单相全波整流电路的设计.docx

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单相全波整流电路的设计

《电力电子技术》课程设计之

单相全波整流电路的设计

姓名　　　　　　　　

　　　　　　学号　

　　　　　　　年级　　

　　　　　　　专业　　　

　　　　　　　系　（院）　　

　　　　　　　指导教师　

2011年01月10日

目录

第一章设计任务书

1.1设计目的…………………………………………………………………………2

1.2设计要求…………………………………………………………………………2

1.3设计内容…………………………………………………………………………2

1.4设计题目…………………………………………………………………………2

第二章设计内容

2.1方案的论证与选择…………………………………………………………………3

2.1.1主电路的方案论证………………………………………………………………3

2.2主电路的设计………………………………………………………………………5

2.2.1 带阻感负载的单相桥式全控整流电路………………………………………5

2.2.2原理图分析………………………………………………………………………6

2.3电路方案说明………………………………………………………………………7

第三章触发电路

3.1同步触发电路………………………………………………………………………7

3.2晶闸管的触发条件…………………………………………………………………7

3.3晶闸管的分类………………………………………………………………………13

3.4同步环节……………………………………………………………………………13

3.5脉冲形成环节………………………………………………………………………14

3.6双窄脉冲形成环节…………………………………………………………………14

3.7同步变压器…………………………………………………………………………15

第四章保护电路的设计

4.1过电流保护…………………………………………………………………………16

4.2过电压保护…………………………………………………………………………17

第五章元器件的选用…………………………………………………………………20

第六章参数的计算……………………………………………………………………26

第七章心得体会………………………………………………………………………27

第八章参考文献………………………………………………………………………28

引言

电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）和高效利用能源均至关重要。

我国目前仍旧是一个发展中的国家，尚处于前工业化阶段，传统产业仍然是我国国民经济的主力军，因此在近期或在较长一段时期内，传统产业的改造和发展将在很大程度上决定着我国经济的发展。

而电力、机械、冶金、石油、化工、交通运输是传统产业的重要支柱，这些产业技术水平的高低直接关系到我国工业基础的强弱。

毫无疑问，电力电子技术是提高这些产业技术水平的重要手段，它是对我国传统产业实现技术改造、建立自动化工业体系的关键应用技术。

工业供电电源种类繁多，中小功率电源包括交流不间断电源、通讯电源及各类高频开关电源。

众所周知，它们在远距离通讯.、数据通讯、计算机和办公自动化、工业和仪表、新型先进医疗和实验室设备、工业过程控制机、操作控制台、测试和测量仪器中均有广泛的应用。

而大功率直流电源及低频交流电源则在现代工业中具有十分重要的地位。

大功率直流电源包括电解、电弧炉、电镀用的直流电源等。

电机调速传动、工业供电电源、电力输配电和照明四大方面的各类电力电子装置与系统的主要理论基础是电力电子学，并和其它许多相关的学科基础密切相关，如基础理论（固体物理、电磁学、电路理论、热力学、光学、化学）、专业理论（电力系统、系统与控制理论、电机学及电力传动、通信理论、信号处理、电子学、微电子学、金属学）以及各种专门技术（材料、元件制造、半导体及集成电路制造、电磁及电磁兼容测量、计算机仿真和辅助设计）等。

因此电力电子技术是门应用性很强的交叉学科，要彻底改变我国目前电力电子技术及其应用的落后状况，一方面必须加大对电力电子技术应用基础研究的投资强度和加强对电力电子技术应用基础研究的项目跟踪管理，采取有效措施加强对国际学术交流活动的支持。

特别是必须采取有效措施;提高国内电力电子企业的技术水平，同时结合我国国民经济发展的重大工程项目，以电力电子技术应用为核心，切实组织好跨学科、跨行业、跨部门的对诸多关键共性技术和工程技术的研究和攻关，彻底克服过去专业分工过细、“单打一”（如只搞器件，不搞装置;只搞装置，不搞应用;只搞电，不搞机;只搞弱电，不搞强电等）及基础理论研究与应用脱节的种种弊端，务求实效，一抓到底。

