中南大学电力电子课程设计晶闸管整流.docx
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中南大学电力电子课程设计晶闸管整流
电力电子技术
课程设计报告
任课老师：
杨建老师
课题名称：
单相双半波晶闸管整流电路的设计（反电势、电阻负载）
设计者：
程壹涛
班级：
电气试验1301
学号：
**********
时间：
2015-12-05
一、课题选择
1.1 课题名称
1.2 设计条件
1.3 任务要求
二、方案设计
2.1 原理框图
三、主电路原理设计
3.1主电路中各元件参数的计算
3.2变压器的参数计算
3.3闸管电路对电网及系统功率因数的影响
四、整流电路原理及设计
4.1整流元件的选择
4.2电流定额（I NVT）的计算
五、触发电路的选择、原理及设计
5.1相控触发芯片的选择
5.2相控触发工作原理及电路原理图
六、保护电路的工作原理及元器件的选择
6．1保护电路的工作原理
6.2保护电路元器件的选择
七、MATLAB仿真实验
7.1模型的建立
7.2模型电路参数的设置
7.3模型电路参数对系统的影响
7.4模型电路的波形显示
7.5波形分析
八、本次设计总结
九、参考文献
十、附录
一、课题选择
1.1课题名称
单相双半波晶闸管整流电路的设计（反电势、电阻负载）
1.2设计条件：
（1）电源电压：
交流100V/50Hz
（2）输出功率：
5000W
（3）移相范围30°~150°
（4）反电势：
E=70V
1.3任务要求：
（1）主电路设计（包括整流元件定额的选择和计算等）,讨论晶闸管电路对电网及
系统功率因数的影响。
（2）触发电路设计。
触发电路选型（可使用集成触发器），同步信号的产生等。
（3）晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计,计算保护元件参数并选择保护
元件型号。
（4）提供系统电路图纸不少于一张。
（5）利用仿真软件分析电路的工作过程。
二、具体方案设计
2.1 原理框图
该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发电路
构成。
输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故
障时，不至于伤害到晶闸管和负载。
在电路中还加了防雷击的保护电路。
然后将经
变压和保护后的信号输入整流电路中。
在电路中,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护,而过压保护则
采用 RC 电路。
整流部分电路则是根据题目的要求，我们选择学过的单相全波整流
电路。
该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功
能。
单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大，而且由于是直接触发电路它的
结构比较简单。
一方面是方便我们对设计电路中变压器型号。
三、主电路原理及设计
3.1主电路中各元件参数的计算
单相全波整流带反电动势电阻负载电路如图 所示。
波形图如下图所示
根据图中可知，单相全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出电压相同，
其中β=π/6。
设电阻值的大小为R
由条件可以得到：
（1）U 2 的幅值为：
√2U 2•sin（π-β）=E√2U 2=E/sin（π-β）=140V
U 2=99
（2）在一个周期内，任意 t时刻所求的瞬时功率分为两部分：
3.2变压器的参数计算
（1）变压器二次侧电压的计算：
在变压器一次侧接入100V/50Hz的电源电压，输出功率5000W，移相范围：
30°-150°。
经过计算，R=0.766Ω,变压器二次侧的电压值有效值为：
2U2=198V。
其频率为50Hz。
（2）变压器一二次侧电流的计算：
N1
根据条件有， N2
=
U1
2U 2
=
1
2 ，当变压器二次侧绕组的一半有电流通过时，且二
次侧电流的有效值 I2 = 53.8A ，此时变压器一次侧电流的有效值为：
I1 = I2 = 53.8A
（3）变压器容量的计算：
S = U1I1 = 100V ⋅ 53.8A = 5.38kVA
（4）变压器型号的选择：
N1 :
N2 = 1:
2S = 5.38kVA
3.3闸管电路对电网及系统功率因数的影响
功率因数是供电系统的一个非常垂要的运行指标。
功率因数提高可降低电力系统的电能损耗和电压损耗，使电源容量得以充分利用由于相控型晶闸管电力变流器造成电网电压波形畸变,产生高次谐波和功率因数变差,成为供电系统的一大公害,影响电网的供电质量,因此,必须采取措施,以减小其不良影响。
1 晶闸管影响功率因数的分析：
晶闸管装置的功率因数是交流侧的有功功率P1与视在功率S1之比（COSф=P1/S1）。
以单相全控桥式电路为例,不计变压器的漏抗,比接大电感负载（即电流平直）,当电路工作在整流状态时,交流侧电压U1与电流i1的波形如下图所示：
整流装置的S1=U1I1（U1，I1为有效值）,由于Ul是正弦波,而I1是非正弦波,因此从电网输人有功功率:
P1=U1*I11*COSф1
式中：
I11——变压器一次侧电流基波分量I11的有效值。
COSф1——位移因数,基波电流I11与电压U1相位差角的余弦.
