电力电子课程设计---单相桥式全控整流电路

电力电子技术课程设计

题目 单相桥式全控整流电路

姓 名：__

所在学院：_自动化工程学院_

所学专业：电气工程及其自动化

班 级 _08级电气工程一班__

学 号 _

指导教师：_ ____ __

完成时间：_2010年6月10日___

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目录

摘要 ........................................................................ 3 第一章 设计任务 ............................................................ 3

1.1 设计要求： ......................................................... 3 1.2 设计要求： ......................................................... 3 1.3 技术要求： ......................................................... 3 第二章 系统原理方框图及主电路设计 ......................................... 4

2.1 系统原理方框图 ...................................................... 4 2.2 主电路设计 ......................................................... 4 第3章 触发电路的选择及其定相 ............................................... 8

3.1同步信号为锯齿波的触发电路 ........................................... 8 3.2 集成触发器 .......................................................... 9 3.3 触发电路的定相 ..................................................... 10 第4章 保护电路的设计 ..................................................... 10

4.1 晶闸管过电流保护 ................................................... 10 4.2 过压保护 ........................................................... 11 4.3 缓冲电路 ........................................................... 12 第五章 元器件选取与电路原理图 ............................................. 13 第六章 心得体会 ........................................................... 15 参考文献 ................................................................... 16

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摘要

单相桥式全控整流电路是一种把单相交流电转换成可调的直流电的电路。其原理及结构简单，效率高。因而得到了广泛的应用。本次设计讨论了电路在电阻、阻感、反电动势负载下的工作情况，选用较为实用的电动机作为负载。设置了对晶闸管的各种保护电路，采用集成触发器，使触发脉冲更精确，从而使整个电路的可调性更好，工作更稳定且安全可靠。

Abstract

Single-phase bridge controlled rectifier circuit is a single-phase AC power to DC conversion circuit adjustable. The principle and structure is simple and efficient. And have been widely used. The design of the circuit discussed in the resistance, resistance flu, back-EMF load of work, use more practical motor as load. Set up on the various protection circuits thyristor, using an integrated trigger, so a more accurate trigger pulse, so a tunable circuit better, work more stable and secure.

第一章 设计任务

1.1 设计要求：

电子技术课程设计是电气及自动化专业学生在整个学习过程中的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：

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；

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； 1.3 技术要求：

单相桥式全控整流电路的设计

将单相220V交流电转换为连续可调的直流电，为一台直流电动机供电。 指标内容：

1、整流输出电压Ud在0～220V可调。 2、整流输出电流最大值100A。 3、电动机PN=17KW,UN=220V,IN=100A。 4、要求工作电流连续。

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第二章 系统原理方框图及主电路设计

2.1 系统原理方框图

2.2 主电路设计

2.2.1 主电路原理图及其工作波形 <1>、电阻性负载

电阻性负载时输出波形：

原理说明：电源电压正半周，VT1、VT4同时承受正向电压，如此时不加触发脉冲，则两晶

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闸管均处于正向阻断状态，电源电压全加在晶闸管两端。则每个管子承受一半电压。在wt= 时，同时触发VT1、VT4，两管立刻导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回b端，负载上得到的整流输出电压与电源电压相同。这期间VT2、VT3受反压而关断。当电源电压过零时，电流也下降为零，则VT1、VT4关断。

电源电压的负半周，晶闸管VT2、VT3同时承受正向电压，wt=∏+时刻触发VT2、VT3，则两晶闸管导通，电流从b端流回a端。当电源负半周结束时电源电压变为零，电流也下降为零，VT2、VT3关断。这期间VT1、VT4 承受反压而关断。下周期开始重复上述过程。显然，两组器件触发脉冲在相位上相差180。。在负载上得到的电压及电流方向不变。在变压器二次绕组中，征服两个半周电流方向相反且波形对称，平均值也为零，即直流分量也为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。 <2>、电感性负载

