单相双半波整流电路设计～小杨

电力电子技术课程设计报告

题目：单相双半波晶闸管整流电路的设计指导老师：

姓名：

时间：

目录

摘要 (1)

1 前言 (1)

1 设计目的.................................................................................................................................. - 1 -

2 设计思想.................................................................................................................................. - 2 -

3 整流电路的方案选择.............................................................................................................. - 2 -

4 主电路设计.............................................................................................................................. - 3 -

4.1 总电路的原理和框图................................................................................................... - 3 -

4.2 相控触发电路............................................................................................................... - 3 -

4.3 保护电路....................................................................................................................... - 4 -

5 元件参数计算和选择.............................................................................................................. - 4 -

5.1变压器参数计算............................................................................................................ - 4 -

5.2 晶闸管参数计算与选择............................................................................................... - 5 -

5.3变压器二次侧熔断器的选择........................................................................................ - 5 -

6 MA TLAB仿真 ...................................................................................................................... - 6 - 心得体会...................................................................................................................................... - 8 - 致谢 ............................................................................................................................................. - 8 - 参考文献...................................................................................................................................... - 8 -

单相双半波晶闸管整流（纯电阻负载）电路的设计

摘要

本课程设计是利用电力电子技术中所学的知识，首先通过第2部分《设计目的》和第3部分《设计思想》对本课程设计进行了规划；通过第4部分《整流电路的方案选择》，把单相桥式全控整流电路方案与单相双半波可控整流电路方案进行了比较，确定选用单相双半波可控整流电路方案进行了整体设计；在第5部分《主电路设计》中，对电力电子器件所构成的单相双半波可控整流基本电路分主电路、触发电路、保护电路进行了描述；在第6部分《元件参数计算和选择》中，对电路参数进行了计算和分析，并确定了元件型号；最后利用MATLAB软件中的Simulink进行了电气仿真，对所设计电路进行检验验证。

关键词：电力电子技术控制整流

1 前言

电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。

随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流的基础是整流电路。

由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好课程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛，而单相全控桥式晶闸管整流电路又有利于夯实基础，故我们选将单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。

2 设计目的

本课程设计是利用电力电子技术中所学的知识对单相双半波整流电路进行了整体设计，并利用MATLAB软件中的Simulink进行了电气仿真，对所设计电

路进行检验验证。通过本课程设计使我们充分对电力电子技术中各个电路深入理解，培养我们利用电力电子技术解决工程技术问题的能力。同时提高我们查阅资料、运用计算机辅助工具绘制原理图和阅读原理图的能力；从而加深对电力电子知识的系统掌握，提升动手能力，学会使用基本的电路仿真软件，获得初步的应用经验，为我们走出校门从事电力电子技术的相关工作打下基础。

3 设计思想

（1）分析电力电子技术所学各类整流电路的特点、性质，并以此提出本设计所采用的整流电路设计初步方案。

（2）确定整体电路的总体设计，包括：整流电路供电端的电压类型、变压器、整流电路、触发电路和最后系统的负载类型。

（3）对整流模块电路、触发电路等进行方案的对比分析选出所需电路。

（4）搭建MATLAN电气仿真模块，对所设计电路进行检验和调试。

4 整流电路的方案选择

方案一：单相桥式全控整流电路

图1电路对每个导电回路进行控制，不用续流二极管也不会出现失控现象，负载形式多样、整流效果好、波形平稳所以应用广泛。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。并且单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，功率因素高的特点。但是，电路中需要四只晶闸管，且触发电路要分时触发一对晶闸管，电路复杂，两两晶闸管导通的时间差用分立元件电路难以控制。

图1 单相桥式全控整流电路

方案二：单相双半波可控整流电路

图2单相双半波可控整流电路又称单相全波可控整流电路。该电路的变压器是带中心抽头，在u2正半周期T1工作，变压器二次绕组上半部分流过电流。u2负半周期，T2工作，变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流。单相全波可控整流电路的U d波形与单相全控桥的一样，交流输入端电流波形一样，变压器也不存在直流磁化的问题。当接其他负载时，也有相同的结论。因此，单相全波与单相全控桥从直流输入端或者从交流输入端看均是一致的。适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时）。

