1、信息工程學院電力電子學課程設計報告書題目:單相橋式半控整流電路專 業：班 級：學 號：學生姓名：指導教師：2012 年 5 月 9信息工程學院課程設計任務書學生姓名學號成績設計題目單相橋式半控整流電路設 計 內 容設計方案的選擇整流電路的選擇整流變壓器額定參數的計算晶閘管電流、電壓額定的選擇保護電路的設計觸發電路的設計畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖 列出主電路所用元器件的明細表實驗結果設計 要 求1、電源電壓：交流220V/50HZ2、輸出電壓范圍：20V-50V3、最大輸出電流：10A4、 具有過流保護功能，動作電流：12A5、具有穩壓功能6、電源效率不低于70%參 考 資 料1、

2、張石安，張煒主編電力電子技木基礎北京：電子工業出版社，2008年7月2、 曲學基主編。電力電子整流技術及應用。北京：電子工業出版社，2008年4月3、 莫正康.半導體變流技術.北京：機械工業出版社，19994、 周克寧，電力電子技術北京：機械工業出版社，2004。5、 王兆安、黃俊，電力電子技術第四版。北京：機械工業出版社，2000。6、 王維平，現代電力電子技術及應用。南京：東南大學出版社，1999。7、 王云亮主編電力電子技術.第一版北京：電子工業出版社，2004年8月8、 劉雨棣主編電力電子技木及應用.西安：西安電子科技大學出版社，2006年8月9、 浣喜明、姚為正電力電子技術北京：咼等

3、教育出版社，200410、 王維平現代電力電子技術及其應用 南京.:東南大學出版社，2000目錄摘 要 3設計要求 5方案選擇 5元器件的選擇 7晶閘管 7晶閘管的結構 7晶閘管的工作原理圖 7晶閘管觸發條件 8電路組成 9保護電路的設計 10過電壓保護 10過電流保護 11結果分析 12電路原理圖及其工作波形 12分析 15參數計算 16元件選擇 17實驗結果 18元器件清單 18實驗結果 21心得與體會 21摘要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

4、各種容量的直流電能 , 是目前獲得直流電能的主要方 法，得到了廣泛應用。但是晶雜管相控整流電路中隨著觸發角a的增大， 電流中諧 波分量相應增大，因此功率因素很低。把逆變電路中的 SPWM 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，且和輸入電壓同相位，功率因素近似為 1。這種整 流電路稱為高功率因素整流器，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電力變換電路實現電能和變換和控制， 而構成的一 門完整的學科。 故其學習方法與電子技術和控

5、制技術有很多相似之處， 因此要學 好這門課就必須做好實驗和課程設計， 因而我們進行了此次課程設計。 又因為整 流電路應用非常廣泛， 而鋸齒波移相觸發單相晶閘管半控整流電路又有利于夯實 基礎，故我們單結晶體管觸發的單相晶閘管半控整流電路這一課題作為這一課程 的課程設計的課題。關鍵字：逆變電路單相晶閘管PWM電力電子、設計要求：1、電源電壓：交流220V/50HZ2、輸出電壓范圍：20V-50V3、最大輸出電流：10A4、 具有過流保護功能，動作電流：12A5、具有穩壓功能6、電源效率不低于70%、方案選擇：方案1 :單相橋式半控整流電路電路簡圖如下：圖1.4對每個導電回路進行控制，相對于半控橋而

6、言少了一個控制器件，用二 極管代替，有利于降低損耗！如果不加續流二極管，當a突然增大至180。或出發脈沖丟失時，由于電感儲能不經變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負載電阻上， 會發生一個晶閘管導通而兩個二極管輪流導通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期為ud為零，其平均值保持穩定，相當于單相 半波不可控整流電路時的波形，即為失控。所以必須加續流二極管，以免發生失 控現象。方案2 :單相橋式全控整流電路電路簡圖如下：z.圖1.5此電路對每個導電回路進行控制，無須用續流二極管，也不會失控現象，負 載形式多樣，整流效果好，波形平穩，應用廣泛。變壓器二次繞組中，正負兩個 半周電流方

