课程设计--------单相半控桥式晶闸管整流电路设计(阻感负载)
课程设计--------单相半控桥式晶闸管整流电路设计(阻感负载)
《电力电子技术》课程设计说明书单相半控桥式晶闸管整流电路设计院、部：电气及信息工程学院学生姓名：**指导教师：王翠职称副教授专业：自动化班级：自本1001 班完成时间：2013 年5 月23日前言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，而单相半控桥式晶闸管整流电路又有利于夯实基础，故我们将单结晶体管触发的单相晶闸管半控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。
摘要单向桥式半控整流电路实际上是由单相桥式全控电路简化而来的。
在单相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有两个晶闸管，即用两个晶闸管同时导通以控制导电的回路。
但实际上为了对每个导电回路进行控制，只需要一个晶闸管就行了，另一个晶闸管可以用二级管代替，从而得到单向半控桥式整流电路。
除了用二极管代替晶闸管以外，该电路在实际应用中需加设续流二极管RVD，以避免可能发生的失控现象。
实际运行中，若无续流二极管，则当突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续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du为正弦，另外半周期du为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，称为失控。
单相半控桥式整流电路设计
摘要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。
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。
整流电路的应用十分广泛。
广泛的应用于直流电动机、电镀、电解电源、同步发电机励磁、通信系统电源灯。
本设计研究了单相半控桥式整流电路，对整流电路的原理及特点进行了分析，对整流元件进行了参数计算并选择出了合适的器件。
本设计选择KJ004集成触发器做为晶闸管的触发电路，详细的介绍了KJ004的工作原理。
本设计还设计了合理的保护电路。
最后利用simulink搭建仿真模型。
关键词：半控整流，驱动电路，保护电路，simulink仿真单相半控桥式整流电路设计1 主电路的设计1.1设计目的(1)、把从电力电子技术课程中所学到的理论和实践知识，在课程设计实践中全综合的加以运用，使这些知识得到巩固、提高，并使理论知识与实践技能密切结合起来。
(2)、初步树立起正确的设计思想，掌握一般电力电子电路设计的基本方法和技能，培养观察、分析和解决问题及独立设计的能力，训练设计构思和创新能力。
(3)、培养具有查阅参考文献和技术资料的能力，能熟悉或较熟悉地应用相关手册、图表、国家标准，为今后成为一名合格的电气工程技术人员进行必须的基本技能和基本素质训练。
1.2整流电路的选择整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。
大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。
20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。
滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。
变压器设置与否视具体情况而定。
变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。
课题3.单相半波可控整流电路(电阻性负载)
O id Id O i VT
w t
w t
Id p - a p + a
i VD
O
R
w t
O u
VT
w t
O
w t
二、单相半波可控整流电路—阻感性负载
u
2.工作原理
在电源电压负半波（π～2π区间），
电感的感应电压使续流二极管VD 承受正向电压导通续流，此时电 源电压u2＜0，u2通过续流二极管 负载两端的输出电压仅为续流二 极管的管压降。如果电感足够大，
门极 脉冲
wt
输出 电压
wt1
p
2p
q
uVT 0
wt
VT电压 波形
wt1
p
2p
wt
单相半波可控整流电路—电阻性负载
2.工作原理
电源 波形 u 2 0 ug 0a ud
wt1
p
2p
wt
当
a 45
o
时，晶闸管承受正向
电压，同时，晶闸管的控制极有触
u2 u2 ud
门极 脉冲
wt
发信号，晶闸管导通，负载上得到 输出电压 的波形是与电源电压 相同
门极 脉冲
wt
信号，晶闸管处于关断截止状态，
负载上无电压输出
u d =0。
输出 电压
wt1
p
2p
q
uVT 0
wt
VT电压 波形
wt1
p
2p
wt
单相半波可控整流电路—电阻性负载
2.工作原理
当
a 45
o
u 2 电源 波形 0 ug 0a ud
时，晶闸管承受正向
wt1
p
2p
单相桥式半控整流电路
图3 单相半控桥电感性负载不接续流二极管的情况分析
