1、遼寧工業大學電力電子技術課程設計（論文）題目：110V/50A單相半控橋式整流電路院（系）：專業班級：學 號：學生姓名：指導教師： （簽字）起止時間：2014.06.09-2014.06.22I5夫卑本科生課程設計（論文）課程設計（論文）任務及評語院（系）：教研室： 電氣教研室學號電氣工程及其自學生姓名專業班級I動化設計題目110V/ 50 A單相半控橋式整流電路課 程 設 計（論1文2、 ）2、任3、 務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數實現功能為1臺額定電壓110V、功率為5kW的直流電動機提供直流可調電源，以實 現直流電動機的調速設計任務1、方案的經濟技術論證。2、土電路設計。3、

2、通過計算選擇整流器件的具 體型號。4、若采用整流變壓器，確定變壓器變比及容量。 5、觸發電路設計或 選擇。6、繪制相關電路圖。7、完成4000字左右的設計說明書。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理論分析與計算要止確。3、文中的圖表工整、規范。4、元器件的選擇符合要求。技術參數1、交流電源：單相220M 2、整流輸出電壓Ud在0110V1續可調。3、整流 輸出電流最大值50A。4、直流電動機負裁。5、根據實際工作情況，最小控制角 取20300左右。進度計劃第1天：集中學習；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：主 電路設計；第5天：選擇器件；第6天：確定變壓器變比及容量；第 7天：

3、確 定平波電抗器；第8天：觸發電路設計；第9天：總結并撰寫說明書；第10天： 答辯指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月日注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20%以百分制計算隨著科學技術的日益發展，人們對電路的要求也越來越高，由于生產實際中 需要大小可調的直流電源，而整流電路結構簡單，操作方便。由于電力電子技術 是電子技術和控制技術引入傳統的電力技術領域，利用半導體電力開關器件組成 各種電力變換電路實現電能和變換的控制，而構成這一學科。單相半控橋式整流 電路是電力電子電路中出現較早的一種整流電路，它的作用是將交流電變成直流 電供給直流用電設備。整

4、流電路的應用十分廣泛，例如直流電動機，電鍍，電解 電源，同步發電機勵磁，通信系統等。本次的課程設計是要完成單相半控橋式整流電路的設計，對整流電路原理及 特點進行分析，對整流器件進行參數計算并選擇出合適的器件。設計目的是為1臺額定電壓110V、功率為5kW的直流電動機提供直流可調電源，以實現直流電 動機的無級調速，因為是設計半控橋式整流電路，因此在電路中會用到晶閘管和 二極管。關鍵詞：整流電路；二極管；半控整流；橋式電路；品閘管;III5夫卑本科生課程設計（論文）第1章緒論 11.1 單相半控橋式整流電路技術概況 11.2 本文設計內容 2第2章單相半控橋式整流電路電路設計 32.1 單相半控橋

5、式整流電路宗體設計方案 32.2 具體電路設計 52.2.1 主電路設計52.2.2 觸發電路設計62.2.3 保護電路設計82.3 元器件型號選擇 112.4 MATLA的真實驗 13第3章課程設計總結 16參考文獻 17#I5夫卑本科生課程設計(論文)第1章緒論1.1 單相半控橋式整流電路技術概況電力電子學，又稱功率電子學(Power Electronics)。它主要研究各種電力電 子器件，以及由這些電力電子器件所構成的各式各樣的電路或設置，以完成對電 能的變換和控制。電力電子學是橫跨“電子”“電力”“控制”三個領域的一個新興工程技術學科。隨著科學技術的日益發展，人們對電路的要求也越來越高

6、，由于在生產實際 中需要大小可調的直流電源，而相控整流電路結構簡單、控制方便，性能穩定， 利用它可以方便地得到大、中、小各種容量的直流電能，是目前獲得直流電能的 主要方法，得到了廣泛的應用。但是晶閘管相控整流電路中隨著觸發角 口的增大， 電流中諧波分量相應增大，因此功率因數很低。把逆變電路中得PWM控制技術用于整流電路，就構成了 PWM整流電路。通過對PWM整流電路的適當控制， 可以使其輸入電流非常接近正弦波，且輸入電壓同相位，功率因數近似為1。這種整流電路稱為高功率因數整流器，它具有廣泛的應用前景。由于電力電子技術是將電子技術和控制技術引入傳統的電力技術領域，利用 半導體電力開關器件組成各種