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在u2的正半期，给晶闸管VT1、VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。负载中有电感电流不能突变，电感对电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流id连续且近似为一直线。u2 过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1、VT4中仍流过电流id，并不关断。在下一时刻给VT2、VT3加触发脉冲，因VT2、VT3本已承受正向电压，故两管导通。VT2、VT3导通后，u2通过VT2、VT3分别向VT1、VT4施加反压使VT1、VT4关断，流过VT1、VT4的电流迅速转移到VT2、VT3上，此过程为换相，亦称换流。至下周期重复上述过程，如此循环下去。 <3>、带反电动势负载

udO E I t td    i dO b)

电路分析

u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。

uE，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关 晶闸管导通之后，ud=u2， iddR断，此后ud=E。

与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。

E

sin1 2U2当<时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。

触发脉冲有足够的宽度，保证当t=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为。

在角相同时，整流输出电压比电阻负载时大 电流断续：

id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。 负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。

为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。电感量足够大使电流连续，晶闸管每次导通180，这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。 为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：

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22U23U2L2.8710 IdminIdmin

2．2．2整流电路参数计算 纯电阻负载时：

2 由图知晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 2U2U2和 2 整流电压平均值为：

122U21cos1cosU2Usintd(t)0.9Ud22 22

α=0时，Ud= Ud0=0.9U2。α=180时，Ud=0。可见，α角的移相范围为180。 向负载输出的直流电流平均值为：

U22U21cosU1cos Idd0.92RR2R2

流过晶闸管的电流平均值 ：

U1cos1 IdTId0.4522R2

流过晶闸管的电流有效值为： 12U2U212I(sint)d(t)sin2T 2R2R2

变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为

12U2U212 II2(sint)d(t)sin2RR2

1ITI有上两式得

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不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。 阻感负载时

整流电压平均值为：

122 Ud2U2sintd(t)U2cos0.9U2cos

当=0时，Ud0=0.9U2。=90时，Ud=0。晶闸管移相范围为90。

晶闸管承受的最大正反向电压均为 2U2。

晶闸管导通角与无关，均为180，其电流平均值和有效值分别为：

11IdTId和 I T  I d  0 .707 I d 。

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变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由角决定，有效值 I2=Id。

第3章 触发电路的选择及其定相

3.1同步信号为锯齿波的触发电路

电路输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。 三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。 脉冲形成环节

由晶体管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。

控制电压uco加在V4基极上。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。

脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。 锯齿波的形成和脉冲移相环节

锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等，本电路采用恒流源电路。

恒流源电路方案由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路 同步环节

触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。 锯齿波是由开关V2管来控制的，V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。

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双窄脉冲形成环节：

内双脉冲电路：每个触发单元的一个周期内输出两个间隔60的脉冲的电路。V5、V6构成一个“或”门，当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。 第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通

过V6）。

在三相桥式全控整流电路中，器件的导通次序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此间隔60，相邻器件成双接通，所以某个器件导通的同时，触发单元需要给前一个导通的器件补送一个脉冲。 最终输出的脉冲波形为：

锯齿波同步触发脉冲不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，而且移相范围宽。它的缺点是：整流装置的输出电压Ud与控制电压Uc之间不是线性关系，电路比较复杂。

3.2 集成触发器

R12R1R3R4R6R7R8VS1VS2VS3V1VS4R5V4V18V19V5VD1V2R2V3VS53RP1R24ub4C1R26R25ucoR27911C21213R28R10V20R19V6R13R11R14V17VD2R15V9V10V11116+15VVD5VD4VD6VD3R208RP4us7VS6R16R18VS7V8R17V7VD7VS8R2014+15VVS9V12R22R21V13V15V14V16155+15VR23

KJ004电路原理图

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集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，已逐步取代分立式电路。

KJ004与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。

其脉冲输出波形为右图所示：

在本设计中采用集成触发器KJ004。 3.3 触发电路的定相

向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在一定的范围内波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就是定相。

为保证触发电路与主电路的频率一致，利用一个同步变压器，将其一侧接入主电路的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终保持一致。

