单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路

湖南工学院电力电子技术课程设计课题名称：单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路系别:电气与信息工程系专业班级：电气0505班姓名：胡功伟学号：401050517指导教师：肖文英老师同组人员：胡功伟鲁浪吴海平马泓龙刘小军设计时间：2007年6月单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路湖南工学院电气0505班401050517胡功伟1前言电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）和高效利用能源均至关重要。我国目前仍旧是一个发展中的国家，尚处于前工业化阶段，传统产业仍然是我国国民经济的主力军，因此在近期或在较长一段时期内，传统产业的改造和发展将在很大程度上决定着我国经济的发展。而电力、机械、冶金、石油、化工、交通运输是传统产业的重要支柱，这些产业技术水平的高低直接关系到我国工业基础的强弱。毫无疑问，电力电子技术是提高这些产业技术水平的重要手段，它是对我国传统产业实现技术改造、建立自动化工业体系的关键应用技术。工业供电电源种类繁多，中小功率电源包括交流不间断电源、通讯电源及各类高频开关电源。众所周知，它们在远距离通讯.、数据通讯、计算机和办公自动化、工业和仪表、新型先进医疗和实验室设备、工业过程控制机、操作控制台、测试和测量仪器中均有广泛的应用。而大功率直流电源及低频交流电源则在现代工业中具有十分重要的地位。大功率直流电源包括电解、电弧炉、电镀用的直流电源等。电机调速传动、工业供电电源、电力输配电和照明四大方面的各类电力电子装置与系统的主要理论基础是电力电子学，并和其它许多相关的学科基础密切相关，如基础理论（固体物理、电磁学、电路理论、热力学、光学、化学）、专业理论（电力系统、系统与控制理论、电机学及电力传动、通信理论、信号处理、电子学、微电子学、金属学）以及各种专门技术（材料、元件制造、半导体及集成电路制造、电磁及电磁兼容测量、计算机仿真和辅助设计）等。因此电力电子技术是门应用性很强的交叉学科，要彻底改变我国目前电力电子技术及其应用的落后状况，一方面必须加大对电力电子技术应用基础研究的投资强度和加强对电力电子技术应用基础研究的项目跟踪管理，采取有效措施加强对国际学术交流活动的支持。特别是必须采取有效措施;提高国内电力电子企业的技术水平，同时结合我国国民经济发展的重大工程项目，以电力电子技术应用为核心，切实组织好跨学科、跨行业、跨部门的对诸多关键共性技术和工程技术的研究和攻关，彻底克服过去专业分工过细、“单打一”（如只搞器件，不搞装置;只搞装置，不搞应用;只搞电，不搞机;只搞弱电，不搞强电等）及基础理论研究与应用脱节的种种弊端，务求实效，一抓到底。并采取扶植和鼓励采用国产电力电子产品的政策，迅速形成我国自己的强大的电力电子产业，为人类做出更大贡献。单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路湖南工学院电气0505班401050517胡功伟2目录第一章设计任务书1.1设计目的——————————————————————————21.2设计要求——————————————————————————21.3设计内容——————————————————————————21.4设计题目——————————————————————————2第二章设计内容2.1方案的论证与选择——————————————————————32.1.1主电路的方案论证—————————————————————32.2主电路的设计————————————————————————52.2.1带阻感负载的单相桥式全控整流电路————————————52.2.2原理图分析————————————————————————62.3电路方案说明————————————————————————7第三章触发电路3.1同步触发电路———————————————————————73.2晶闸管的触发条件—————————————————————73.3晶闸管的分类———————————————————————133.4同步环节—————————————————————————133.5脉冲形成环节———————————————————————143.6双窄脉冲形成环节—————————————————————143.7同步变压器————————————————————————15第四章保护电路的设计4.1过电流保护————————————————————————164.2过电压保护————————————————————————17第五章元器件的选用—————————————————————18第六章参数的计算——————————————————————22第七章心得体会———————————————————————23第八章参考文献———————————————————————23单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路湖南工学院电气0505班401050517胡功伟3第一章设计任务书1.1设计目的：电力电子课程设计是电气自动化专业学生在整个学习过程中一项综合性实践环节，是走向工作岗位、从事专业技术之前的一项综合性技能训练，对学生的职业能力培养和实践技能训练具有相当重要的意义。主要目的在于：1：进一步掌握晶闸管相控整流电路的组成、结构、工作原理；2：重点理解移相电路的功能、结构、工作原理；3：理解同步变压器的功能。1.2设计要求：1：根据课题正确选择电路形式；2：绘制完整电气原理图（包括主要电气控制部分）；3：详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元、器件值；4：编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项；说明：负载形式及参数可自行选择1.3设计内容：单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路的设计。