则功率因数为:
COSф=P1/S1=U1*I11*COSф1/U1I1=I11/I1*COSф1
I11/I1为电流畸变系数,表示电流波形中所含高次谐波的程度。
它与整流变压器、电路型式以及负载性质有关。
I11/I1越接近于1,电流波形就越接近于正弦波。
其次,由图1可看出当忽略换相重叠角时,COSф=COSa。
可见晶闸管整流装置不像其他电气设备,它的功率因数与负载性质无直接关系,而主要取决于控制角的余弦。
考虑换相重叠角y,COSф1不仅与a有关,而且与y有关。
a越大,下越大,则COSф1越低。
晶闸管装置工作在有源逆变状态时,COSф1将随着逆变角召的增大而降低。
2 提高功率因数的措施
从以上分析可知,要提高晶闸管装置的功率因数,就要设法减小高次谐波、控制角a和换相重叠角y。
而晶闸管整流装置就是利用改变a来调压的。
要获得低电压,a自然要大,势必使功率因数降低。
因此,要使晶闸管装置在低电压下仍有较高的功率因数,则必须采取下述措施：
（1）采用小控制角（逆变角）
运行对于需要长时间工作在低电压下且相对稳定的负载,可采用改变整流变压器的二次抽头或采用星一三角变换等方法降低变压器二次侧电压,这样就可使晶闸管装置输出低电压时可工作在小控制角下;需要输出高电压时,升高交流侧的电压。
这样就能使晶闸管装置尽量运行在小控制角状态。
（2）增加整流电路的相数
整流电路的相数越多,电流中的高次谐波的最低次数越高,且其幅值也减小,畸变因数更接近于1,从而提高了功率因数。
（3）设置补偿电容器
当补偿电容器与晶闸管整流装置并联时,使功率因数得以改善。
但采用这种方法应注意,由于电路中存在高次谐波,如果电容与电路里的电感配合不当,就会产生谐振。
为此,在补偿电容器回路中往往串联电抗器,合理选择电感值,可防止谐振产生。
四、整流电路原理及设计
4.1整流元件的选择
由于单相双半波整流带阻性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。
晶闸管的主要参数如下：
（1）电压定额U NVT
①断态重复峰值电压 U DRM
断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值
时，允许重复加在器件上的峰值电压。
②反向重复峰值电压U RRM
反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值
时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。
③通态（峰值）电压UTM
通常取U DRM 和U RRM 中较小的，再取靠近标准的电
压等级作为晶闸管型的额定电压在选用管子时，额定电压要留有一定裕量，应为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的 2～3 倍，以保证电路的工作安全。
晶闸管的额定电压 UTM = min（U DRM ,U RRM ）
U NVT ≥ （2 ~ 3） ⋅ 2√2U 2 = 560 ~ 840V
取 U NVT = 800V
U NVT ：
工作电路中加在管子上的最大瞬时电压
4.2电流定额 I NVT
通态平均电流 IT （ AV ） ，其定义是晶闸管在室温 40°和规定的冷却条件下，结温不超过额定结温时所允许的流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。
晶闸管的选择原则：
①所选晶闸管电流有效值 IVT 大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。
②选择时考虑（1.5～2）倍的安全裕量。
即
则晶闸管的额定电流为 I NVT = 40 A 。
在本次设计中选用 2 个 KP50-10D 的晶闸管。
五.触发电路原理及设计
5.1 相控触发芯片的选择
相控触发电路芯片选择 KJ004 集成触发电路芯片构成的集成触发器 KJ004 可控
硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅
的双路脉冲移相触发。
器件输出两路相差 180 度的移相脉冲,可以方便地构成全控
桥式触发器线路。
电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡
性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。
芯片
KJ004 的原理图如图所示：
芯片 KJ004 有 12 个引脚，其封装引脚图如图 所示：
该芯片的引脚功能如表所示：
5.2相控触发工作原理及电路原理图
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：
①触发信号可为直流、交流或脉冲电压。
②触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。