在本设计中，采用的集成触发器，由其输出脉冲与同步电压的相位关系知，其同步电压应与电网中电压的相位一致。变压器的图如下：

第4章 保护电路的设计

4.1 晶闸管过电流保护

晶闸管承受过电流的能力很低，若过电流数值较大且时间较长，则晶闸管会因热容量小而产生热击穿损坏。为了使晶闸管不受损坏，必须设置过流保护，使晶闸管在被损坏之前就迅速切断电流，并断开桥臂中的故障元件，以保护其他元件。晶闸管过流保护措施有以下几种。

（1） 交流短路器

交流短路器的作用是当过电流超过其整定值时动作，切断变压器一次侧交流电路，使变压器退出运行。短路器动作时间较长，约为100~200ms。晶闸管不能在这样长的时间里承受过电流，故它只能作为变流装置的后备保护。 （2） 进线电抗器

进线电抗器串接在变流装置的交流进线侧，以过电流。其缺点是有负载时会产生较大的压降，增加了线路损耗。 （3） 过电流继电器

过电流继电器可安装在直流侧或交流侧，在发生过电流时动作，使交流侧自动开关或

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直流侧接触器跳闸。其动作时间约为100~200ms，因此只能保护因机械过负载而引起的过电流，或在短路电流不大时，对晶闸管起保护作用。 （4） 直流快速开关

对于大容量高功率经常容易短路的场合，可采用动作时间只有2ms的直流快速开关。它的断弧时间仅有25~30ms，装在直流侧可有效的用于直流侧的过载保护与短路保护。它经特殊的设计，可以先于快速熔断器熔断而保护晶闸管。但此开关昂贵复杂，使用不多。

（5） 快速熔断器

熔断器是最简单有效的且应用普遍的过流保护器件。针对晶闸管的特点，专门设计了快速熔断器，简称快熔。其熔断时间小于20ms，能很快的熔断，达到保护晶闸管的目的。

快熔的选择：快熔的额定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的原件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流IT来选择，一般小于被保护晶闸管的额定有效值1.57IT。快熔接法如右：

本设计采用快熔保护。

4.2 过压保护

由于晶闸管的击穿电压接近于工作电压，热容量小，承受过电压的能力很差，因此短时间的过电压就像过电流一样，也可能造成晶闸管的损坏。为使晶闸管不受损坏，必须设置过压保护。

晶闸管产生过压的原因：

（1） 外部原因：包括雷击过电压、电网激烈波动或干扰以及操作过电压（分闸、合

闸等开关操作引起的过电压）。 （2） 内部原因：换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后， 反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。

关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 1）交流侧过电压的保护

（1）避雷器：用以保护雷击产生的过电压。由于此种过电压能量较大，时间较长，因此一般采用阀型避雷器，主要用来保护变压器。 （2）RC过电压抑制电路：在变压器二次侧并联RC电路，以吸收变压器铁心磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能存储起来。电阻的功能是为了在能量转换过程中消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的振荡。阻容电路的接法如右所示。 （3）用非线性元件过电压幅值。常用的非线性元件有硒堆和金属氧化物压敏电阻。正常工作时压敏电阻没有击穿，漏极电流极小，故损耗小；

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遇到尖峰过电压时，则可通过数千安培的浪涌电流， 所以抑制过电压的能力强。且压敏电阻还具有反应

快体积小，价格便宜等优点。其缺点是持续平均功率太小，如果正常工作电压超过了其额定电压，则在很短的时间内烧毁。

这里选用RC阻容保护电路。

2）直流侧过电压的保护

当直流侧快速开关断开或桥臂快速熔断器熔断时，储存在交流侧变压器中的磁场能会在开关和整流桥两端产生过电压。

直流侧保护可采取和交流侧相同的保护方法，即阻容保护、非线性元件抑制或利用晶闸管泄能保护。但直流侧阻容保护会使系统快速性变差，且能量损耗大，应尽量少用。 本设计采用压敏电阻保护

