单相桥式整流电路.docx

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单相桥式整流电路

单相桥式整流电路

电力电子技术课程设计说明书

单相桥式整流电路的设计

院、部：

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职称

专业：

班级：

完成时间：

1绪论

1.1设计的背景与意义

整流电路（rectifyingcircuit）把交流电能转换为直流电能的电路。

大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。

滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。

变压器设置与否视具体情况而定。

变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

主要的分类方法有：

按组成的期间可分为不可控，半控，全控三种；按电路的结构可分为桥式和零式；按交流输入相数分为单相和多相；按变压器二次侧电流的方向是单向还是双向，又可分为单拍和双拍。

1.2整流电路的发展与应用

电力电子器件的发展对电力电子的发展起着决定性的作用，不管是整流器还是电力电子技术的发展都是以电力电子器件的发展为纲的，1947年美国贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一次革命；1957年美国通用公司研制了第一个晶闸管，标志着电力电子技术的诞生；70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展，把电力电子技术推上一个全新的阶段；80年代后期，以绝缘极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起，成为了现代电力电子技术的主导器件。

另外，又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）,随着全控型电力电子器件的发展，电力电电路的工作频率也不断提高。

1.3本设计主要内容

课题设计的是一个单相桥式整流电路。

确定方案，通过方案来设计各个单元电路，如触发电路、保护电路等。

根据要求计算参数，包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算，输出波形分析，器件额定参数确定等。

完成这些后，将各个单元电路衔接起来，并完成主电路的设计。

然后再用MATLAB软件建立仿真模型，设置了模型的参数，并进行了仿真仿真，仿真结果证明了设计的正确性。

2单相桥式整流主电路的设计

2.1单相桥式整流电路原理

主电路原理图如图1所示。

图1主电路原理图

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。

整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。

2.2单相桥式整流电路参数选择

由于单相桥式全控整流带电感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。

2.2.1晶闸管的主要参数

①额定电压UTn

通常取UDRM和URRM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，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压

（1）

UTn≥（2～3）UTM

UTM：

工作电路中加在管子上的最大瞬时电压

②额定电流IT（AV）

IT（AV）又称为额定通态平均电流。

其定义是在室温40°和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。

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。

ITn：

额定电流有效值，根据管子的IT（AV）换算出，

IT（AV）、ITMITn三者之间的关系：

（2）

（3）

波形系数：

有直流分量的电流波形，其有效值

与平均值

之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。

（4）

额定状态下，晶闸管的电流波形系数

（5）

晶闸管承受最大电压为

考虑到2倍裕量，取400V.

③通态平均管压降UT（AV）。

指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.4～1.2V。

2.2.2变压器的选取

根据参数计算可知:

变压器应选变比为2,容量至少为24.2V·A。

2.3单相桥式整流电路性能指标

整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：

一个是反映转换关系的用整流输出电压的平均值表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的，称为纹波系数。

（1）整流输出电压平均值

=

=

=

（6）

（2）纹波系数

纹波系数

用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即

（7）

3单元电路的设计

3.1触发电路的设计

3.1.1单结晶体管

单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。

在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。

其结构，符号和等效电如图2所示。

图2单结晶体管原理

3.1.2单结晶体管的特性

两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。

Rb1——第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而变化，rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关；发射结是PN结，与二极管等效。

若在两面三刀基极b2，b1间加上正电压Ubb，则A点电压为：

UA=[rb1/（rb1+rb2）]Ubb=（rb1/rbb）Ubb=ηUbb（8）

式中：

η——称为分压比，其值一般在0.3—0.85之间，如果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图3：

图3单结晶体管的伏安特性

（1）当Ue〈ηUbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。

（2）当Ue≥ηUbb+UDUD为二极管正向压降（约为0.7V），PN结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ue相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。

管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对应的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Ip和峰点电流Ip。

Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然Up=ηUbb。

（3）随着发射极电流Ie的不断上升，Ue不断下降，降到V点后，Ue不再下降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压Uv和谷点电流Iv。

（4）过了V后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢的上升，显然Uv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ue〈Uv，管子重新截止。

