单相全波整流电路的设计(1)

《电力电子技术》课程设计之单相全波整流电路的设计姓名学号年级专业系（院）指导教师2012/8/21目录第一章设计任务书1.1 设计目的 (2)1.2 设计要求 (2)1.3 设计内容 (2)1.4设计题目 (2)第二章设计内容2.1 方案的论证与选择 (3)2.1.1主电路的方案论证 (3)2.2 主电路的设计 (5)2.2.1 带阻感负载的单相桥式全控整流电路 (5)2.2.2 原理图分析 (6)2.3 电路方案说明 (7)第三章触发电路3.1 同步触发电路 (7)3. 2 晶闸管的触发条件 (7)3.3 晶闸管的分类 (13)3.4 同步环节 (13)3.5 脉冲形成环节 (14)3.6双窄脉冲形成环节 (14)3.7 同步变压器 (15)第四章保护电路的设计4.1 过电流保护 (16)4.2 过电压保护 (17)第五章元器件的选用 (20)第六章参数的计算 (26)第七章心得体会 (27)第八章参考文献 (28)第一章设计任务书1.1 设计目的：《电力电子技术》课程设计是配合交流电路理论教学，为自动化和电气工程及自动化专业开设的专业基础技术技能设计，是自动化和电气工程及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：单相全波整流电路的设计。

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：单相全波整流电路1.41单相单相全波整流电路的设计 1.42、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； 1.43、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（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R L =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d U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，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）。

2、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图 2.1 单相全控桥式整流电路电感性负载及其波形(a)电路； (b) 电源电压； (c) 触发脉冲； (d) 输出电压； (e) 输出电流； (f) 晶闸管V -1 , V -4上的电流； (g) 晶闸管V -2 , V -3上的电流；(h) 变压器副边电流； (i) 晶闸管V -1 , V -4上的电压R(a)(b)(c)(d)(e)(f)L(g)(h)(i)电路如图2 a) 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 2 e) 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。

(2) u d 波形如 图2（d)所示，其平均值为:当α= 0时，Ud0= 0.9 U2。

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2 i)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2 b)所示，平均值和有效值分别为： 和变压器二次电流 i 2的波形为正负各180o 的矩形波，其相位由α角决定，有效值I 2= I d 。

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，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流回电源b 端。

当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。

在u2负半周，仍在触发角α处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b 端流出，经VT3、R 、VT2流回电源a 端。

到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。

此后又是VT1和VT4导通，如此循环的工作下去，22U d U ααπωωπαπαcos 9.0cos 22)(sin 21222U U t td U U d ===⎰+晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为和。

由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。

在一个周期内，整流电压波形脉动2次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。

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，如图2.2所示，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。

整流电压平均值为： U 2sin ωtd(ωt)=2 U 2 α=0时，。

α=时，。

可见，α角的移相范围为。

向负载输出的直流电流平均值为：==0.9 U 2晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此需计算电流有效值。

流过晶闸管的电流有效值为== 变压器二次电流有效值与输出直流电流有效值I 相等，为由上面的公式可知 不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为2.3 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222U 22U 2U ⎰=παπ21Uo U π229.02cos 1=+ α2cos 1　α+209.0U U U d d ==01800=d U 0180d I 2cos 1222απ+=R U R U d 2cos 11α+R 2cos 145.0212α+==R U I I d dVT VT I ⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛παωωπ)(sin U 22122t d R t πππa a R U -+2sin 21222I παππωωπα-+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==⎰a R U t d R t U I I 2sin 21)(sin 2π12222I I VT 21=22I U S =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。