并采取扶植和鼓励采用国产电力电子产品的政策，迅速形成我国

自己的强大的电力电子产业，为人类做出更大贡献。

第一章设计任务书

1.1设计目的：

《电力电子技术》课程设计是配合交流电路理论教学，为自动化和电气工程及自动化专业开设的专业基础技术技能设计，是自动化和电气工程及自动化专业学生在整个学习过程中一项综合性实践环节，是走向工作岗位、从事专业技术之前的一项综合性技能训练，对学生的职业能力培养和实践技能训练具有相当重要的意义。

主要目的在于：

1：

进一步掌握晶闸管相控整流电路的组成、结构、工作原理；

2：

重点理解移相电路的功能、结构、工作原理；

3：

理解同步变压器的功能。

1.2设计要求：

1：

根据课题正确选择电路形式；

2：

绘制完整电气原理图（包括主要电气控制部分）；

3：

详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元、器件值；

4：

编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项；

说明：

负载形式及参数可自行选择

1.3设计内容：

单相全波整流电路的设计。

1：

主电路方案论证

2：

电路方框图

3：

整流电路方框图

4：

电路方案说明

单相整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式可控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。

单相桥式全控整流电路应用广泛，只用四只晶闸管，一个电阻，一个电感，投资比较少，在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，整流电压波形脉动次数多于半波整流电路。

变压器而次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率高。

单相桥式全控桥整流电路与半波整流电路相比较：

（1）ａ的移相范围相等，均为0

　～180

。

（2）输出电压平均值Ud是半波整流电路的2倍。

（3）相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半。

（4）功率因数提高了1.414倍。

单相桥式全控整流电路与单相全波整流电路相比较：

1.4设计题目：

单相全波整流电路

1.41单相单相全波整流电路的设计

1.42、设计参数：

（1）单相桥式全控整流电路接电阻性负载；

（2）要求输出电压在0~100V连续可调；

（3）输出电流在20A以上；

（4）采用220V变压器降压供电；

1.43、设计要求：

（1）根据课题正确选择电路形式；

（2）绘制完整电气原理图（包括主要电气控制部分）；

（3）详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元、器件值；

（4）编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项；

说明：

负载形式及参数可自行选择（例如：

输入的为市电，即相电压为220V，输出电压在0—200V可调，负载RL=5Ω）

第二章设计内容

2、1方案的论证与选择

2.1.1主电路的方案论证：

我们知道，单相整流器的电路形式是各种各样的，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：

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

成为正弦半波，即半周期为正弦，另外半周期为零，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：

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：

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180。

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：

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用。

但是绕组及铁心对铜、铁等材料的消耗比单相全控桥多，在当今世界上有色金属有限的情况下，这是很不利的，所以我们也放弃了这个方案。

单相半控整流电路的优点是：

线路简单、调整方便。

弱点是：

输出电压脉冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整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。

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。

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（负载为阻感性负载）。

2、2主电路的设计

2.2.1 带阻感负载的单相桥式全控整流电路

图2.1单相全控桥式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

电路如图2a）所示。

为便于讨论，假设电路已工作于稳态。

（1）工作原理：

在u2正半周期，触发角 α 处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流 id 连续且波形近似为一水平线，其波形如图2e）所示。

u2 过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4 中仍流过电流 id 并不关断。

至ωt＝π＋α 时刻，给 VT2 和 VT3 加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。

VT2和VT3导通后，u2通过 VT2 和 VT3 分别向 VT1 和 VT4 施加反压使VT1 和VT4 关断，流过 VT1 和 VT4 的电流迅速转移到 VT2 和 VT3 上，此过程称为换相，亦称换流。

至下一周期重复上述过程，如此循环下去。

（2）ud波形如图2（d）所示，其平均值为:

当α=0时，Ud0=0.9U2。

α=90o时，Ud=0。

α角的移相范围为90o。

单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管VT1、VT4两端的电压波形如图2i）所示，晶闸管承受的最大正反向电压均为