四、单相桥式半控接续流二极管整流电路
➢有 续 流 二极 管 VDR 时 ， 续 流过 程 由 VDR完成，晶闸管关断，避免了某一 个晶闸管持续导通从而导致失控的现 象。同时，续流期间导电回路中只有 一个管压降，有利于降低损耗。
图4单相桥式半控整流电路接续流二极管的电路及波形
单相桥式半控整流电路
一、单相桥式半控整流电路（不接续流二极管）
单相全控桥中，每个导电回路中有2个 晶闸管，为了对每个导电回路进 行控制， 只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可 以用二极管代替，从而简化整个电路。如 此即成为单相桥式半控整流电路。（该电 路未接续流二极管）
图1 单相桥式半控带感性负载电路
图2 单相桥式半控整流电路，阻感负载时 的电路及波形
二、单相桥式半控整流电路工作原理
在u2负半周触发角α时刻触发VT3，VT3 导通，则向VT1加反压使之关断，u2经 VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时， VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud
又为零。 半控整流电路与全控整流电路在电阻负载 时的工作情况相同。
二、单相桥式半控整流电路工作原理
在u2正半周，触发角α处给晶闸管VT
加触发脉冲，u2经VT1和VD4向负载供电。
当u2过零变负时，因电感作用使电流
连续，VT1继续导通。但因α点电位低于b 点 电 位 ， 使 得 电 流 从 VD4 转 移 至 VD2， VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组， 而是由VT1和VD2续流。
五、接续流二极管整流电路数量关系
➢晶闸管和二极管电流有效值 ➢续流二极管电流有效值 ➢变压器二次侧电流有效值
I DR I d
单相半控桥式晶闸管可控整流电路(阻感负载)
西安交通工程学院《电力电子技术》课程设计报告题目：单相半控桥式晶闸管可控整流电路（阻感负载）专业班级: 电气工程及其自动化1402班姓名：康爽陈绪磊任旭豪时间：2016年12月16日指导教师：贾亚娟完成日期：2016年12月30日设计任务书1．设计目的与要求1.1设计一个单相半控桥式晶闸管可控整流电路（阻感负载）（无续流二极管）设计要求：（1）电源电压：交流100V/50Hz；（2）输出功率：500W；（3）移相范围：0°～180°。
1.2设计一个单相半控桥式晶闸管可控整流电路（阻感负载）（有续流二极管）设计要求：（1）电源电压：交流100V/50Hz；（2）输出功率：500W；（3）移相范围：0°～180°。
2．设计内容（1）根据课程设计题目，收集相关资料，并设计出主电路和控制电路；（2）用MATLAB软件对设计的电路进行仿真；（3）撰写课程设计报告，并画出主电路、控制电路的原理图，说明其工作原理以及选择元件参数，绘制主电路和触发电路的波形，并给出仿真波形，对仿真结果进行分析，附参考资料。
3．编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。
4．答辩在规定时间内，完成叙述并回答问题。
目录1 引言 (1)2 总体设计方案 (1)2.1 设计思路 (1)2.1.1单相半控桥式晶闸管可控整流电路控制流程 (1)2.2 总体设计框图 (2)3 设计原理分析 (2)3.1单相半控桥式晶闸管可控整流电路（阻感负载）（无续流二极） (2)3.2单相半控桥式晶闸管可控整流电路（阻感负载）（有续流二极管） (3)4参数选择 (4)4.1元件清单 (4)4.2 整流元件的选择 (4)4.2.1晶闸管结构 (4)5 总结与体会 (5)参考文献 (6)单相桥式半控整流电路摘要: 电力电子技术课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。
本次课程设计要完成单相桥式半控整流电路的设计，对电阻负载供电，并使输出电压在0到180伏之间连续可调，由于是半控电路，因此会用到晶闸管。
单相半控桥式整流电路
一、实验基本内容1.实验名称：单相半控桥整流电路实验2.已知条件：a)工作电路原理图图1 工作原理图b)理想工作波形c)产生失控现象的原因及理论结果对于单相桥式半控整流电路，在正常运行的情况下，如果突然把触发脉冲切断或者将触发延迟角α增大到180°，电路将产生“失控”现象。
失控原因：正在导通的晶闸管的关断必须依赖后续晶闸管的开通，如果后续晶闸管不能导通，则已经导通的晶闸管就无法关断。
失控结果：失控后，一个晶闸管持续导通，两个二极管轮流导通，整流输出电压波形为正弦半波，即半周期为正弦波，另外半周期为零，输出电压平均值恒定。
d)各物理量基本数量关系（感性负载）Ⅰ.输出直流电压平均值U dU d=1π2παsinwtd(wt)=0.9U21+cosα2Ⅱ.负载电流平均值I d=U dR =0.45U2R1+cosα2Ⅲ.流过晶闸管的电流有效值I VTI VT=I VD=π−α2πI dⅣ.流过晶闸管的电流平均值I dVTI dVT=I dVD=π−α2πI dⅤ.变压器二次电流有效值I2I2=1πI d2d(ωt)π+αα=I d=2I VTⅥ.续流二极管电流有效值I VD RI VTR =απI dⅦ.续流二极管电流平均值I dVT RI dVTR =απI d3.实验目标：a)实现控制触发脉冲与晶闸管同步；b)观测单相半控桥在纯阻性负载时的移相控制特点，测量最大移相范围及输入-输出特性；c)观测单相半控桥在阻-感性负载时的输出状态，制造失控现象并讨论解决方案。