7、電力變換電路實現電能的變換和控制，而構成的一 門完整的學科。故其學習方法與電子技術和控制技術有很多的相似之處。單相橋式整流電路是一種相對重要的整流電路，把交流電能轉換成直流電能 的一種橋式整流電路。它可以應用到很多的地方，在許多的元器件中都有用到， 范圍廣泛。1I5夫卑本科生課程設計（論文）1.2 本文研究內容課程設計內容是設計一個單相半控橋式整流電路為1臺額定電壓110V、功率為5kW的直流電動機提供直流電源。其中交流電源為單相220V、整流輸出電壓Ud 在0110V連續可調、整流輸出電流最大值 50A,同時根據實際工作情況，最小 控制角取20300左右。因此本文需要研究的是設計一個主電路、

8、控制電路、保 護電路組成的總電路。其中主電路是要設計一個單相半控橋式整流電路，控制電 路是要同步信號為鋸齒波的觸發電路，而保護電路需要過電壓保護和過電流保護 兩種。5第2章單相半控橋式整流電路設計2.1單相半控橋式整流電路總體設計方案單相半控橋式整流電路總體設計框圖如圖2.1所示圖2.1總電路整體框圖220V交流輸入部分是主要是由市電輸入， 為電路提供電源，橋式整流部分是 將220V電源經過橋式整流將之前輸入的交流電整流變換成直流電輸出。脈沖寬 度調節即調節觸發脈沖的寬度改變直流輸出電壓的大小，最后由輸出直流電源部 分為電動機提供電源。總電路由主電路、觸發電路、保護電路三部分組成。其電路圖如圖

9、2.2所示+ I 5 Vo220VTth小口<vs氏0J 口%凸工t'HF拄& H月艮廣+Qr<J * 7、V1與1金npRPi+ I 5V&尺 n帆01於H -u工v»fiKCv7VDiA/5ZVD：X YX 1接拊鎖信號RPvsZS<V本/口5空，5口VD- -vr> L 1|-14220 V36V¥%IFR.l3士4CvyoT心口VDu十中16vd" ll5VZK1叩VD,小R.%。-13"抖J?17%7 5V圖2.2VDiA7ZVD接封繳信號總電路圖I5夫卑本科生課程設計(論文)2.2具體電路設計2

10、.2.1 主電路設計在單相式全控橋式整流電路中，每一個導電回路中有兩個晶閘管，即用兩個 品閘管同時導通以控制導電的回路。實際上為了對每個導電回路進行控制，只需 一個品閘管就行，另一個品閘管可用二極管代替，從而簡化整個電路。如圖 2.3 所示：圖2.3單相半控橋式整流電路與全控橋時相似，假設負載中得電感很大，且電路已工作在穩態。在 也正 半周，觸發角a處給晶閘管VT1加觸發脈沖， 必經VTi和VD4向負載供電。也過 零變負時，因電感作用是電流連續， VTi繼續導通，但因a點電位低于b點電位， 是得電流從VD4轉移至VD2, VD4關斷，電流不再流經變壓器的二次繞組， 而是由 VTi和VD2續流。

11、此階段，忽略器件的通態壓降，則 Ud=0,不像全控橋時出現Ud 為負的情況。在U2的負半周觸發角。時刻觸發VT3, VT3導通，則向VTi加反壓使之關斷， U2經VT3和VD2向負載供電。必過零變正時，VD4導通，VD2關斷。VT3和VD4續 流，Ud又為零，此后重復以上過程。該電路在實際應用中，需加設續流二極管VDr,以避免可能發生的失控現象。 實際運行中，若無續流二極管，則當口突然增大至180°或觸發脈沖丟失時，會發 生一個晶閘管持續導通而兩個二級管輪流導通的情況，這使Ud成為正弦半波，即半周期Ud為正弦，另外半周期Ud為零，其平均值保持恒定，相當于單相半波不 可控整流電路時的波

