单相半控桥式晶闸管整流电路的设计(阻感负载)概要.doc

1 设计的基本要求

1.1 设计的主要参数及要求：
设计要求：1、电源电压：交流220V/50Hz
2、输出电压范围：20V-50V
3、最大输出电流：10A
4、具有过流保护功能，动作电流：12A
5、具有稳压功能
6、电源效率不低于70%

1.2 设计的主要功能
单相桥式半控整流电路的工作特点是晶闸管触发导通，而整流二极管在阳极电压高于阴极电压时自然导通。单相桥式整流电路在感性负载电流连续时，当相控角α<90°时，可实现将交流电功率变为直流电功率的相控整流；在α>90°时，可实现将直流电返送至交流电网的有源逆变。在有源逆变状态工作时，相控角不应过大，以确保不发生换相（换流）失败事故。

2 系统总体电路的设计

2.1 方案的选择
我们知道，单相整流电路形式是各种各样的，可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，整流的结构也是比较多的。因此在做设计之前我们确定了此方案：
单相桥式半控整流电路
电路简图如下：

图1 单相桥式半控整流电路

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ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期为ud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。
2.2 主电路的结构及其工作原理
单相半控桥式整流电路带阻感负载且有续流二极管的主电路图如图2所示：

图2 单相半控桥式整流主电路图

图2 有续流二极管的主电路图

对于带阻感负载的单相桥式半控整流电路而言，当负载中电感很大时，在正半周，触发角处给晶闸管VT1加触发脉冲，经VT1和VD4向负载供电。过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通但因VT1端电位高于VD2端电位，使得电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经交流源，而是由VT1和VD2续流，在此阶段。在负半周触发角时刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使其关断，经VT3和VD2向负载供电。过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，为0 ，此后重复以上过程。
有续流二极管时，续流过程由完成，在续流阶段晶闸管关断，这就避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。

2.3 参数计算
在单相桥式半控整流电路中：
输出电压平均值：

式中，表示交流输入电压有效值，表示晶闸管触发角。
输出电流平均值：

流过晶闸管电流有效值：

计算负载R值：
当为时，输出电压:
由可得：

3 硬件电路

3.1 系统总体原理框图
单相半控桥式整流电路的设计，我们首先对电路原理进行分析，通过分析，结合具体的性能指标求出相应的参数，然后在Matlab仿真软件中建立仿真模型，仿真模型采用交流输入电源，使用晶闸管和二极管作为整流器件，通过不断仿真、调试、不断修改参数，知道符合正确的参数要求。其系统原理框图如下图3

输入
过电流保护
整流主电路
过电压保护

驱动触发电路
输出

图3 原理框图如下

3.2 触发电路
3.2.1 触发电路简介
电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用良好的性能的驱动电路。可以使电力电子器件工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间，对装置的运行效率，可靠性和安全性都有很大的意义。
对于相控电路这样使用晶闸管的场合，在晶闸管阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发电压，晶闸管才能从截止转变为导通，习惯上称为触发控制。提供这个触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。它决定每一个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置中不可缺少的一个重要组成部分。晶闸管相控整流电路，通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始位来控制输出电压的大小，为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。
3.2.2 触发电路设计要求
晶闸管的型号很多，其应用电路种类也很多，不同的晶闸管型号，应用电路对触发信号都会有不同的要求。但是，归纳起来，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。不管是哪种触发电路，对它产生的触发脉冲都有如下要求：
1、触发信号为直流、交流或脉冲电压，由于晶闸管导通后，门极触发信号即失去了控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。
2、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。触发信号功率大小是晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。由于晶闸管元件门极参数的分散性很大，且随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压、电流值，并有一定的裕量。
3、触发脉冲应有一定的宽度，脉搏冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发信号导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。普通晶闸管的导通时间约法为6，故触发电路的宽度至少应有以上，对于电感性负载，由于 电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5至1，此外，某些具体电路对触发脉冲宽度会有一定的要求，如三相全控桥等电路的触发脉冲宽度要大于60°或采用双窄脉冲。
为了快速而可靠地触发大功率晶闸管，常在触发脉冲的前沿叠加一个强触发脉冲，强触发脉冲的电流波形如图4-1所示。强触发电流的幅值可达到最大触发电流的5倍。前沿约为几。

图4 强触发电流波形

4、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲称相范围必须满足电路要求。为保证控制的规律性，要求晶闸管在每个阳极电压周期都在相同控制角α触发导通，这就要求脉冲的频率必须与阳极电压同步。同时，不同的电路或者相同的电路在不同的负载、不同的用途时，要求的变化的范围（移相范围）亦即触发脉冲前沿与阳极电压的相位变化范围不同，所用触发电路的脉冲移相范围必须满足实际的需要。单结晶体管触发电路如下图5所示