1：主电路方案论证2：电路方框图3：整流电路方框图4：电路方案说明单相整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式可控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。单相桥式全控整流电路应用广泛，只用四只晶闸管，一个电阻，一个电感，投资比较少，在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，整流电压波形脉动次数多于半波整流电路。变压器而次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率高。单相桥式全控桥整流电路与半波整流电路相比较：（1）ａ的移相范围相等，均为0～180。（2）输出电压平均值Ud是半波整流电路的2倍。（3）相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半。（4）功率因数提高了1.414倍。单相桥式全控整流电路与单相全波整流电路相比较：1.4设计题目：单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路1单相桥式整流器的设计1.41、设计参数：（1）单相桥式全控整流电路接电阻性负载；（2）要求输出电压在0~100V连续可调；（3）输出电流在20A以上；（4）采用220V变压器降压供电；1.42、设计要求：（1）根据课题正确选择电路形式；（2）绘制完整电气原理图（包括主要电气控制部分）；（3）详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元、器件值；单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路湖南工学院电气0505班401050517胡功伟4（4）编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项；说明：负载形式及参数可自行选择（例如：输入的为市电，即相电压为220V，输出电压在0—200V可调，负载RL=5Ω）第二章设计内容2、1方案的论证与选择2.1.1主电路的方案论证：我们知道，单相整流器的电路形式是各种各样的，整流的结构也是比较多的。因此在做设计之前我们主要考虑了以下几种方案：方案一：单相桥式半控整流电路电路简图如下：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dU成为正弦半波，即半周期为正弦，另外半周期为零，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。方案二：单相桥式全控整流电路电路简图如下：此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路湖南工学院电气0505班401050517胡功伟5整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。方案三：单相半波可控整流电路：电路简图如下：此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a移相范围为180。但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。实际上很少应用此种电路。方案四：单相全波可控整流电路：电路简图如下：此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，相应地，门极驱动电路也少2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。不存在直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作用。但是绕组及铁心对铜、铁等材料的消耗比单相全控桥多，在当今世界上有色金属有限的情况下，这是很不利的，所以我们也放弃了这个方案。单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电路（负载为阻感性负载）。单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路湖南工学院电气0505班401050517胡功伟62、2主电路的设计2.2.1带阻感负载的单相桥式全控整流电路电路如图2a)所示。为便于讨论，假设电路已工作于稳态。(1)工作原理在u2正半周期，触发角α处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线，其波形如图2b)所示。u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id并不关断。至ωt＝π＋α时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。至下一周期重复上述过程，如此循环下去。带阻感负载的单相桥式全控整流电路图(2)ud波形如图2（b)所示，其平均值为单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路湖南工学院电气0505班401050517胡功伟7当α=0时，Ud0=0.9U2。α=90o时，Ud=0。α角的移相范围为90o。单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管VT1、VT4两端的电压波形如图2b)所示，晶闸管承受的最大正反向电压均为。晶闸管导通角θ与α无关，均为180o，其电流波形如图2b)所示，平均值和有效值分别为：和变压器二次电流i2的波形为正负各180o的矩形波，其相位由α角决定，有效值I2=Id。2.2.2原理图分析：在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在U2正半周，若4个晶闸管均不导通，负载电流Id为零，dU也为零，VT1和VT4串联承受电压U2。若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4