12、形，成為失控。例如當 VTi導通時切斷觸發電路，則當U2變負時，由于電感作用，負載電流由 VTi和VD2續流，當U2又為正時，因VTi是導通 的，U2又經VTi和VD4向負載供電，出現失控現象。有續流二極管VDr時，續流過程由VDr完成，在續流階段品閘管關斷，這就 避免了某一個晶閘管持續導通從而導致失控現象。同時，續流期間導電回路中只 有一個管壓降，少了一個管壓降，有利于降低損耗。15 Vo% 5 11cV% -V%Cvs25VD7 ”不 小+ 15V尸二y 510=(-3<V,R.RPi64%T 5 VWivTVDA 接封鎖信號 -15V圖2.4觸發電路2.2.2 觸發電路設計本課設采

13、用的觸發電路為相位控制晶閘管的觸發電路，并以同步信號為鋸齒 波的觸發電路作為控制電路，如圖 2.4所示。此電路可分為六個基本環節：脈沖 的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環節、雙窄脈沖形成環節、強觸 發環節、封鎖環節。本課設主要以脈沖形成、脈沖移相、同步作介紹。(1)脈沖形成環節脈沖形成環節由晶體管V4、V5組成，w、V8起脈沖放大作用。控制電壓Uco 加在V4基極上，電路的觸發脈沖由脈沖變壓器 TP二次側輸出，其一次繞組接在V 集電極電路中。當Uco=0時，V4截止。+Ei電源通過Rii供給V5一個足夠大的基極電流，使Y 飽和導通，所以V5的集電極電壓Uc5接近于-Ei。V7、乂處于

14、截止狀態，無脈沖輸 出。另外，電源的+Ei (15V)經&、V5發射結到-Ei (-15V),對電容C3充電， 充滿后電容兩端電壓接近 2E1 (30V)。當控制電壓Uco0.7V時，V4導通，A點電位由+E1 (+15V)迅速降低至1.0V 左右，由于電容C3兩端電壓不能突變，所以V5基極電位迅速降至約-2E1 (-30V), 由于V5發射結反偏置，V5立即截止。它的集電極電壓由-E1 (-15V)迅速上升到 +3.1V(VD6、V7、V8三個PN結正向壓降之和)，于是V7、V8導通，輸出觸發脈 沖。同時，電容C3經電源+匕、R11、VD4、V4放電和反向充電，使V5基極電位 又逐漸

15、上升，直到Ub5» -E1 (-15V), V5又重新導通。這時Uc5又立即降到-E1 , 使V7、V8截止，輸出脈沖終止。可見，脈沖前沿由 V4導通時刻確定，V (或V6) 截止持續時間即為脈沖寬度。所以脈沖寬度與反向充電回路時間常數R11、C3有關。(2)鋸齒波的形成和脈沖移相環節鋸齒波的形成和脈沖移相環節中，鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉 式電路、包流源電路等。如圖所示為恒流源電路方案，由V1V2 V3和C2等元件組成， 其中V,、Vs、RB、和R3為一恒流源電路(3)同步環節在鋸齒波同步的觸發電路中，觸發電路與主電路的同步是指要求鋸齒波的頻 率與主電路電源的頻率相同且相

16、位關系確定。從圖可知，鋸齒波是由開關V2管來控制的。V2由導通變截止期間產生鋸齒波，V2截止狀態持續的時間就是鋸齒波的 寬度，V2開關的頻率就是鋸齒波的頻率。要使觸發脈沖與主電路電源同步，使V2的開關頻率與主電路電源頻率同步就可達到。圖中的同步環節，是由同步變壓器 TS和作同步開關用的晶體管V2組成的。同步變壓器和整流變壓器接在同一電源 上，用同步變壓器的二次電壓來控制 V2的通斷作用，這就保證了觸發脈沖與主電 路的電源同步。同步變壓器二次電壓Uts經二極管VD1間接加在V2的基極上。當二次電壓波形 在負半周的下降段時，VD1導通，電容C1被迅速充電。因。點接地為零電位，R 點為負電位，Q點電