③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。
④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。
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 所示。
六、保护电路的工作原理及元器件的选择
6．1保护电路的工作原理
①过电流保护：
过电流保护就是当电流超过预定最大值时，使保护装置动作的一种保护方式。
当流过被保护原件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动，并用时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号。
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；外部出现负载过载；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。
②过电压保护：
过电压保护是当电压超过预定最大值时，使电源断开或使受控设备电压降低的一种保护方式。
设备在运行过程中，会受到由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，因此，必须对电力电子装置进行适当的过电压保护。
晶闸管的过流、过压保护电路如图 所示。
6.2保护电路元器件的选择
过变压器二次侧保护，采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。
选择快速熔断器应考虑：
①电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定，取 800V 电压值。
②电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。
快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。
③快熔的tI2值应小于被保护器件的最大允许tI2max值
④为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。
因为晶闸管的额定电流为 40A,快速熔断器的熔断电流大于 1.5 倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为 60A。
选择型号为 KH000-63A/1000V AC。
对过电压、过电流保护，采用并联 RC 电路的方式，对电阻和电容大小选取的计算式如下：
①电容 C 的选择：
C = （2.5 ~ 5） ⋅10−8 ⋅ I NVT = 1 ~ 2∝F
所以选择2uF的电容
②电阻 R 的选择：
R = （2 ~ 4） ⋅ 535 （0.367 ⋅ I2 ） = 54.2 ~ 108.4Ω
选择 80Ω 电阻
七、 MATLAB 仿真实验
7.1模型的建立
单相双半波晶闸管整流电路模型主要由交流电源、同步触发脉冲、反电动势电阻负载、测量等部分组成。
采用 MATLAB 面向电气原理结构图方法构成的单相双半波整流电路仿真模型如图 所示。
单相双半波整流电路MATLAB仿真模型
7.2模型电路参数的设置
在搭建好图示的单相双半波整流电路之后，需要对电路中各个元器件的参数进行设置。
1 双击Series RLC Branch元件，选择Branch type为R，即只含有电阻，并且设置Resistance （Ohms）参数为0.766。
2 双击反电动势负载器件DC Voltage Sourced，设置参数Amplitude （V）为70。
3 在电路中用到的双半波模型可以用两个交流电压AC Voltage Source代替，双击元件，修改峰值电压参数Peak amplitude （V）为140，设置频率Frequency （Hz）为50。
4 控制晶闸管的触发脉冲Pulse Generator只需要一个，双击之后，设置其参数Period （secs）为0.01，即频率为100Hz；设置参数PulseWidth的数值为10，即占空比为10%；设置参数Phasedelay （secs）的值，可以通过控制延时时间来控制晶闸管的触发角。
7.3模型电路参数对系统的影响
在此整流电路中，对系统性能以及稳定性有影响的参数主要有触发脉冲的频率，触发脉冲的占空比，触发脉冲的延时时间。
1 频率
因为此整流电路为双半波整流，需要在正负半周各有一次晶闸管的切换，而两个交流电源为相位相同，频率为50HZ的正弦波，所以由此可知，触发脉冲频率应为100HZ，即将周期设为0.01s.否则电路无法按照预期结果运行。
2 占空比
占空比直接影响到晶闸管能否导通，因为晶闸管导通需要一定宽度的触发脉冲，而且脉冲前沿要陡，一开始的时候，默认的5%的占空比不足以使晶闸管正常导通，导致没有波形输出。
