，即使正向電流值沒超過額定值，但峰值電流將非常大，可能會超過管子所能提供的極限，使管子由于過熱而損壞。 在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導(dǎo)通角多大，只要其最大電流有效值itm m itn,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。：額定電流有效值，根據(jù)管子的

9、 換算出， 、. 三者之間的關(guān)系：= = /2=0.5 (6) = (7)波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，其有效值與平均值之比稱為該波形的波形系數(shù)，用kf表示。 (8)額定狀態(tài)下， 晶閘管的電流波形系數(shù) (9)晶閘管承受最大電壓為考慮到2倍裕量，取400v.晶閘管的選擇原則：所選晶閘管電流有效值大于元件 在電路中可能流過的最大電流有效值。 選擇時考慮（1.52）倍的安全余量。即1.57 （1.52） 因為,則晶閘管的額定電流為=10a(輸出電流的有效值為最小值，所以該額定電流也為最小值)考慮到2倍裕量,取20a.即晶閘管的額定電流至少應(yīng)大于20a.在本次設(shè)計中我選用4個kp20-4的晶閘管.

10、若散熱條件不符合規(guī)定要求時，則元件的額定電流應(yīng)降低使用。3）通態(tài)平均管壓降 ut(av) 。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通的正弦波半個周期內(nèi)陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.41.2v。4）維持電流ih 。指在常溫門極開路時，晶閘管從較大的通態(tài)電流降到剛好能保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般ih值從幾十到幾百毫安，由晶閘管電流容量大小而定。5）門極觸發(fā)電流ig 。在常溫下，陽極電壓為6v時，使晶閘管能完全導(dǎo)通所需的門極電流，一般為毫安級。6）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不會導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。7）通態(tài)電流臨

11、界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。若晶閘管導(dǎo)通時電流上升太快，則會在晶閘管剛開通時，有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。2.變壓器的選取根據(jù)參數(shù)計算可知:變壓器應(yīng)選變比為2,容量至少為2.464kva。224性能指標(biāo)分析：整流電路的性能常用兩個技術(shù)指標(biāo)來衡量：一個是反映轉(zhuǎn)換關(guān)系的用整流輸出電壓的平均值表示；另一個是反映輸出直流電壓平滑程度的，稱為紋波系數(shù)。1)整流輸出電壓平均值= (11)2)紋波系數(shù)紋波系數(shù)用來表示直流輸出電壓中相對紋波電壓的大小,其值 (12)三 觸發(fā)電路及主電路的設(shè)計觸發(fā)電路設(shè)計觸發(fā)電路在變流裝置中所起的基

12、本作用是向晶閘管提供門極電壓和門極電流，使晶閘管在需要導(dǎo)通的時刻可靠導(dǎo)通。根據(jù)控制要求決定晶閘管的導(dǎo)通時刻，對變流裝置的輸出功率進(jìn)行控制。觸發(fā)電路是變流裝置中的一個重要組成部分，變流裝置是否能正常工作，與觸發(fā)電路有直接關(guān)系，因此，正確合理地選擇設(shè)計觸發(fā)電路及其各項技術(shù)指標(biāo)是保證晶閘管變流裝置安全，可靠，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提。3.1 對觸發(fā)電路的要求 晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求:()、觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。()、觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。 ()、觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽

13、極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。 ()、觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。(5)、為使并聯(lián)晶閘管能同時導(dǎo)通，觸發(fā)電路應(yīng)能產(chǎn)生強(qiáng)觸發(fā)脈沖強(qiáng)觸發(fā)電流幅值為出發(fā)電流的倍左右，脈沖前沿的陡度取為/us； 圖3 理想的觸發(fā)脈沖形式本實驗中先用pulse generator 產(chǎn)生實驗需要的脈沖，再用觸發(fā)電路代替，使用比較器，當(dāng)電路大于constant中的電壓值時，其值為1，當(dāng)小于constant中的電壓值時，其值為0，從而產(chǎn)生一定距離的觸發(fā)脈沖。設(shè)計圖見設(shè)計原理中.3.2 主電路設(shè)計根據(jù)主電路原理圖，應(yīng)用matlab/simulink中的器件，設(shè)計出主電路，調(diào)節(jié)co