17、位與R點相近，故在這一階段V2基極為反向偏置，V2截止。 在負半周的上升段，+E1電源通過R1給電容G反向充電，Uq為電容反向充電波形， 其上升速度比Uts波形慢，故VD1截止。當Q點電位達1.4V時，V2導通，Q點電 位被鉗位在1.4V。直到TS二次電壓的下一個負半周到來時，VD1重新導通，G迅 速放電后又被充電，V2截止。如此周而復始。在一個正弦波周期內，V2包括截止與導通兩個狀態，對應鋸齒波波形恰好是一個周期，與主電路電源頻率和相位完 全同步，達到同步的目的。可以看出，Q點電位從同步電壓負半周上升段開始時8I5夫卑本科生課程設計（論文）刻到達1.4V的時間越長，V2截止時間就越長，鋸齒波

18、就越寬。可知鋸齒波的寬 度是由充電時間常數RG決定的。2.2.3 保護電路設計電力電子系統在發生故障時可能會發生過流、過壓，造成開關器件的永久 性損壞。過流、過壓保護包括器件保護和系統保護兩個方便。檢測開關器件的 電流、電壓，保護主電路中得開關器件，防止過流，過壓損壞開關器件。檢測 系統電源輸入、輸出及負載的電流、電壓，實時保護系統，防止系統崩潰而造 成事故。例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器，壓敏電阻等。冉 一種則是采用電子保護電路，檢測設備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或 輸入電流超過允許值時，借助整流觸發控制系統使整流橋式電路短時間內工作 于有源逆變工作狀態，從而抑制過電壓

19、或過電流的數值。過電流保護：當電力電子變流裝置內部某些器件被擊穿或短路； 驅動、觸發電路或控制電 路發生故障；外部出現負載；直流側短路；可逆傳動系統產生逆變失敗；以及交 流電源電壓過高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作電流，即 出現過電流。因此，必須對電力電子裝置進行適當的過電流保護。采用快速熔斷器作過電流保護，如圖2.5所示。熔斷器是最簡單的過電流保 護元件，但最普通的熔斷器由于熔斷特性不適合，很可能在晶閘管燒壞后熔斷器 還沒有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發生過電流可及時熔斷起 到保護作用。最好的辦法是品閘管元件上直接用快速熔斷器，因流過快速熔斷器 電流和品閘管的

20、電流相同，所以對元件的保護作用最好，這里就應用這一方法。A圖2.5過電流保護電路過電壓保護：設備在運行過程中，會受到交流供電電網進入的操作過電壓和雷擊過電壓的 侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現。過電壓保護的一種方法是并接 R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻等非線性 元件加以抑制。如圖2,6所示圖2.6過電壓保護電路電流上升率、電壓上升率的抑制保護：品閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區域，局部電流很大,然后以一定的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，若晶閘管開通時電流上升率 di/dt過大，會導致PN結擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍10I5夫卑

21、本科生課程設計(論文)內。有效辦法是在品閘管的陽極回路串聯入電感。如圖 2.7所示圖2.7電流上升率抑制保護電路加在品閘管上的正向電壓上升率 dv/dt也應有所限制，如果dv/dt過大，由 于晶閘管接電容的存在而產生較大的位移電流，該電流可以實際上起到觸發電流 的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴重時引起品閘管的誤導通，有效辦法可 以在晶閘管兩端并聯R-C吸收回路。如圖2.8所示圖2.8 R-C吸收回路2.3元器件型號選擇單相半控橋式整流電流(阻感負載)與單相全控橋式整流電路的電阻負載時 的工作情況相同。直流輸出電壓平均值：1 11 cos JiU d = -. 2U 2 sin t( t)

22、=0.9U 2直流輸出電流平均值:, U d U d 1 cos：I d 二 0.9R R 2流經晶閘管的電流有效值:I VTsin - .t)2 d (- ,t)變壓器二次有效值:1 二.2U 22U 2二 Y R sinwdJt-R居sin+冗-a31參數計算：; P 出=U d I d二 2 . 4,J輸出電流平均值:110 V2.411=45 .8 A流過晶閘管電流有效值：；)U 21 sin 2 - 48 .9A、2 R . 2 二二變壓器二次側電流有效值：,1 二, . 2U 2 .,、2U 2112 =(sin t) d (;.-,- t)sin 2: =69.1 A，二二 RR