二、实验条件1.主要设备仪器a)电力电子及电气传动教学实验台i.型号MCL-Ⅲ型ii.生产厂商浙江大学求是公司b)Tektronix示波器i.型号TDS2012ii.主要参数带宽:100MHz最高采样频率：1GS/sc)数字万用表i.型号GDM-81452.小组人员分工u 2abVT1VT2VD2VD4Ru da)实验主要操作人辅助操作人电流表监控影像记录数据记录b)报告实验基本内容描述实验图片整理实验图片处理实验条件阐述实验过程叙述数据处理电路仿真讨论思考题讨论结果整理实验综合评估报告整合排版三、实验原理1.阻性负载如图所示为带阻性负载时单相桥式半控整流电路。
单相桥式半控整流电路的设计
2.2主要元器件的选择
1)晶闸管的选取
图2晶闸管的结构及符号
晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。
晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 其结构及符号如图2所示。由于单相桥式半控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。
单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度，主要决定于电容器放大电的时间常数。R1或C太小，放电快，触发脉冲的宽度小，不能使晶闸管触发。因为晶闸管从阻断状态到完全导通需要一定时间，一般在10uf以下，所以触发脉冲的宽度必须在10uf以上。但是，若C值太大，由于充电时间常数（RP+R）C的最小值决定于最小控制角，则（RP+R）就必须很小，如上所述，这将引起单结晶体管的直通现象。如果R1太大，当单结晶体管尚未导通时，其漏电流就可能在R1上产生较大的电压，这个电压加在晶闸管的控制极上而导致误触发。一般规定，晶闸管的不触发电压为0.15~0.3V，所以上述电压不应大于这个数值。
3）晶闸管 提取路径：Simulink\SimpowerSystem\Power Electronics\Thyristor
（3）随着发射极电流ie不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不在降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压，Vv和谷点电流Iv。
（4）过了V点后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢地上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ve＜Vv，管子重新截止。
单相桥式半控整流电路阻感负载移相范围
单相桥式半控整流电路是一种常见的电子电路，用于将交流电转换为直流电。
在许多电力电子应用中，这种电路被广泛应用。
在这篇文章中，我们将重点讨论单相桥式半控整流电路在阻感负载移相范围内的应用和特性。
1. 半控整流电路的基本原理单相桥式半控整流电路由四个功率晶闸管和四个二极管组成，其基本原理是通过控制晶闸管的导通角度来控制整流电路的输出电压和电流。
在半控整流电路中，晶闸管在每个交流周期内只进行一次导通，通过改变晶闸管的导通角，可以实现电压和电流的控制。
2. 阻感负载移相范围在实际应用中，半控整流电路通常用于驱动感性负载，如电感、变压器等。
在这种情况下，负载的电流和电压波形将出现移相现象，这是由于感性负载的特性所导致的。
在移相范围内，整流电路的性能和稳定性会发生改变，需要进行合适的设计和控制。
3. 移相现象的原因当桥式半控整流电路驱动感性负载时，感性负载将导致电流和电压波形的移相现象。
这是由于感性负载的特性，即在感性元件中通过的电流滞后于电压。
在整流电路中，感性负载的移相现象将导致输出电流的波形发生变化，对电路的稳定性和性能产生影响。
4. 整流电路的适应性在阻感负载移相范围内，整流电路需要具有良好的适应性，能够稳定地驱动感性负载并保持整流电流的稳定性。
这需要对整流电路进行合理的设计和参数选择，以确保在移相范围内仍能保持较好的性能和稳定性。
5. 控制策略在阻感负载移相范围内，需要采取合适的控制策略来实现整流电路对感性负载的稳定驱动。
常见的控制策略包括改变晶闸管的触发脉冲相位、调整晶闸管的触发角度等。
通过合理的控制策略，可以实现整流电路在移相范围内的稳定运行。
6. 参数设计在设计阻感负载移相范围内的半控整流电路时，需要进行合理的参数设计。
这包括选择合适的晶闸管类型和参数、确定适当的触发脉冲相位、优化感性负载参数等。
合理的参数设计可以提高整流电路的性能和稳定性。
7. 应用案例针对阻感负载移相范围内的半控整流电路，在实际应用中存在着大量的案例和经验。
