单相桥式可控整流电路设计

电力电子技术课程设计说明书单相桥式可控整流电路设计院、部：电气与信息工程学院学生姓名：何鹏辉指导教师：肖文英职称教授专业：电气工程及其自动化班级：电气本1304班完成时间：2016年6月4日学号：1330140437湖南工学院电力电子课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化指导教师肖文英学生姓名何鹏辉课题名称单相桥式可控整流电路的设计内容及任务一、设计任务设计一个单相桥式可控整流电路，单相交流输入交流电压220V，负载自拟，整流输出电压要求在0～100V连续可调，其它性能指标自定。二、设计内容1、关于本课程学习情况简述；2、主电路的设计、原理分析和器件的选择；3、控制电路的设计；4、保护电路的设计；5、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。主要参考资料[1]王兆安,王俊编.电力电子技术(第5版).北京:机械工业出版社,2010[2]黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,1991[3]李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,1996教研室意见教研室主任：（签字）年月日摘要单相桥式可控整流电路是一种能将交流转换为直流的电路，其转换效率高，原理及结构简单，因此它在单相整流电路中有着很广泛的应用。设计一个单相桥式可控整流电路，我首先先确定设计总体方案，比较了单相桥式半控整流电路和单相桥式全控整流电路的优劣之后，最终选择了单相桥式全控整流电路。单相桥式全控整流电路由一个变压器，4个可控晶闸管，和一个阻感负载组成。然后根据总体方案分别设计了各个单元电路，如触发电路、保护电路等；还根据要求计算了参数，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就完成了主电路的设计；然后再用MATLAB软件仿真调试。设计完成后，用MATLAB软件进行仿真调试，调试结果满足设计要求。关键词：单相桥式可控整流电路；触发电路；保护电路；MATLAB软件仿真目录1．设计方案选择及论证-----------------------------------------------11.1设计任务和要求---------------------------------------------11.1.1设计任务----------------------------------------------11.1.2设计要求----------------------------------------------11.2总体方案的选择与确定----------------------------------------11.3整流电路方案的确定------------------------------------------22．系统总体设计-----------------------------------------------------32.1系统原理方框图-----------------------------------------------32.2主电路设计--------------------------------------------------42.2.1工作原理-----------------------------------------------42.2.1单相全控桥式整流电路-----------------------------------53．驱动电路和保护电路的设计-----------------------------------------63.1触发电路设计-------------------------------------------------63.1.1单结晶体管触发电路-------------------------------------63.1.2单结晶体管自激震荡电路---------------------------------73.1.3同步电源-----------------------------------------------73.1.4移相控制-----------------------------------------------83.1.5脉冲输出-----------------------------------------------83.2保护电路的设计-----------------------------------------------83.2.1过电流保护---------------------------------------------83.2.3过压保护----------------------------------------------104．元器件和电路参数计算--------------------------------------------114.1元件选取-----晶闸管（SCR）----------------------------------114.1.1晶闸管的基本特性--------------------------------------114.1.2晶闸管的主要参数--------------------------------------124.2晶闸管的选型------------------------------------------------144.3整流变压器额定参数计算-------------------------------------154.3.1一次与二次额定电流及容量计算--------------------------154.4设计结果分析-----------------------------------------------155．系统调试与仿真--------------------------------------------------16设计总结-----------------------------------------------------------22参考文献-----------------------------------------------------------23附录A单相桥式整流电路元器件清单----------------------------------2411．设计方案选择及论证1.1设计任务和要求1.1.1设计任务本次设计的任务是设计一个单相桥式全控整流电路。确定设计总体方案，通过总体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软件仿真调试。1.1.2设计要求单相桥式全控整流电路的设计要求为：（1）电网供电电压为单相220V；（2）变压器二次侧电压为110V；（3）输出电压连续可调，为0～100V；（4）带阻感性负载：L=1000mH，R=100Ω；1.2总体方案的选择与确定单相桥式带阻感负载整流电路可分为单相桥式带阻感负载相控整流电路和单相桥式带阻感负载半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动大，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。单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感2性负载）。1.3整流电路方案的确定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：图1.1单相桥式半控整流电路图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°或触发脉冲丢失时，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。方案二：单相桥式全控整流电路电路简图如下：图1.2单相桥式全控整流电路电路图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，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。3单相电源输入驱动电路单相桥式全控整流电路保护电路负载电路方案三：单相全波可控整流电路电路简图如下：图1.3单相全波可控整流电路图此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，但只用了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（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。相同的负载下，单相全控式整流电路其输出平均电压是单相半波整流电路的2倍，平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。综上所述，设计采用方案二，即单相桥式全控整流电路。2．系统总体设计2.1系统原理方框图系统原理方框图如2.1所示：整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路接电阻性负载。图2.1系统整体设计框图42.2主电路设计2.2.1工作原理负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出Ud、id的波形具有不同的特点。当负载电感量L较小（即负载阻抗角φ），控制角α〉φ时，负载上的电流不连续；当电感L增大时，负载上的电流不连续的可能性就会减小；当电感L很大，且ωLd﹥﹥Rd时，这种负载称为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流的变化，负载电流连续，可看作一条水平直线。在电源电压U2正半周期间，晶闸管T1、T2承受正向电压，若在ωt=α时触发，T1、T2导通，电流经T1、负载、T2和Tr二次形成回路，但由于大电感的存在，U2过零变负时，电感上的感应电动势使T1、T2继续导通，直到T3、T4被触发时，T1、T2承受反向电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压U2负半周期间，晶闸管T3、T4承受正向电压，在ωt=α+π时触发，T3、T4导通，T1、T2反向截止，负载电流从T1、T2中换流至T3、T4中。在ωt=2π时，电压U2过零，T3、T4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期T1、T2导通时，T3、T4因加反向电压才截止，值得注意的是，只有当α〈=π/2时，负载电流才连续，当α〉π/2时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相范围是0—π/2，图2.2为整体设计电路图。图2.2整体电路原理图52.2.1单相全控桥式整流电路在生产实践中，除了电阻性负载外，最常见的负载还有电感性负载，如电动机的励磁绕组，整流电路中串入的滤波电抗器等