14、nstant中的電壓值，從而改變觸發(fā)角，從而改變ud, 根據(jù)要求電壓值分別為0v，14v，28v，42v，60v，74v，88v,100v,從示波器讀出各數(shù)值。3.3 保護(hù)電路分析1、過流保護(hù)過電流產(chǎn)生原因：、個別整流硅整流元件短路會造成同組其它完好整流元件過流。、負(fù)荷側(cè)短路造成整個整流裝置過載。、外部沖擊耦合到整流回路也可造成整個裝置過載。、可控硅元件控制脈沖失常，如觸發(fā)角過小、失脈沖、誤觸發(fā)等都可能造成可控硅元件過流。(2)常用的過電流保護(hù)措施：、采用快熔保險。將快速熔斷器與整流元件一對一串聯(lián)，當(dāng)整流元件出現(xiàn)故障時能有選擇切斷故障之路，而不影響完好之路工作?？烊郾ｋU結(jié)構(gòu)簡單，熔斷時間快（1

15、0ms以內(nèi)），保護(hù)范圍廣，在整流元件的過流保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。、對于大功率整流裝置，快熔保險不能與整流裝置的過載特性很好配合，需要在直流輸出側(cè)或在交流輸輸入側(cè)加裝快速過流繼電器與快熔保險配合使用，才可是整流裝置在全范圍內(nèi)得到有效保護(hù)。過流繼電器動作跳閘時間應(yīng)小與保護(hù)范圍內(nèi)整流元件允許過載的最短時間。2、過壓保護(hù)(1)過電壓產(chǎn)生的原因：.整流硅整流裝置電流突變，交流回路中的電感元件因斷電會產(chǎn)生過電壓。、外部沖擊耦合到整流回路也可產(chǎn)生過電壓。(2)常用的過壓保護(hù)措施：、阻容保護(hù)。利用電容器兩端電壓不能突變的特性，來限制過電壓，效果不錯。為了避免電容與回路中電感發(fā)生諧振，防止關(guān)斷可控硅在再次導(dǎo)通時電

16、容器向可控硅放電造成正向電流上升率超過通態(tài)電流臨界上升率，因而引起元件損壞，通常要在電容回路串入適當(dāng)?shù)碾娮?，組成阻容過壓保護(hù)。阻容過壓保護(hù)可用在整流裝置的交流側(cè)、直流側(cè)和整流元件本身兩端限制過電壓。、非線性電阻過壓保護(hù)。阻容過壓保護(hù)限制過壓能力有限，利用非線性電阻（壓敏電阻和硒堆）伏安特性，可構(gòu)成過電壓保護(hù)，尤其是用金屬氧化鋅壓敏電阻構(gòu)成的過壓保護(hù)，它具有正反相同很陡的伏安特性。正常工作時的漏電流很小(1ma),故能耗很小。遇有過電壓時，可通過數(shù)千安培的放電電流，因此，他抑制過電流能力極強(qiáng)，此外，它對浪涌電壓反應(yīng)也很快，本身的體積有很小。唯一的缺點就是持續(xù)平均功率太?。▋H數(shù)瓦），如果正常工作電

17、壓超過它的額定電壓，則壓敏電阻會在很短時間內(nèi)燒壞。壓敏電阻可用在整流裝置的交流側(cè)、直流側(cè)和整流元件本身兩端限制過電壓。3、電壓上升率和電流上升率的限制(1)電壓上升率過快的原因及危害：、可控硅元件換相時造成的電壓波形缺口，是引起正向電壓上升率過大的主要原因。、可控硅元件的正向電壓上升率超過一定限度，即使沒有控制脈沖，可控硅元件也回導(dǎo)通，造成整流橋失控，造成可控硅過流，使快熔熔斷或可控元件損壞。(2)限制電壓上升率過快的措施：、并聯(lián)在可控硅元件兩端的阻容保護(hù)，對電壓上升率有一定的限制作用。、在整流裝置各個支路串接電抗器，與阻容保護(hù)構(gòu)成串聯(lián)濾波回路，這樣可以使可控硅原上的電壓波變得平緩，使正向電壓