在10%左右的时候才可以正常导通。
3 延时时间
延时时间是通过脉冲周期来算的，通过此来控制触发脉冲延后正弦波多长时间，即触发角的大小。
7.4模型电路的波形显示
通过设置不同的触发角，观察仿真电路的波形，主要观察电压源波形、输出电路中的电压波形、电流波形以及电阻负载两端的电压波形。
注：
从上到下波形依次是：
输入交流电压（正弦波）
负载和反电动势电压
负载电流
反电动势电压
负载电压
（1）触发角为15°
（2）触发角为30°
（3）触发角为36°
（4）触发角为45°
（5）触发角为60°
（6）触发角为90°
（7）触发角为120°
（8）触发角为135°
（9）触发角为150°
（10）触发角为165°
7.5波形分析
1 从图中的的波形图可以看出，输出电流在一个周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。
2 当触发角0≤α≤30°时，触发脉冲到来，因为反电动势的作用使晶闸管承受负电压，不可能导通。
α>30°时，为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当ωτ=δ时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。
这样，相当于触发角被推迟了 δ。
但是当150°≤δ≤180°时，触发脉冲到来，晶闸管承受负电压，依旧不可能导通，即晶闸管在150°≤ωτ≤180° 段内截止。
3 如上图所示，α=30°时，晶闸管并没有导通，负载承受的就是电源电压减去反电动势电压；
α=36°时，波形上出现了一段陡峰，说明晶闸管已经开始正常工作了，说明，移相范围为α>30°;
α>=150°后，整流波形不再有输出，负载电压和电流为0；说明移相范围为30°≤α≤150°，符合要求。
4 当负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。
一般在主电路的直流输出侧串联一个平波电抗器，用来简绍电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。
八、本次设计总结
本次电力电子课程设计我们真切地感受到了电力电子技术的奇妙性和知识的无穷无尽，我们在设计过程中遇到了很多困难，主要是对电力电子技术掌握得不是很熟悉，后来我们两个人就把这本书上的内容系统地看了一遍，对其中的主要内容以及框架结构就有了很深的了解，然后我们又把以前学习的MATLAB的相关知识熟悉了几次，这样我们对此次的设计就得心应手了，接着我们做这个设计的过程中顺利了许多。
通过单相双半波整流电路的设计，使我加深了对单相双半波晶闸管整流电路的
理解，并且对电力电子该课程产生了浓厚的兴趣。
对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，而知识的积累源于对
书本的了解。
应该不断地查找、搜集资料，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。
平时考
试中对晶闸管的各个参数进行过计算，而本次的课程设计则是把理论知识应用到实
践中去，通过对实际情况的考虑，对这种计算过程的影响更加的深刻。
在算出元件的各个参数之后，则是对电路中的各个元器件选型，这一步也很关
键。
仅仅在电脑上呢仿真成功是不够的，需要实际做出成品，而实际情况则需要考
虑更多的因素，这需要选择的元器件满足计算出来的参数的要求。
而若要实际设计
的电路能够持久稳定地运行，需要设计保护电路，以防止过电压或是过电流对元器
件造成损害。
通过这次课程设计我对于文档的编排格式、原理图有了一定的了解，这对于以
后的毕业设计及工作需要都有颇大的帮助，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。
九、参考文献
1.《电力电子技术（第 5 版）》 王兆安、刘进军主编。
机械工业出版社
2.《电工学的 MATLAB 实践》黄忠霖主编。
国防工业出版社
3.《单相双半波可控整流稳压器的研制》高明玲、张学义
4.《晶闸管桥式半控整流电路详解》王海欣、黄海宏、唐海源、吴黎丽
5.《晶闸管整流电路仿真实验》李艳
6.《单相双半波可控整流稳压发电装置的研究》张学义、 高明玲、张亮修
7.《晶闸管整流电路电抗器电感的测定方法》赵风金、刘永红
附录Ⅱ 电路中元器件的型号及参数表
单相双半波整流电路主电路
元器件
型号或参数
元器件
型号或参数
FU1
KH000-63A/1000V AC
FU2
KH000-63A/1000V AC
R1
80Ω
R2
80Ω
C1
2uF
C2
2uF
VT1
KP50-10D
VT2
KP50-10D
R
0.766Ω
E
70V
晶闸管触发电路
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