7、向相反且波形對稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直 流磁化問題，變壓器的利用率也高。方案3 :單相半波可控整流電路：電路簡圖如下：圖1.6此電路只需要一個可控器件，電路比較簡單， VT的a移相范圍為180 。 但輸出脈動大，變壓器二次側電流中含直流分量， 造成變壓器鐵芯直流磁化。為 使變壓器鐵心不飽和，需增大鐵心截面積，增大了設備的容量。實際上很少應用 此種電路。方案4 :單相全波可控整流電路：電路簡圖如下：圖1.7此電路變壓器是帶中心抽頭的，結構比較復雜，只要用 2個可控器件，單相 全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，因此少了一個管壓降，相應地，門 極驅動電路也少2個，但是晶閘

8、管承受的最大電壓是單相全控橋的 2倍。不存在 直流磁化的問題，適用于輸出低壓的場合作電流脈沖大 （電阻性負載時），且整 流變壓器二次繞組中存在直流分量，使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相 全控式整流電路具有輸出電流脈動小， 功率因數高，變壓器二次電流為兩個等大 反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優點。相同的負載下流過晶閘管的平單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路 2倍，在均電流減 小一半；且功率因數提高了一半。根據以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路 （負載為阻感性負 載）。綜上所述，針對他們的優缺點，我們采用方案一，即單相橋式半控整流電路。三、元器件的

9、選擇晶閘管晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（Silico n Co ntrolled Rectifier-SCR），開辟了電力電子技術迅速發展和廣泛應用的嶄新時代；20世紀80年代以來，開始被性能更好的半控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調壓、直流變換等領域，成為功率低 頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型 -普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。1 ）、晶閘管的結構晶閘管是大功率器件，工作時產生大量的熱，因此必須安裝散熱器。引出陽 極A、陰極K和門極（或稱柵極）G三個聯接端。第Y根揑憲擁

10、第二電極內部結構：四層三個結如圖2.22 ）、晶閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個結J1 （P1N1 ）、J2（ N1P2 ）、J3（ P2N2），并分別從 P1、P2、N2 引入 A、G、K 三個電極，如圖1.2（左）所示。由于具有擴散工藝，具有三結四層結構的普通晶閘管可以等效成如圖1.2 (右)所示的兩個晶閘管T1 (P1-N1-P2 )和(N1-P2-N2 )組成的等效電路/?圖1.2晶閘管的內部結構和等效電路晶閘管的驅動過程更多的是稱為觸發，產生注入門極的觸發電流IG的電路 稱為門極觸發電路。也正是由于能過門極只能控制其開通， 不能控制其關斷，晶

11、 閘管才被稱為半控型器件。其他幾種可能導通的情況： 陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應 陽極電壓上升率du/dt過高 結溫較高 光直接照射硅片，即光觸發：光控晶閘管只有門極觸發是最精確、迅速而可靠的控制手段。3)晶閘管的門極觸發條件(1) :晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會 導通；(2) :晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管才能 導通；(3) :晶閘管一旦導通門極就失去控制作用；(4) :要使晶閘管關斷，只能使其電流小到零一下。晶閘管的驅動過程更多的是稱為觸發，產生注入門極的觸發電流IG的電路 稱為門極觸發電路。也正是由于能過門極只能控制其開通

12、， 不能控制其關斷，晶 閘管才被稱為半控型器件。只有門極觸發是最精確、迅速而可靠的控制手段。可關斷晶閘管可關斷晶閘管簡稱GTO可關斷晶閘管的結構n»cm 3無尅杓GTO的內部結構與普通晶閘管相同，都是 PNPN四層結構，外部引出陽極 A、陰極K和門極G如圖1.3。和普通晶閘管不同，GTO是一種多元胞的功率集成器件，內部包含十個甚至數百個共陽極的小 GTO元胞，這些GTO元胞的 陰極和門極在器件內部并聯在一起，使器件的功率可以到達相當大的數值。單相半控橋式整流電路帶大電感負載時的工作特點是：晶閘管在觸發時刻 換流，二極管則在電源電壓過零時換流；由于自然續流的作用，整流輸出電壓 Ud的波

13、形與半控橋式整流電路帶電阻性負載時相同，a的移相范圍為0180 ° ， ud、Id的計算公式和半控橋帶電阻性負載時相同；流過晶閘管和二極 管的電流都是寬度為180。的方波且與無關，交流側電流為正、負對稱的交變方波。單相半控橋式整流電路帶大電感性負載時，雖本身有自然續流的能力，似乎不需要另接續流二極管。但在實際運行中，當突然把控制角a增大到180。以上或突然切斷觸發電路時，會發生正在導通的晶閘管一直導通，兩個二極管輪流導通的現象。此時觸發信號對輸出電壓失去了控制作用， 我們把這種 現象稱為失控。失控現象在使用中是不允許的，為消除失控，帶電感性負載的半 控橋式整流電路還需另接續流二極管