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《电力电子技术》课程设计说明书单相半控桥式晶闸管整流电路设计院、部：电气及信息工程学院学生姓名：刘波指导教师：王翠职称副教授专业：自动化班级：自本1001 班完成时间：2013 年5 月23日前言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，而单相半控桥式晶闸管整流电路又有利于夯实基础，故我们将单结晶体管触发的单相晶闸管半控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。
摘要单向桥式半控整流电路实际上是由单相桥式全控电路简化而来的。
在单相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有两个晶闸管，即用两个晶闸管同时导通以控制导电的回路。
但实际上为了对每个导电回路进行控制，只需要一个晶闸管就行了，另一个晶闸管可以用二级管代替，从而得到单向半控桥式整流电路。
除了用二极管代替晶闸管以外，该电路在实际应用中需加设续流二极管RVD，以避免可能发生的失控现象。
实际运行中，若无续流二极管，则当突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续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du为正弦，另外半周期du为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，称为失控。
有续流二极管RVD时，续流过程由RVD完成，在续流阶段晶闸管关断，这就避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。
总的来说，单相桥式半控整流电路具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，而且不会导致失控显现，续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。
关键字：单相，半控，续流二极管AbstractChanXiangQiao type half controlled rectifier circuit is actually made up of single-phase bridge type all control circuit is simplified. Single-phase bridge type all control the rectifier circuit, each electrical circuit has two thyristor, in which two thyristor conduction to control electric circuit at the same time. But in fact, in order to control each conductive loop, need only a thyristor, another thyristor diode can be used instead, one-way half controlled bridge rectifier circuit is obtained.In addition to using diode instead of thyristor, the electric circuit in the actual application needs to be added a fly-wheel diode RVD, in order to avoid the possibility of out of control phenomenon. In actual operation, without the fly-wheel diode, is when the suddenly increases to 180 or trigger pulse is lost, will happen a thyristor continuous conduction and two diode conduction in turn, this makes du sine half-wave, du half a cycle of sine, another half cycle du is zero, the average constant, equivalent to a single phase half wave of uncontrolled rectifier circuit waveform, called the out of control. A fly-wheel diode RVD, postproduction process completed by RVD, the fly-wheel phase thyristor turn-off, this avoids a thyristor conduction and lead to runaway phenomenon. In general, single