单结晶体管的主要参数

（1）基极间电阻Rbb发射极开路时，基极b1，b2之间的电阻，一般为2-10千欧，其数值随温度的上升而增大。

（2）分压比η由管子内部结构决定的参数，一般为0.3--0.85。

（3）eb1间反向电压Vcb1b2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。

（4）反向电流Ieob1开路，在额定反向电压Ucb2下，eb2间的反向电流。

（5）发射极饱和压降Ueo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。

（6）峰点电流Ip单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电流。

3.2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：

（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。

为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管频率始终是一致的。

触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。

只有根据各晶闸管供电电压的相位正确决定各触发电路同步电压uTS的相位，才能保证各晶闸管有相同的控制角α，相同的输出电压波形。

正确选择同步电压相位，叫做晶闸管电路的同步或定相，它是变流装置设计、安装、调整、维护中的重要问题。

锯齿波同步触发电路的同步电压uTS和晶闸管的供电电压之间的相位关系分析如下：

据单相电路要求移相范围00～1800，即要求触发电路在正半波范围内发出脉冲。

由此可见，为保证触发电路与主电路的同步，其晶闸管的供电电压和触发电路的同步电压uTS相位差1800。

3.2.1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4-4（a）所示。

3.2.2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4（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4（b）所示，其震荡频率为：

f=1/T=1/ReCln（1/1-η）（9）

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

图4单结晶体管触发电路及波形

4仿真调试

4.1仿真软件的介绍

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

丰富的可扩充的预定义模块库交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理通ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成使用EmbeddedMATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式（Normal,Accelerator,RapidAccelerator）来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。

4.2仿真模型建立

启动MATLAB，进入SIMULINK后建文档，绘制单相桥式全控整流电路模型如图12所示，双击各模块，在出现的对话框内设置模块。

图12单相桥式可控整流电路仿真电路图

设置好各模块参数，单击工具栏“Simulation”菜单下的“Start”命令进行仿真。

双击各模块，得到仿真结果。

4.3仿真结果

脉冲为0度、30度、60度、90度时仿真结果分别如图13、图14、图15、图16所示。

图130度仿真波形图

图1430度仿真波形图

图1560度仿真波形图

图1690度仿真波形图

结束语

学习电力电子技术这门课已经一个学期了，正所谓“纸上得来终觉浅”，通过本次课程设计，我对直流降压斩波电路有了深刻的了解，从主电路的设计到触发电路的设计，从元器件的选择到Matlab仿真，使我深感自己知识的不足，但通过到图书馆查阅相关资料以及浏览相关网站使我增长了不少的知识，详细阅读当然是不现实的，我选取了一部分跟这次课程设计有关的内容进行了解，最终成功完成了直流降压斩波电路的设计。

关于本次的课程设计，刚开始我选用了Multisim软件，以前电路实验我有用过这个软件，我用的版本是multisim10,里面的芯片还是挺齐的，唯一的遗憾就是没有SG3525芯片，于是我用了一个16个接线头的集成电路模拟，在仿真的时候我用输入矩形波代替了SG3525，不过仿真过程不太顺利，老是有错误出现无法运行，这让我有些泄气。

于是我决定还是用Matlab中的Simulink来完成仿真这一块。

WPS文字编辑也越熟练了。

电脑上仿真差不多以后我又到学校的实验室对电路进行了实际接线，其实在平时的实验中我有做过Buck电路，实验台上的器件也很齐全，接线也比较容易，所以完成得比较顺利。

当然在设计的过程中也遇到了很多的问题，比如在计算元器件参数是缺少理论依据难以正确的计算相应的参数；在选取元器件型号和参数时，缺少实际经验难以找到合适的元件；在用MATLAB软件仿真是遇到了许多操作上的问题，致使仿真花费的很多时间才达到有效效果。

虽然遇到了许多的困难但是我还是通过不断的学习解决了这些难题。

参考文献

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致谢

在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。

首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。

在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力，巩固了电力电子技术这门课。

其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计的难题。

同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。

最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。

附录

附录A元件清单

元器件

备注

数量

整流变压器

变比为2，容量至少为2.464kv·A

1个

晶闸管

KP20-4

4个

电阻

其中主电路负载电阻最大为500Ω

若干个

电感

主电路负载700mH

1个

电位器

SW-SPDT

2个

二极管

14个

同步变压器

1个

芯片

TCA785

1块

熔断器

熔断电流为15A

4个

电容

若干个

脉冲变压器

2个

附录B主电路图