18、上升率降低至安全數(shù)值。(3)電流上升率過快的原因及危害：、正向電流上升率過快的主要原因是各種阻容吸收保護(hù)的放電電流過大造成的。、正向電流上升率過快會使可控硅控制極強(qiáng)烈發(fā)熱，造成可控硅元件損毀。(4)限制電流上升率過快措施：、對于與可控硅元件直接并聯(lián)的阻容保護(hù)，可適當(dāng)犧牲過壓保護(hù)的效果，通過增加電阻值，以減小電容放電電流。、對于其他原因造成的正向電流上升率過大，可通過每個支路串聯(lián)電抗器的限流作用來抑制。、如果交流側(cè)和直流側(cè)的阻容保護(hù)的都采用整流式的阻容保護(hù)裝置，自可大大的減小可控硅元件所承受的正向電流上升率第四章仿真實現(xiàn)及結(jié)果分析先用pulse generator產(chǎn)生需要脈沖，如圖4所示 圖4再

19、用觸發(fā)電路代替pulse generator，如圖5所示 圖5實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析 圖6 圖7輸入平均電壓（v）0142842607488100觸發(fā)角180147.6133.6122.2109.51100291.383.6第一個值0166.6244.5262.3292.2305.1309.9308.1第二個值0-166.6-244.5-262.3-292.2-305.1-309.9-308.1當(dāng)輸出平均電壓等于0v時，第一個出發(fā)角等于180，第二個觸發(fā)角等于360，第一個脈沖圖為見圖8 圖8第二個脈沖圖為見圖9 圖9變壓器兩端的電壓見圖10 圖10輸出平均電壓見圖11 圖11當(dāng)輸出平均電壓為14

20、v，第一個觸發(fā)角為147.6，第二個觸發(fā)角為327.6，第一個觸發(fā)脈沖，見圖12 圖12第二個觸發(fā)脈沖見圖13 圖13變壓器兩端的電壓見圖14圖14電阻兩端電壓見圖15圖15當(dāng)電阻改變?yōu)?0歐時，兩端的電壓見圖16 圖16 改變電阻，其兩端的電壓波形為改變，說明圖15正確晶匝管電壓波形見圖17 圖17當(dāng)平均電壓為28v，第一個觸發(fā)角為133.6，第二個觸發(fā)角為313.6第一個觸發(fā)脈沖見圖18 圖18第二個觸發(fā)脈沖見圖19 圖19電阻兩端的電壓見圖20 圖20當(dāng)電阻為10歐時，電阻改變時，其電壓波形沒變，說明圖20正確 圖21晶匝管的電壓見圖22 圖22當(dāng)整流電壓為42v，第一個觸發(fā)角122.2

21、，第二個觸發(fā)角為302.2第一個脈沖見圖23 圖23第二個脈沖見圖24 圖24電阻兩端電壓見圖25 圖25晶匝管電壓見圖26 圖26當(dāng)平均電壓為60v，第一個觸發(fā)角為109.5，第二個觸發(fā)角為289.5第一個脈沖波見圖27 圖27第二個脈沖波形見圖28 圖28電阻兩端電壓見圖29 圖29當(dāng)電阻變?yōu)?0歐時，電壓波形圖30 圖30當(dāng)電阻改變時，波形一樣，說明圖29正確晶匝管電壓見圖31 圖31當(dāng)平均電壓為74v,第一個觸發(fā)角為100.2，第二個觸發(fā)角為280.2第一個脈沖見圖32 圖32第二個脈沖見圖33 圖33電阻電壓見圖34 圖34晶匝管電壓見圖35 圖35當(dāng)整流電壓為88v,第一個觸發(fā)角91.3，第二個觸發(fā)角271.3第一個觸發(fā)脈沖見圖36 圖36第二個觸發(fā)脈沖見圖37 圖37電阻電壓見圖38 圖38當(dāng)電阻變?yōu)?0歐時，其波形未改變見圖39 圖39晶匝管電壓見圖40 圖40當(dāng)整流電流為100v,第一個觸發(fā)角為83.6，第二個為263.6第一個脈沖見圖41 圖41第二個脈沖見圖42 圖42電阻電壓見圖43 圖43當(dāng)電阻變