。

晶闸管导通角θ与α无关，均为180o，其电流波形如图2b）所示，平均值和有效值分别为：

和

变压器二次电流i2的波形为正负各180o的矩形波，其相位由α角决定，有效值I2=Id。

2.2.2原理图分析：

在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。

在U2正半周，若4个晶闸管均不导通，负载电流Id为零，

也为零，VT1和VT4串联承受电压U2。

若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。

当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。

在u2负半周，仍在触发角α

处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。

到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。

此后又是VT1和VT4导通，如此循环的工作下去，

晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为

和

。

由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。

在

一个周期内，整流电压波形脉动2次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。

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，如图2.2所示，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。

整流电压平均值为：

U2sinωtd（ωt）=

2

U2

α=0时，

。

α=

时，

。

可见，α角的移相范围为

。

向负载输出的直流电流平均值为：

=

=0.9U2

晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即

为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此需计算电流有效值。

流过晶闸管的电流有效值为

=

=

变压器二次电流有效值

与输出直流电流有效值I相等，为

由上面的公式可知

不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为

2.3电路方案说明

单相整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式可控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。

单相桥式全控整流电路应用广泛，只用四只晶闸管，一个电阻，一个电感，投资比较少，在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，整流电压波形脉动次数多于半波整流电路。

变压器而次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率高。

单相桥式全控桥整流电路与半波整流电路相比较：

（1）ａ的移相范围相等，均为0

　～180

。

（2）输出电压平均值Ud是半波整流电路的2倍。

（3）相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半。

（4）功率因数提高了1.414倍。

单相桥式全控整流电路与单相全波整流电路相比较：

（1）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。

（2）在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半。

（3）且功率因数提高了一半。

第三章触发电路

3．1同步触发电路

1、单结晶体管触发电路

利用单结晶体管（又称双基级二极管）的负阻特性和RC的充放电特性，可组成频率可调的自激振荡电路，如图3-1所示。

图中V6为单结晶体管，其常用的型号有BT33和BT35两种，由等效电阻V5和C1组成组成RC充电回路，由C1-V6-脉冲变压器组成电容放电回路，调节RP1即可改变V5的等效电阻。

图

3-1单结晶体管触发电路原理图

工作原理简述如下：

由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V1、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及等效可变电阻向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压UP时，单结晶体管V6导通，电容通过脉冲变压器原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。

同时由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Uv，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，但对晶闸管的触发只有第一个输出脉冲起作用。

电容C1的充电时间常数由等效电阻等决定，调节RP1可实现脉冲的移相控制。

单结晶体管触发电路的各点波形如图3-2所示

图3-2单结晶体管触发电路各点的电压波形

2、正弦波同步移相触发电路

正弦波同步移相触发电路由同步移相、脉冲放大等环节组成，其原理如图3-3所示。

图

3-3正弦波同步移相触发电路原理图

同步信号由同步变压器副边提供。

三极管V1左边部分为同步移相环节，在V1的基极综合了同步信号电压UT、偏移电压Ub及控制电压Uct（RP1电位器调节Uct，RP2调节Ub）。

调节RP1及RP2均可改变V1三极管的翻转时刻，从而控制触发角的位置。

脉冲形成整形环节是一分立元件的集基耦合单稳态脉冲电路，V2的集电极耦合到V3的基极，V3的集电极通过C4、RP3耦合到V2的基极。

当V1未导通时，R6供给V2足够的基极电流使之饱和导通，V3截止。

电源电压通过R9、T1、VD6、V2对C4充电至15V左右，极性为左负右正。

当V1导通的时候，V1的集电极从高电位翻转为低电位，V2截止，V3导通，脉冲变压器输出脉冲。

由于设置了C4、RP3阻容正反馈电路，使V3加速导通，提高输出脉冲的前沿陡度。

同时V3导通经正反馈耦合，V2的基极保持低电压，V2维持截止状态，电容通过RP3、V3放电到零，再反向充电，当V2的基极升到0.7V后，V2从截止变为导通，V3从导通变为截止。

V2的基极电位上升0.7V的时间由其充放电时间常数所决定，改变RP3的阻值就改变了其时间常数，也就改变了输出脉冲的宽度。

正弦波同步移相触发电路的各点电压波形如图3-4所示。

电位器RP1、RP2、RP3均已安装在面板上，同步变压器副边已在内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。