图2 单相全波可控整流电路

综合上述，比较两电路结构的优缺点，本设计采用单相全波可控整流电路作为主电路。

5 主电路设计

5.1 总电路的原理和框图

总电路框图如图3所示：

图3 总电路框图

该电路主要由四部分构成，分别为电源，整流电路，触发电路和过电保护电路构成。输入的电压经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于损坏晶闸管和负载。在电路中还加了防雷击的保护电路。然后将经变压和保护后的电压输入整流电路中。

在电路中,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护,而过压保护则采用RC电路。整流部分电路则是根据题目的要求，我们选择学过的单相全波整流电路。该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能。单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大，而且是直接触发电路结构比较简单。另外，方便设计电路中变压器型号的选择

5.2 相控触发电路

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。触发电路对其产生的触发脉冲要求：

①触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

②触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

③触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

④触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。

单结晶体管触发电路：单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。它由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成。其原理图如图4所示。

图4 相控触发电路原理图

5.3 保护电路

(1)过电流保护

当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。

(2)过电压保护

设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，因此，必须对电力电子装置进行适当的过电压保护。

图5 过流、过压保护电路原理图

6 元件参数计算和选择

6.1变压器参数计算

(1)变压器二次侧电压的计算

电源电压交流100/50Hz ，输出功率：500W ，移相范围：0°至180°。

设?

=Ω=025.1α，R 则据：R U P 2d = 得：Ud =25V (2)变压器一 、二次侧电流的计算

A I R I P 20,d 2d ==

A I I N N U U 54

1425100d 12121====，， (3)变压器容量的计算

VA UI S k 5.05100=?==

(4)变压器型号的选择

VA S N N k 5.01:4:21==和

6.2 晶闸管参数计算与选择

晶闸管的主要参数如下：

(1)额定电压NVT U

① 断态重复峰值电压DRM U ：断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的峰值电压。

②反向重复峰值电压RRM U ：反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

通常取DRM U 和RRM U 中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压要留有一定裕量，应为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压{}RRM NVT U U ,m in U DRM =

V U U NVT )1.212~4.141(22)3~2(2=≥

(2)额定电流NVT I

A I I VT 102d == A I I VT NVT )5.25~1.19(57

.1)2~5.1(=≥ A I NVT 20=

晶闸管的选择原则：(1)晶闸管电流有效值VT I 大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。(2)考虑（1.5～2）倍的安全裕量。

在本设计中选用2个KP20-2的晶闸管.

6.3变压器二次侧熔断器的选择

采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：

(1)电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

(2)电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一

般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。

(3)快熔的t 2I 值应小于被保护器件的允许t 2I 值。 (4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。

因为晶闸管的额定电流为20A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为30A 。

7 MATLAB 仿真

图6 MA TLAB 仿真电路

图中pulse generation 产生脉冲信号，通过更改其中的phase delay 调整相角，示波器scope 记录各处产生的电压、电流和功率波形。

仿真结果：

图7 当?

=0α时，仿真波形结果

图中Vi 为交流电源端电压，V0为负载电压，I 为负载端电流，P 为输出功率。 当?

=60α时，仿真波形如下所示。在触发延迟角到来前，V0为负载电压为0。当触发脉冲到来后，VT1晶闸管两端承受反向电压，此时VT2晶闸管导通加在负载上，实现双半波整流输出。其他阶段类似。

图8 当?

=60α时，仿真波形结果

图9 当?

=120α时，仿真波形结果

图10 当?

=180α时，仿真波形结果 当?=180α时，电源电压始终加在晶闸管两端，输出端电压恒为0，电路中至始至终没有形成电流。 综合以上，对电路中的单个晶闸管进行分析可知，当0<α<180°时，在一个周期内，前半波触发角到来前，由VT2晶闸管承受电源电压，触发脉冲到来后，VT1晶闸管导通，电源电压几乎完全加在输出端，后半个周期后，由VT1晶闸管承受电源电压，触发脉冲到来后，VT2晶闸管导通。当α≥180°后，电路在整个周期都处于关断状态，电源电压完全由晶闸管承担。得出结论，α的移相范围为0~180°。

心得体会

致谢

参考文献

[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M]. 北京： 高等教育出版社 2006.1

[2]王兆安，刘进军 . 电力电子技术[M]. 北京： 机械工业出版社 2012.7

[3]陈哲. 电力电子器件与变流技术问答[M]. 沈阳： 东北大学出版社 2011.2