23、 i 2 二二器件選擇：品閘管的額定電流：I N = IVT (1.5 2) =46.7A 62.2A1.57這里取2倍安全電流儲備，并考慮品閘管元件的額定電流，所以選擇額定電 流為100A的晶閘管。12I5夫卑本科生課程設計（論文）品閘管的額定電流：UN = .2U2(2 3) = 622.3V 9334V這里取2倍安全電壓儲備，并考慮品閘管元件的額定電壓，所以選擇額定電 壓為1000V的晶閘管。通過在網上查詢的資料顯示，額定電壓為1000V和額定電流100A的參數的品閘管可以出自同一種型號的晶閘管。保護電路的晶閘管阻容吸收的計算表格如表 2.1所示：表2.1阻容吸收計算表格兒胃 10001

24、5002001005o 2010電容 uF210.50.250.2L150.1電阻 Q2510204080100保護電路阻容吸收網絡的電阻大小為 20歐姆，電容為0.25 uF142.4 MATLA的真實驗啟動MATLAB打開Simulink ,新建文件，根據單相橋式半控整流電路所需的 元器件添加相應的控件并連線，完成仿真圖的繪制。繪制完成后的仿真圖如圖2.9 所示。圖2.9 單相半控橋式整流電路的MATLA昉真圖由前面的計算我們已經知道，當觸發角 口從0連續變化到1800時，對應的直 流輸出電壓逐漸變小。圖2.10、2.11、2.12、2.13分別給出了控制角口為0、 45°、90

25、°、1800時的仿真波形圖。從上到下的分別是電源電壓 U、晶I、管VT1的觸發脈沖P1、晶閘管VT3的觸 發脈沖P2、流經晶閘管VT1的電流Id1、流經晶閘管VT3的電流Id2、輸出電壓Ud 的波形。所產生的波形與理論波形相同，符合設計要求。4 % /噂，尊本科生課程設計（論文）5uu i v r > r i i i F" ! ! ! r r i> r i nr i r i n P_. i i r i i r i i i r ,i b i a r ,( a n r i i 5口口iiii卜D 0.010.020.030 040.05D,060,070.090 0

26、901-!1n11n111；：':i;i:i；ii巾D 0010.020030.040 050.060.070.090 0901D 0.010.020030.040.050.D&0,070.080 0901D 0.010.02。口30.040.050口60.070.030 090.150I_ iiI_ Ir_ II_ iI_Q . , , ,-一，一一，- r_. ,、.5 0 Iii口 C.O1 Q02Q口30.040.05 OUS 0.070.030.090.1400200000,010.020.030.040.05 OJB 0.070.0S0.090.1圖2.10 觸發角

27、a =0時的仿真波形圖2.11 觸發角a =450時的仿真波形15本科生課程設計（論文）900I11TI1rrn 乙二二.>?<77T7C. JI5QQii00.010.020.030.040050.0G0,070.08 0Cfi 0.12 rtiiT1rrTI:丁. .:/ I <-Ia CH0L020.030.040.050.060,070.080.0901I1 . . . Jiii-.111二八1 1ji 1 ii 11 ii1 ii 1 a. QI 0,1020.030.040.05 OJOE 0.070.080.0901qn,JU Z_ II I IH I»

28、; IH |口一. f_n-.,r->,._I50o o.ai aoa o.o3 0.04 o.as aoe 0.0700g a. 0901o._r?xj_J_n>_odl_50iiiiiIi0 O.LTI Q020.030.04 O,D5 OlOE 0.070.090 0901o. rr?>rrrs；r?>+os,r>>rr?rrr>,tt>srr>al50cli11i11i00.01D.020,030.040.050.0E0,070.090.090.1圖2.12 觸發角a =900時的仿真波形50o o.02IO.03Q4 o.15Q060107Q08o.dIJ.o. 01 -Q02OL03QI04 E ;Jo0107Q._ _ _ o 2 10oilo. 0203QO.O4J5o.07Q9 Icr1III111I111ii-：；'一廠-kii1iiiiiii01 o03Q4o.旺o.OE0107o.IHQ09Q111111111|一一_三:_上_.二一一一 一二一一一一j-'1占dii1ii1io o.03Q05o.06Q07口ou o 口09o.o.5050Iin1iiri.- 1 1