图3-4正弦波同步移相触发电路的各点电压波形

3．单结晶体管的工作原理和特性曲线

单结晶体管的发射极电流与EB间电压的关系曲线称为单结晶体管伏安特性曲线，特性曲线的测试电路如图3.5所示，方框内为单结晶体管的等效电路。

图3.5单结晶体管特性曲线的测试

单结晶体管的伏安特性曲线，如图3.5所示，可分成3个区域：

（1）截止区：

当电压UEB1

（2）负阻区：

当增加到PN结开始导通的峰点电压UP时，即

二极管D导通。

此时，空穴浓度很高的P区向电子浓度很低的N型基区注入大量空穴载流子，使RB1减小，由式（3.2）可知，UA下降，iE增大。

而UA的降低，又使PN结正偏增加，iE的增大使RB1进一步减小直至Ｖ点，形成正反馈，即出现了如PV段所示特性。

由于动态电阻为负值，故PV段称为负阻区。

V点电压UV称谷点电压，电流IV称为谷点电流。

（3）饱和区：

达到V点以后，当iE增加时，UEB1也有所增加。

这是由于P区扩散到N区的空穴浓度已达到饱和程度，RB1不会继续减小，恢复正阻特性。

所以把V点以后的区域称为饱和区。

3.2、单结晶体管振荡电路

1、如下图所示，它能产生一系列脉冲，用来触发晶闸管。

（a）电路图（b）波形图

（3.6）单结管振荡电路及波形

2.当合上开关S后，电源通过R1、R2加到单结管的两个基极上，同时又通过R、RP向电容器C充电，uC按指数规律上升。

在uC（uC=uE）

当uC达到峰点电压UP时，单结管的E、B1极之间突然导通，电阻RB1急剧减小，电容上的电压通过RB1、R1放电，由于RB1、R1都很小，放电很快，放电电流在R1上形成一个脉冲电压uo。

当uC下降到谷点电压UV时，E、B1极之间恢复阻断状态，单结管从导通跳变到截止，输出电压uo下降到零，完成一次振荡。

3．当E、B1极之间截止后，电源又对C充电，并重复上述过程，结果在R1上得到一个周期性尖脉冲输出电压，如图所示。

上述电路的工作过程是利用了单结管负阻特性和RC充放电特性，如果改变RP，便可改变电容充放电的快慢，使输出的脉冲前移或后移，从而改变控制角α，控制了晶闸管触发导通的时刻。

显然，充放电时间常数τ=RC大时，触发脉冲后移，α大，晶闸管推迟导通；τ小时，触发脉冲前移，α小，晶闸管提前导通。

需要特别说明的是：

实用中必须解决触发电路与主电路同步的问题，否则会产生失控现象。

用单结管振荡电路提供触发电压时，解决同步问题的具体办法可用稳压管对全波整流输出限幅后作为基极电源，如图所示。

图中TS称同步变压器，初级接主电源。

3.3、晶闸管的分类

晶闸管是晶体闸流管（Thyristor）的简称，谷称可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。

　晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

　　晶闸管有多种分类方法。

（1）按关断、导通及控制方式分类

晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

（2）按引脚和极性分类

　　晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

（3）按封装形式分类

晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。

其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

　　（4）按电流容量分类

　　晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。

　通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。

　　（5）按关断速度分类

　　晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。

3.4、同步环节

同步就是要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。

锯齿波是由开关管T2来控制的。

T2由导通变截止期间产生锯齿波，T2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，T2开关的频率就是锯齿波的频率。

同步环节是由同步变压器TB和作同步开关用的晶体管T2组成。

同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制它的通、断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。

其接线图如下图所示：

同步变压器TB二次电压

经二极管D1间接加在T2的基极上。

当二次电压波形在负半周的下降段时，D1导通，电容C1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T2基极为反向偏置而截止。

在负半周的上升段，+15V电源通过R1给电容C1反向充电，

为电容反向充电波形，其上升速度比uTB波形慢，故D1截止。

当Q点电位达1.4V时，T2导通，Q点电位被钳位在1.4V。

直到TB二次电压的下一个负半周到来时，D1重新导通，C1迅速放电后又被充电，T2截止，如此周而复始。

在一个正弦波周期内，T2包括截止与导通两个状态，对应锯