华中科技大学文华学院
二0一二年十一月
1.绪论
2.方案设计选择
3.设计任务及要求
3.1设计任务
3.2设计要求
4.设计方案选择
5.总体电路的功能框图
6.单元电路设计
6.1主电路结构
6.2晶闸管的选取
6.3变压器的选取
7.晶闸管触发电路设计
7.1晶闸管相控装置对触发电路的要求
7.2触发电路原理
8.保护电路设计
9.总体电路原理图
10.元器件型号参数
11.思考题
12.结论与体会
13.参考文献
1.绪论
电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交义而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。
本课程体现了弱电对强电的控制，乂具有很强的实践性。
能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。
它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。
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；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船朗、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、微型讣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。
2.方案设计选择
2.1进行设计方案的比较，选定符合课设要求的方案；
2.2完成单元电路的设计和参数计算；
2.3完成总电路的设讣和原理分析，各元器件的选取；
2.4完成触发电路、保护电路的设计。
3.设计任务及要求
3.1设计任务
单相半波整流电路是电力电子电路的常用电路之一，主要由主电路、触发电路和保护电路等儿大部分组成。
3.2设计要求
输入电压：
单相交流220V,50Hz；
输出功率：
lkW；
用集成电路组成触发电路；
对电路进行设计、计算与说明；计算所用元器件型号参数。
4.设计方案选择
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；按交流输入相数乂可分为单相、多相（主要是三相）整流电路。
它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点，而负载性质乂分为带电阻性负载、电阻电感性负载和反电动势负载时的工作情况。
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。
根据课设要求我们选定单相全控桥式相控整流电路，负载性质包括电阻、电阻电感。
单相全控桥式整流电路：
VD
-4
2
单相全控桥式整流电路（R负载）
单相全控桥式整流电路（RL负载）
此电路对每个导电回路进行控制，与单相桥式半控整流电路相比，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。
单相全控桥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。
单相全控桥式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。
根据以上的分析，我们选择的方案为单相全控桥式整流电路。
5.
总体电路的功能框图
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上图所示。
整
单相桥式全控整流电路（电阻性负载）
单相桥式全控整流电路电阻负载时的波形:
取/?
=500a«=30°,变压器变比为1:
5。
有
直流电压平均值：
VD=丄「V2V5sincotd（cot）=—Vs（1+cosa）=0.9匕.注
7T%兀2
代入数据得VD=0.9x11OOx—-=923.68V
直流电流平均值：
/厂冬=0.9冬上些=1.85A
RR2流过每个晶闸管的电流有效值：
代入数据得/r=1.56x7（197=1.53A
流过每个晶闸管的电流平均值：
/dvj=才!
）=0.925A
晶闸管额定电流：
ITav=（1比~2"%57=°%~2）x1・5茹57=1.46-1.95A交流电源电流有效值：
人=｛丄［（耳ysin型）2〃（曲）=:
逅片=2.16A
晶闸管承受的最大反向电压为：
Vw=a/2Vv=1556V
输岀功率:
5=1仏=1706W显然，输出功率满足设计要求。
电阻电感性负载:
参数讣算如下:
负载电感L较小，负载阻抗角0=arctan%较小，若晶闸管延迟角触发控制角较大，以致Q>0时的负载断流工作情况。
因此导通角电流的波形出现断流。
取触发角为30。
输出整流电压平均值：
V。
=丄[*y^ssincotd（ctjt）=—~-s[cosa-cos（a+&）]
代入数据得％=990.7x^858V
d[22
输出电流平均值：
J1兀兀
ID=x2200sin®）=0・9sin伽）A
346466
6.2晶闸管的选取
晶闸管的选择原则：
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
晶闸管额定电流：
/加=（1・5~2"%57=（1%~2）x1・％57=1.46~1.95A
晶闸管承受的最大反向电压为：
=72^=1556V
为了对过电压有安全储备，通常把晶闸管的额定电压也选大2、3倍，因此所选晶闸管的电压额定值应为
%”=（2〜3）^2VS.=（2〜3）>/2x1100V=3111~4667V
6.3变压器的选取
根据参数计算可知:
变压器应选变比为1:
5,容量至少为2376V・A。
7.晶闸管触发电路设计
7.1晶闸管相控装置对触发电路的要求
1）触发脉冲必须有足够的功率，保证在允许的整个工作温度范围内，对所有合格的元件都能可靠触发。
2）触发脉冲应有足够的宽度，以保证晶闸管可鼎导通。
3）触发脉冲的前沿应尽量陡些。
4）触发脉冲的相位应能够根据控制信号的要求在规定的范圉内移动。
5）触发脉冲与晶闸管主回路电源电压必须同步。
6）触发电路与晶闸管主回路之间有必要的电气隔离。
TP2
单结晶体管触发电路
7.2触发电路原理
山同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经VD1半波整流，再由稳压管VI、V2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7及等效可变电阻V5向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压时，单结晶体管V6导通，电容通过脉冲变圧器原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。
同时山于放电时间常数很小，C1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压，使V6关断，C1再次充电，周而复始，在电容C1两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。
在一个梯形波周期内，V6可能导通、关断多次，但只有输出的第一个触发脉冲对晶闸管的触发时刻起作用。
充电时间常数III电容C1和等效电阻等决定，调节RP1改变C1的充电的时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制。
&保护电路设计
电流上升率di/dt的抑制
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，局部电流密度很大，然后以O.lmm/ps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。
其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。
如下图：
-KI——
吊联电感抑制回路
9.
总体电路原理图
10.元器件型号参数
元器件
备注
数量
整流变压器
单相，变比为5,容量至少为2376V・A
1个
晶闸管
KP100A-5000A/100V-5000V型
4个
电阻
500Q
1个
电感
700mH
1个
快速熔断器
熔断电流为1A
4个
集成触发电路
单结晶体管触发电路
1块
11.思考题
1、如果晶闸管短路，会出现什么情况？
答：
如果晶闸管短路，会出现电源的输出电压升高，同时还不能滤除电网上串入的杂波和抑制电源产生的冲击电流。
2、如果晶闸管开路，会出现什么情况？
答：
输出电压降低，设备运行弱、或无法运行。
3、电阻负载和电阻电感负载时，触发角的移相范围是多少？
答：
两者的移相范围均为0°'180°o
12.结论与体会
通过单相半波整流电路的设计，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。
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的了解和掌握。
在这个过程中我们认真地查阅了大量的资料和工具书，增长了见识，开阔了视野。
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，碰到的难题就是对晶闸管的相关参数的计•算，因为在学习中没能很好的系统的总结晶闸管相关知识。
在整个课程设计中贯穿的讣算过程没能很好的把握。
在今后要认真学习，对电力电子课程进行补充。
为以后的工作做铺垫，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。
通过这次课设，我们了解到自己的不足，也得到了很多宝贵的经验，同时我们也意识到一个元件的接错可能导致很大的失误，我们要努力养成仔细严谨的工作与科学作风，为以后参加工作奠定基础。
13.参考文献
[1]陈坚主编•电力电子学（第三版）.北京：
高等教育出版社，2011
[2]王兆安编著.电力电子技术（第五版）•北京:
机械工业出版社,2004
[3]朱定华主编.模拟电子技术（修订本）.北京：
清华大学出版社，2008
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