phase bridge type half controlled rectifier circuit has simple circuit, convenient adjustment, the advantages of less component, and does not lead to out of control, stream during the conductive loop only one pipe pressure drop, a pipe pressure drop, less conducive to reduce wear and tear.Key words: single phase，half controlled，fly-wheel diode目录前言........................................................................................................... 摘要 (I)一、工作原理 01.1单相半控桥式晶闸管可控整流电路（阻感负载）（无续流二极管） 01.2驱动电路的设计 (2)二、基本电量计算 (5)2.1 通过变压器副边绕组的电流有效值I2 (5)2.2 流过晶闸管和整流管的电流平均值和有效值分别为 (5)三、参数计算 (6)3.1单相半控桥式晶闸管可控整流电路（阻感负载）（无续流二极管） (6)四、仿真电路及仿真结果 (8)4.1阻感负载（无续流二极管）仿真电路图： (8)4.2阻感负载（无续流二极管）仿真结果波形图 (9)五、小结 (10)六、课程设计心得 (11)七、参考文献 (12)一、工作原理1.1单相半控桥式晶闸管可控整流电路（阻感负载）（无续流二极管）图1-1 阻感性负载（无续流二极管）的主电路正半波，在tω=∂时触发,VT1假设负载电流因电感足够大而平直，当电源u2后VT1、VT2导通，电流通路为A- VT1-L-R- VT2-B,电流由电源提供；当tω=π后，经零变负，但由于电感电势的作用，电流仍将继续，电感通过R-VD1-VT1电源电压u2回路放电。
在tω=π处，二极管VD2电流给VD1，电流i VD2及i2终止，在tω=π～（π+∂）区间电流由电感释放电能提供。
当tω=（π+∂）时触发VT2导通，由于VT2的导通才能使VT1承受反压而关断，其后的工作过程与前半周类似。
由此可见，VT1触发导通后，需VT2的触发导通才能关断。
因此流过晶闸管的电流在一个周期内各占一半，其换流时刻由门极触发脉冲决定；而二极管VD1、VD2的导通与关断仅由电源电压的正负半波决定，在tω=nπ(n为正整数)处换流，所以单相半控桥式整流电路电感负载时各元件导通角均为1800，电源在 区间内停止对负载供电。
半控桥式整流电路中的整流二极管VD1、VD2本身兼有续流二极管的作用，因此电路中不需另加续流二极管。
但如果在工作中出现异常，比如VT2的触发脉冲消失，则VT1由于电感续流作用将不能关断，等到下一个正半波到来时，VT1无需触发仍继续导通，结果是：一只晶闸管与两只二极管之间轮流导电，其输出电压失去控制，这种情况称之为“失控”。
失控时的的输出电压相当于单相半波不可控整流时的电压波形。
在失控情况下工作的晶闸管由于连续导通很容易因过载而损坏。
因为半导体本身具有续流作用，半控电路只能将交流电能转变为直流电能，而直流电能不能返回到交流电能中去，即能量只能单方向传递。
同理，带续流二极管的全控电路能量也只能单方向传递。
图1-2 主电路典型的实际输出波形图1-3 主电路典型的理论输出波形1.2驱动电路的设计晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等；所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻—电感性负载、反电势负载等。
尽管不同情况对触发电路的要求也不同，但是其基本的要求却是相同的，具体如下（a）触发信号应有足够的功率这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流手温度影响会发生变化。
例如元件温度为1000C时触发电流、电压值比在室温时低2—3倍；元件温度为-400C时触发电流、电压值比在室温时高2—3倍；为了使元件在各种工作条件下都能可靠的触发，可参考元件出厂的实验数据或产品目录，设计触发电路的输出电压、电流值，并留有一定的裕量。
一般可取两倍左右的触发电流裕量，而触发电压按触发电流的大小来决定，但是应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。
（b）触发脉冲信号应有一定的宽度普通晶闸管的导通时间一般为6us，故触发脉冲的宽度至少应有6us以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应该更大些，通常为0.5ms—1ms，否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的擎住电流时，此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。