图5 单结晶体管触发电路图

4 电路元件的选择

4.1 变压器的选择
电源电压：220V/50Hz，输出电压：20V-50V，输出电流：10A，设R=5Ω。
变压器一、二次侧电流：
Ud=50v , P=I R, Id=10A
U1/U2=220/100=11/5, N1/N2=11/5 I2=5id/6=25/3A
变压器容量计算：
S=U1I1=10025/3=11/5=833.33kv.A
变压器型号的选择：N1:N2=11/5, S=833.33kv.A
4.2 晶闸管元件的选择
1、晶闸管的额定电流
选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值 ，即
=1.57> 或 > (2-7)
考虑（1.5～2）倍的裕量：
(2-8)
此外，还需注意以下几点：
①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。
②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。
③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。
2、晶闸管的额定电压
晶闸管实际承受的最大峰值电压乘以（2～3）倍的安全裕量，即可确定晶闸管的额定电压：
(2～3)(2～3)(622～933) (2-9)
取800V。
由以上分析计算知选取晶闸管的型号为。
3、晶闸管的具体参数
额定通态平均电流（IT（AV））：1A;
断态重复峰值电压（UDRM）:500V;
反向重复峰值电压（URRM）:1800V;
断态重复平均电流（IDR（AV））:≤6mA;
反向重复平均电流（IRR（AV））:≤6mA;
门极触发电流（IGT）:60mA;
门极触发电压（UGT）:1.8V;
断态电压临界上升率（du/dt）:50V/uS
维持电流（IH）：60mA;
额定结温（TjM）：110℃

5 仿真波形图

5.1 仿真电路图与仿真波形
仿真电路图如图6所示：

图6 仿真电路图

仿真电路各元件参数设置：
1、单相交流电源。峰值电压设置为141V，频率设置50Hz。
2、二极管和晶闸管为默认的参数。
3、设置触发器的周期与电压周期一致，为0.02S，通过设置触发时间来控制输出电压与电流的波形。
4、设置负载电阻为100欧。
经过以上参数整定后，整个系统的仿真设计已经完成，现给出所有输出结果。其仿真波形如下：
当触发角为30°，波形如图7所示:

图7 触发角为30°的波形

当触发角为90°时，波形如图8所示:

图8 触发角为90°的波形

当触发角为120°时，波形如图9所示:

图9 触发角为120°的波形

5.2 仿真结果分析
仿真得到的第一个波形为单相交流输入电压波形，可以看出在触发角不同时，输入电压不变。第二个波形为触发脉冲，在一个周期内有两个相差180°的触发脉冲。第三个波形为流过某一个晶闸管的电流波形，可以看出每个晶闸管都只在半个周期内能导通且电流随触发角不同而不同。第四个波形为输出电流波形。第五个波形为输出电压波形，可以看出输出电流波形与输出电压波形形状一样。单相交流电在经过整流之后变成直流电，输出电压波形与电流波形相同。由于有反电势的存在，使晶闸管提前了点角度30停止导电。

结束语

本文分析了单相半控桥式整流电路的基本原理、工作特性。通过本课程设计，我受益匪浅。熟悉和掌握整流电路基本工作原理及参数计算方法。掌握晶闸管在相关电路中的工作特点，并能根据设计要求，正确计算晶闸管参数，合理选择晶闸管型号。了解常用晶闸管触发电路的特点，并能根据实际电路选择合理的触发电路形式。对常用的晶闸管保护电路具有一定的分析和设计能力。具有初步发现和解决设计中出现的问题的能力。
本文采用simulink仿真，使我对simulink的用法更加熟悉了，为我以后熟练的使用该软件奠定了基础。在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
在理论联系实际、综合分析、理论计算、归纳整理和实验研究等方面得到综合训练和提高，培养了独立解决实际问题和从事科学研究的初步能力。能够初步建立正确的设计思想，熟悉工程设计的一般顺序、规范和方法，可培养了严肃认真的工作作风，树立正确的全局观点，为后续课程的学习和毕业设计乃至毕业后向工程技术人员过渡打下基础。

致 谢

本课题在选题及进行过程中得到了王翠老师的悉心指导以及同学的热心帮助。在这里特意感谢在课程设计中帮助过我的老师和同学。在上课的时候由于王老师的指导才让我现在完成本次课程感觉不那么困难。王老师尽职尽责、踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
感谢在本次课程设计中给予我很多帮助。同时也感谢刘爽同学，感谢他在制作文档时给予我无私的帮助。感谢我的室友，是他们让我一直坚持不放弃。通过这次课程设计，深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了我的学习成果。虽然在这次的课程设计中对于知识的运用和衔接还不是很熟练，但是我将在以后的学习中继续努力、不断完善。这将近一个月的课程设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的学习打下了良好的基础。当然由于自身水平有限，设计中一定存在很多不足之处，敬请老师对我提出批评与指正。

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