3）晶闸管换相过电压的保护

晶闸管换相过电压的保护经常采用元件两端并联RC电路， 其中串联R的作用：一是阻尼LTC回路的振荡，由于电路总有电感存在，在晶闸管阻断时，LT、C、R与外电源组成一个串联回路，如不接电阻，电容两端将会产生比电源电压高得多的振荡电压，加在晶闸管两端，可损坏元件；二是晶闸管开通损耗与电流上升率。电容的作用是利用电容两端电压不能突变的特性来吸收峰值电压，电容C可按下式计算

C=(2~4)IT(AV)×10-3（uf）

电容的耐压应大于正常工作时晶闸管两端电压峰值的1.1~1.5倍。电阻一般取10~30

欧姆。

晶闸管额定电1000 500 200 100 50 20 10 流/A 电容/μf 电阻/Ω 晶闸管阻容电路经验数据

2 2 1 5 0.5 10 0.25 20 0.2 40 0.15 80 0.1 100 4.3 缓冲电路

开通缓冲电路又称di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过 冲和di/dt，减小器件的开通损耗。可给器件串联一个电感器。如果有 瞬时电流尖刺流过晶闸管，由于L的存在，电流只能缓慢上升，减小 了 电流上升率，尖刺结束时达不到峰值，减小了过电流峰值，减小的 过电流继 续流动，直到全部能量都吸收存储在L中，产生上负下正 的电压，使二极管VD反偏，将能量消耗在R上。

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晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问 题，关断时也没有较大的du/dt，因此一般采用RC吸收电路即可。

第五章 元器件选取与电路原理图

1、晶闸管的选取

整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为 Ud＝0.9 U2 cos＝0.9×220×cos0°＝198V I2＝Id＝100(A)

晶闸管承受的最大正反向电压为：

U＝220 2 ＝311（V）

流过每个晶闸管的电流的有效值为： IVT＝Id∕ 2 ＝70.7（A） 故晶闸管的额定电压为：

UN＝(2~3)×311＝622~933（V） 晶闸管的额定电流为：

IN＝(1.5~2)×70.7∕1.57＝67.5~90.1（A）

其型号为KP100-4。 2、快速熔断器的选择 IRN=70.7A

可选用RSF-1 500/80型号的。

其额定电压500V，额定电流80A。

3、压敏电阻的选择

漏电流为1mA时的额定电压U1mA应大于等于1.3 2 U。U为压敏电阻两端正常工作电压的有效值； 可选择MY31-410/3 普通型压敏电阻器，其标称电压410V，通流容量为3KA。 4、交流电网中熔断器FUI的作用是防止电路过载或短路，其熔体的额定电流应为电机额定电流的1.5~2.5倍。这里选用RL7-250/200，螺旋式熔断器，熔壳的额定电流为250A，熔体的额定电流为200A。

5、并联于晶闸管两端的RC电路有经验值得 R2 =20Ω, C2=0.25μf。 6、同步变压器T的变比为11：1。 7、单相阻容保护的计算公式为：

S: 变压器平均计算容量（VA）

U2：变压器副边相电压有效值（V） I0%:变压器激磁电流百分值。 UK%:变压器的短路电压百分值。

当变压器的容量在（10---1000）KVA里面取值时I0%=（4---10），UK%=（5---10） 电容C的单位为μf，电阻的单位为欧姆。电容C的交流耐压>1.5Ue。

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Ue为正常工作时阻容两端交流电压有效值。

在本次设计的电路中可假设电网与交流侧之间有一个变比为1:1的变压器，进而计算出

R1=5Ω，C1=13.6μf。

8、电感L的作用是平波，防止电流发生断续现象。其值要足够大。

22U3U 2 根据公式 L  2 . 87  10 2 =6.3H IdminIdmin

9、过电流继电器的作用为防止电动机过载，过电流继电器的动作值应整定在电动机额定电流的1.1~3.5倍。这里整定在1.5倍，即150A。

电路总接线图

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第六章 心得体会

课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。在这次课程设计中我们运用到了很多有关电力电子技术方面的知识，并加深了对这门课程理论知识的理解。

在这次设计中在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了思考的能力，在各种其他能力上也都有了提高。更重要的是，在实践中，我们学会了很多学习方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

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