单相桥式可控整流电路设计.docx

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单相桥式可控整流电路设计

第1章方案的选择

1.1主要元器件说明

1.1.1晶闸管的选取：

①额定电压UTn

晶闸管的额定电压

UTn≥（2～3）UTM（1.1）

UTM：

工作电路中加在管子上的最大瞬时电压

晶闸管承受最大电压为

考虑到2~3倍裕量，取80V.②额定电流IT（AV）

Ⅰ、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效值。

Ⅱ、选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。

即

ITn＝1.57，IT（AV）＝（1.5～2）ITM

IT（AV）≥（1.5～2）

（1.2）

因为,则晶闸管的额定电流为

=9A（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1.5~2倍裕量,取18A.即晶闸管的额定电流至少应大于18A.

1.1.2变压器的选取

根据参数计算可知：

变压器应选变比为10。

1.2整流电路

方案1：

单相桥式半控整流电路

图1.1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α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ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期为ud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2：

单相桥式全控整流电路

图1.2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。

综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案2，即单相桥式全控整流电路。

第2章辅助电路的设计

2.1驱动电路的设计

2.1.1触发电路

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）。

触发脉冲应有一定的宽度，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。

1）单结晶体管触发电路

由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。

他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如图2.1（a）所示。

2）单结晶体管自激震荡电路

利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。

从图2.1（a）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路径R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压ue=uc按指数规律上升。

Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。

电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。

随着电容C放电，电压Ue小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。

在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us，如图2.1（b）所示，

图2.1单结晶体管触发电路及波形

其震荡频率为

f=1/T=1/ReCLn（1/1-η）

式中η=0.3～0.9是单结晶体管的分压比。

即调节Re，可调节振荡频率

2.1.2同步电源

步电压又变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。

同步电压经桥式整流、稳压管DZ削波为梯形波uDZ,而削波后的最大值UZ既是同步信号,又是触发电路电源.当UDZ过零时,电容C经e-b1、R1迅速放电到零电压.这就是说,每半周开始,电容C都从零开始充电,进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻（即控制角α）一致,实现同步.

2.1.4移相控制

当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角α增大，实现了移相。

2.1.5脉冲输出

触发脉冲ug由Ｒ1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。

对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。

所以一般采用脉冲变压器输出。

第3章主体电路的设计

3.1主电路原理及说明

当负载由电阻和电感组成时称为阻感性负载。

例如各种电机的励磁绕组,整流输出端接有平波电抗器的负载等等。

单相桥式整流电路带阻感性负载的电路如图5.1所示。

由于电感储能,而且储能不能突变因此电感中的电流不能突变,即电感具有阻碍电流变化的作用。

当流过电感中的电流变化时,在电感两端将产生感应电动势,引起电压降UL

负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出Ud、id的波形具有不同的特点。

当负载电感量L较小（即负载阻抗角φ），控制角α〉φ时，负载上的电流不连续；当电感L增大时，负载上的电流不连续的可能性就会减小；当电感L很大，且ωLd﹥﹥Rd示时，这种负载称为大电感负载。

此时大电感阻止负载中电流的变化，负载电流连续，可看作一条水平直线。

各电量的波形图如图3.1所示。

在电源电压u2正半周期间，晶闸管T1、T2承受正向电压，若在ωt=α时触发，T1、T2导通，电流经T1、负载、T2和Tr二次形成回路，但由于大电感的存在，u2过零变负时，电感上的感应电动势使T1、T2继续导通，直到T3、T4被触发时，T1、T2承受反向电压而截止。

输出电压的波形出现了负值部分。

在电源电压u2负半周期间，晶闸管T3、T4承受正向电压，在ωt=α+π时触发，T3、T4导通，T1、T2反向则制，负载电流从T1、T2中换流至T3、T4中。

在ωt=2π时，电压u2过零，T3、T4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期T1、T2导通时，T3、T4因加反向电压才截止。

值得注意的是，只有当α〈=π/2时，负载电流才连续，当α〉π/2时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相范围是0—π/2。

3.2电感负载可控整流电路

3.2.1单相桥式全控整流电路

在生产实践中，除了电阻性负载外，最常见的负载还有电感性负载，如电动机的励磁绕组，整流电路中串入的滤波电抗器等。

为了便于分析和计算，在电路图中将电阻和电感分开表示。

当整流电路带电感性负载时，整流工作的物理过程和电压、电流波形都与带电阻性负载时不同。

因为电感对电流的变化有阻碍作用，即电感元件中的电流

图3.1单相桥式全控整流电路电感性负载及其波形

（a）电路；（b）电源电压；（c）触发脉冲；（d）输出电压；

（e）输出电流；（f）晶闸管V-1,V-4上的电流；（g）晶闸管V-2,V-3上的电流；（h）变压器副边电流；（i）晶闸管V-1,V-4上的电压

不能突变，当电流变化时电感要产生感应电动势而阻碍其变化，所以，电路电流的变化总是滞后于电压的变化。

负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算：

输出电流波形因电感很大，平波效果很好而呈一条水平线。

两组晶闸管轮流导电，一个周期中各导电180°，且与α无关，变压器二次绕组中电流i2的波形是对称的正、负方波。

负载电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为1。

在这种情况下：

当α=0°时，Ud=0.9U2；当α=90°时，Ud=0，其移相范围为90°。

晶闸管承受的最大正、反向电压都是

。

流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别和

3.3主电路的设计

3.3.1主电路原理图

图3.1设计原理图

第4章基于MATLAB仿真

4.1基于MATLAB仿真原理图（见附录1）

4.2仿真结果

图4.1α=0°时的波形

图4.2α=60°时的波形

图4.3α=90°时的波形

第5章设计总结

通过单相桥式全控整流电路的设计，使我加深了对可控整流电路的理解。

熟悉了整流和触发电路的原理，基本能够运用所学知识对电路进行数据分析、处理和描绘波形并加以判断。

由于本设计基于MATLAB仿真，由此，提升了对MATLAB软件的操作能力。

参考文献

1．王兆安，刘进军编．电力电子技木．第5版．北京：

机械工业出版社，2011年1月

2．梁廷贵主编．现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册．北京：

科学技术文献出版社，2002年2月

3.王维平.现代电力电子技术及其应用.南京.：

东南大学出版社，2000

附录1MATLAB仿真原理图

附录2元器件清单

元器件

备注

数量

整流变压器

变比为10

1个

晶闸管

KP20-4

4个

电阻

其中主电路负载电阻为1Ω

5个

电感

主电路负载1H

1个

电位器

SW-SPDT

1个

二极管

5个

电容

22ｕF

1个

场效应管

N型

1个

脉冲变压器

1个