14、VD。電路組成單相半控橋式整流電路由一組共陰極接法的單相半波可控整流電路和一組 共陽極接法的單相半波可控整流電路串聯而成。因此，整流輸出電壓的平均值 Ud為單相半波整流時的兩倍，在大電感負載時為式中U2I為變壓器次級線電壓 有效值。與單相半波電路相比，若要求輸出電壓相同，則單相橋式整流電路對晶閘管 最大正反向電壓的要求降低一半； 若輸入電壓相同，則輸出電壓Ud比單相半波 可控整流時高一倍。另外，由于共陰極組在電源電壓正半周時導通，流經變壓器次級繞組的電流為正；共陽極組在電壓負半周時導通，流經變壓器次級繞組的 電流為負，因此在一個周期中變壓器繞組不但提高了導電時間，而且也無直流流過，克服了單相半

15、波可控整流電路存在直流磁化和變壓器利用率低的缺點。為分析方便，把一個周期分為6段，每段相隔 60。在第)段期間，a相電 位ua最高，共陰極組的V1被觸發導通，b相電位ub最低，共陽極組的V6被 觸發導通，電流路徑為uaf V1f R(L) f V6f ub。變壓器a、b兩相工作，共陰 極組的a相電流ia為正，共陽極組的b相電流ib為負，輸出電壓為線電壓 ud=uab。在第段期間，ua仍最高，V1繼續導通，而uc變為最負，電源過自然換流點時觸發V2導通，c相電壓低于b相電壓，V6因承受反壓而關斷， 電流即從b相換到c相。這時電流路徑為uaf V1 f R(L) f V2f uc。變壓器a、 c兩

16、相工作，共陰極組的a相電流i為正，共陽極組的c相電流ic為負，輸出電 壓為線電壓ud=uac在第(3)段期間，ub為最高，共陰極組在經過自然換流點時觸發V3導通，由于b相電壓高于a相電壓，V1管因承受反壓而關斷，電流從a相換相到b相。V2因為uc仍為最低而繼續導通。這時電流路徑為ubf V3f R(L) f V2f uc 變壓器b、c兩相工作，共陰極組的b相電流ib為正，共陽極組的c相電流ic 為負，輸出電壓為線電壓 ud=ubc。以下各段依此類推，可得到在第 段時輸 出電壓ud=uba ;在第段時輸出電壓 ud=uca ; 在第段時輸出電壓 ud =ucb。以后則重復上述過程。由以上分析可知

17、，單相半控橋式整流電路晶閘管 的導通換流順序是：V6f V1f V2f V3f V4f V5f V6。電路輸出電壓ud的波 形如圖2-13(d)所示。四、保護電路的設計保護電路的設計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適、驅動電路設計采用合適的過電壓、過電流、du/dt保護和di/dt 保護也是必要的。4.1過電壓保護電力電子裝置中可能發生的過電壓分為外因過電壓和內應過電壓兩類。 外因過電壓主要來自雷擊和系統中的操作過程等外部原因，包括：(1) 操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓，快速直流開關 的切斷等經常性操作中的電磁過程引起的過壓。(2 )雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓

18、。內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括：(1)換相過電壓：由于晶閘管或者全控器件反并聯的續流二極管在換相結 束后不能立刻恢復阻斷能力，因而有較大的反向電流流過，使殘存的載流子恢復， 當其恢復了阻斷能力時， 反向電流急劇減小， 這樣的電流突變會因線路電感而在 晶閘管陰陽極之間或與續流二極管反并聯的全控型器件兩端產生過電壓。（2）關斷過電壓：全控型器件在較高的頻率下工作，當器件關斷時，因正 向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。過壓保護要根據電路中過壓產生的不同部位， 加入不同的保護電路， 當達到 定電壓值時， 自動開通保護電路， 使過壓通過保護電路形成通路， 消

19、耗過壓儲 存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上， 保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現。將電容并聯在回路中， 當電路中出現電壓尖峰電壓時， 電容兩端電壓不能突變的特性， 可以有效地抑制 電路中的過壓。 與電容串聯的電阻能消耗掉部分過壓能量， 同時抑制電路中的電 感與電容產生振蕩，過電壓保護電路如圖 5 所示。4.2 過電流保護晶閘管承受過電流的能力很低， 若過電流數值較大且時間較長， 則晶閘管會 因熱容量小而產生熱擊穿損壞。 為了使晶閘管不受損壞， 必須設置過流保護， 使 晶交流側自動開關或直流側接觸器跳閘。其動作時間約為 100200ms ，因此只

20、能保護因機械過負載而引起的過電流， 或在短路電流不大時， 對晶閘管起保護作 用。直流快速開關對于大容量高功率經常容易短路的場合， 可采用動作時間只有 2ms 的直流 快速開關。它的斷弧時間僅有 2530ms ，裝在直流側可有效的用于直流側的過 載保護與短路保護。它經特殊的設計，可以先于快速熔斷器熔斷而保護晶閘管。 但此開關昂貴復雜，使用不多。快速熔斷器閘管在被損壞之前就迅速切斷電流，并斷開橋臂中的故障元件， 以保護其他元件。晶閘管過流保護措施有以下幾種。交流短路器 交流短路器的作用是當過電流超過其整定值時動作，切斷變壓器一次側交 流電路，使變壓器退出運行。短路器動作時間較長，約為 100200

21、ms 。晶閘管 不能在這樣長的時間里承受過電流，故它只能作為變流裝置的后備保護。進線電抗器 進線電抗器串接在變流裝置的交流進線側，以限制過電流。其缺點是有負 載時會產生較大的壓降，增加了線路損耗。過電流繼電器過電流繼電器可安裝在直流側或交流側，在發生過電流時動作，使熔斷器 是最簡單有效的且應用普遍的過流保護器件。 針對晶閘管的特點，專門設計了快速熔斷器，簡稱快熔。其熔斷時間小于 20ms，能很快的熔 斷，達到保護晶閘管的目的。快熔的選擇快熔的額定電壓URN不小于線路正常工作電壓的均方 根值；快熔的額定電流IRN應按它所保護的原件實際流過 的電流的均方根值來選擇，而不是根據元件型號上標出的額 定

22、電流IT來選擇，一般小于被保護晶閘管的額定有效值 1.57IT。快熔接法如右：:其中交流側接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側短路起保護作用，但要求正常工作時，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額， 這樣對元件的 短路故障所起的保護作用較差。直流側接快速熔斷器只對負載短路起保護作用， 對元件無保護作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對元件的保護作用最好， 因為它們流過同一個電流.因而被廣泛使用。電子電路作為第一保護措施，快熔 僅作為短路時的部分區段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現 保護，過電流繼電器整定在過載時動作。五、結果分析5.1主電路原理圖及其工作波形<1&g

23、t;、電阻性負載電阻性負載時輸出波形:| id AOVT 1工11 彳、l卜一/II211廠、1 1 /嚴、1-訂/2、電感性負載感型負載時輸出波形:<3>、帶反電動勢負載帶反電動勢負載時輸出波形:Otb)5.2由以上分析可看出如下幾點:(1) 單相半控橋式整流電路在任何時刻必須保證有兩個不同組的晶閘管同時導通才能構成回路。換流只在本組內進行，每隔120。換流一次。由于共陰極組與共陽極組換流點相隔60所以每隔60 °有一個元件換流。同組內各晶閘管的觸發脈沖相位差為120 °，接在同一相的兩個元件的觸發脈沖相位差為180 °，而相鄰兩脈沖的相位差是60

24、°。元件導通及觸發脈沖情況如圖2-13(b)、(c)所示(2) 為了保證整流裝置啟動時共陰與共陽兩組各有一個晶閘管導通或電流斷續后能使關斷的晶閘管再次導通，必須對兩組中應導通的一對晶閘管同時加觸 發脈沖。采用寬脈沖(必須大于60 °、小于12(一般取80。100 °)或雙窄脈沖(在一個周期內對每個晶閘管連續觸發兩次，兩次脈沖間隔為60 ° )都可達到上述目的。采用雙窄脈沖觸發的方式示于圖2-13(c)中。雙窄脈沖觸發 電路雖然復雜，但可減小觸發電路功率與脈沖變壓器體積，所以較多采用。(3) 整流輸出電壓ud由線電壓波頭uab、uac、ubc、uba、uc

25、a和ucb組成，其波形是上述線電壓的包絡線。可以看出，單相半控橋式整流電壓 ud在一個周期內脈動6次，脈動頻率為300 Hz,比單相半波大一倍(相當于6相)。(4) 圖2-13(e)所示為流過變壓器次級的電流和電源線電流的波形。 由圖可看 出，由于變壓器采用 接法，使電源線電流為正、負面積相等的階梯波， 更 接近正弦波，諧波影響小，因此在整流電路中，單相變壓器多采用 或丫/ 接法。(5) 圖2-13(f)所示為晶閘管所承受的電壓波形。由圖可看出，在第 (1)、(2) 兩段的120。范圍內，因為V1導通，故V1承受的電壓為零；在第(3)、 兩 段的120。范圍內，因V3導通，所以V1管承受反向線

26、電壓uab ;在第、 兩段的120。范圍內，因V5導通，所以V1管承受反向線電壓uac。同理也可分 析其它管子所承受電壓的情況。當 a變化時，管子電壓波形也有規律地變化。 脈沖的移相范圍在大電感負載時為0°90順便指出，當電路接電阻性負載時，當 a> 60。時波形斷續，晶閘管的導通要維持到線電壓過零反 向后才關斷，移相范圍為 0 °120 ° o(7)流過晶閘管的電流與單相半波時相同，電流的平均值和有效值分別為當a> 0。時，每個晶閘管都不在自然換流點換流，而是后移一個 a角開始 換流，圖2-14、2-15、2-16為a =30 °、60 &

27、#176;、90。時電路的波形。從圖中可見，當a< 60 °時,ud的波形均為正值，其分析方法與 a =0 °時相同。當 a> 60。時，由于電感L的感應電勢的作用，ud的波形出現負值，但正面積大 于負面積，平均電壓 Ud仍為正值。當a =90。時，正、負面積相等，輸出電 壓 Ud =0 。5.3整流電路參數計算Ud180純電阻負載時：由圖知晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為 整流電壓平均值為：1 2sintd(t)1 COS2a=0 時，Ud= Ud0=0.9U2 °a=180 時，Ud=0。可見,2a角的移相范圍為O向負載輸出的直流電流平均值

28、為：_ Ud 2/2U21 cos|dR R流過晶閘管的電流平均值：I 1|1 dT1 d流過晶閘管的電流有效值為：oH cosR0.45 匹R1 COSIt2 sin t)2d( t)U221 sin2由上兩式得x2U22(sin t) d( t)R變壓器二次側電流有效值12與輸出直流電流有效值I相等，為阻感負載時整流電壓平均值為：Ud 1x2J2sin td( t)込2C0S0.9J2 cos與無關，均為180晶閘管導通角idT 2id 和't負各180的矩形波，其相位由角決定，有效值掃d 0.707'd，其電流平均值和有效值分別為：變壓器二次側電流i2的波形為正I2=&#

29、39;d。5.4元件型號選擇1、變壓器T的變比為11 : 1 o2、晶閘管的選取整流輸出平均電壓Jd、電流Id，變壓器二次側電流有效值I2分別為Jd = 0.9 J2 cos = 0.9 x 220 x cos0 °= 198VI2 = Id = 100(A)晶閘管承受的最大正反向電壓為：U = 220. 2 = 311 (V)流過每個晶閘管的電流的有效值為：IVT = Id / 2 = 70.7 (A)故晶閘管的額定電壓為：UN = (23) x 311 = 622933(V)晶閘管的額定電流為：IN = (1.52) X 70.7 / 1.57 = 67.590.1(A)其型號為

30、KP100-4 o3、快速熔斷器的選擇IRN=70.7A可選用RSF-1 500/80 型號的。其額定電壓500V，額定電流80A o4、壓敏電阻的選擇漏電流為1mA時的額定電壓J1mA應大于等于J。J為壓敏電阻 兩端正常工作電壓的有效值；可選擇MY31-410/3普通型壓敏電阻器，其標稱電壓410V，通流容量為3KA5、并聯于晶閘管兩端的 RC為：R2 =20 Q, C2=0.25山。6、電感L的作用是平波，防止電流發生斷續現象。其值要足夠大。根據公式l2 P 2U 21 dmi n2.87 103 U2dmin=6.3H5.5實驗結果輸出為：最大輸出電流:具有穩壓功能輸出電壓范圍：8.42A具有過流保護功能，動作電流：11.05A電源效率為73.15%六、元器件清單元器件備注數量整流變壓器變比為11:1 ,容量至少