单相全控桥式晶闸管整流电路的设计(19页).doc

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1、-1 绪论1.1 电力电子技术的发展史 电力电子技术相对于其他一些高新技术来说更为边缘化，它是一门联系电力和电子的学科，电力电子技术为电能的产生和利用搭起了桥梁，为电能的输出、应用提供了更好的方式和平台，电力电子技术从根本上提高了电能的应用效率。电力电子技术的问世是在上世纪五十年代末，当第一只晶闸管研制成功之后，电力电子技术就正式进入了电气传动技术的大家族。电力电子技术在可控硅整流装置开发中发挥了重要作用，是电气传动领域中革命性的成果。 电力电子技术在上个世纪的七十年代时有了一个质的发展，晶闸管产品逐步完成了从低压小电流到高压大电流的过度，并在晶闸管的基础上开发了不能自关断的半控型器件，这就是

2、第一代的电力电子器件，它是电力电子技术历史上的一座里程碑。 电力电子技术的研究水平不断进步，制造工艺水平也不断提高，电力电子器件也随之有了更大的发展，获得了又一次的飞跃。电力电子技术的进步代表是自关断全控型第二代电力电子器件，代表产品是GTR和GTO。 电力电子技术在上个世纪的九十年代有了更进一步的发展，电力电子器件在大频率、低损耗、快响应方面有了更好表现，电力电子技术想着复台化、标准模块化、智能化、功率集成化方向发展，形成了电力电子的正式技术理论，形成了一个新的高科技领域。1.2 晶闸管 晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），开

3、辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型-普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。1.2.1 晶闸管的结构 晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。内部结构:四层三个结如图1.1所示。 图1.1晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形a)晶闸管外形 b)内部结构 c)电

4、气图形符号 d)模块外形1.2.2 晶闸管的工作原理图及触发的条件晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极，如图1.2(左)所示。由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图1.2（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。图1.2 晶闸管的内部结构和等效电路 晶闸管的门极触发条件：（1）: 晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；（2）：晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能

5、导通；（3）：晶闸管一旦导通门极就失去控制作用；（4）：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下。 晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流的电路称为门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。2 单相晶闸管全控整流电路2.1 设计方案 本课程设计采用以锯齿波同步移相触发电路I和II+单相桥式全控整流电路来实现。为了确保触发电路和主电路频率的一致，在设计中利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样就实现了触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。 2.2 总电路的原理框图系统原理方框图

6、如2.1所示：图2.1系统原理方框图2.3 单相桥式全控整流电路 电路图如图2.2所示。 图2.2 纯电阻性负载的单相桥式全控整流电路及波形 其工作原理是：正半周时，a点电位高于b点电位，两个晶闸管T1、T4同时承受正向电压。门极无触发信号，则两个晶闸管处于正向阻断状态，电源电压将全部加在T1、T4上，两个晶闸管各自承受电源电压的一半，负载电压为零。在t=时，给T1、T4同时施加触发脉冲，T1、T4即时导通，电源电压通过T1、T4加在负载上。当电源电压下降至零时，负载电流也降至零，T1、T4自然关断。在电源电压的正半周，晶闸管T2、T3始终承受反向电压而处于截止状态。 在的负半周，b点电位高于

7、a点电位，晶闸管T2、T3同时承受正向电压。在t=2+时，触发T2、T3，T2、T3导通，电流从b端流出经T3、R、T2回到电源a端，负载获得与正半周相同的整流电压和电流波形，这期间，T1、T4均承受反向电压而处于阻断状态。当过零变正时，T2、T3关断，负载电压和电流也降至零。此后，T1、T4又承受正向电压，并在t=+时被触发导通，依此循环工作。2.4 整流电路参数的计算整流输出电压的平均值可按下式计算 （2-1）当=0时，取得最大值，即= 0.9 ，取=100V则Ud =90V，=180o时，=0。角的移相范围为180o。负载电流平均值为 (2-2) 负载电流有效值，即变压器二次侧绕组电流的

8、有效值为 (2-3)流过晶闸管电流有效值为 （2-4）2.5 晶闸管的选取 1、额定电压UTN:通常取和中较小的，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，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。 晶闸管的额定电压 ，其中 :工作电路中加在管子上的最大瞬时电压。2、 额定电流 :又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。3、 参数计算如下： 取=100V；当时=90V，

9、P=500W。由P=U2/R得出R=16.5，代入（2-2）、（2-3）和（2-4）得， 负载电流的有效值，即=6.06A；流过晶闸管的电流有效值=4.29A；额定电流 =2.73A； 晶闸管承受最大反向电压为：=； 考虑到安全裕量，故晶闸管额定电压为：=（23） =282.8V424.3V；流过晶闸管电流有效值最大为：=500/90=5.56A，考虑到安全裕量，故晶闸管额定电流为：=（1.52） =8.34A11.12A，取12A。通过以上计算得知，可以取晶闸管额定电压为400V，额定电流为12A。晶闸管型号及主要参数如下：型号TYN812-E12800155303 辅助电路的设计3.1 触

10、发电路 晶闸管装置的正常工作与门极触发电路的正确、可靠的运行密切相关，门极触发电路必须按主电路的要求来设计，为了能可靠触发晶闸管应满足以下要求:(1)触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并保留足够的裕量。(2)为了实现变流电路输出的电压连续可调，触发脉冲的相位应能在一定的范围内连续可调。 (3)触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，两者频率应该相同，而且要有固定的相位关系，使每一周期都能在同样的相位上触发。(4)触发脉冲的波形要符合一定的要求。多数晶闸管电路要求触发脉冲的前沿要陡，以实现精确的导通控制。对于电感性负载，由于电感的存在，其回路中的电流不能突变，所以要

11、求其触发脉冲要有一定的宽度，以确保主回路的电流在没有上升到晶闸管擎住电流之前，其门极与阴极始终有触发脉冲存在，保证电路可靠工作。3.1.1 锯齿波同步移相触发电路I、II锯齿波同步移相触发电路I、II由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成，其原理图如图1-11所示。 图3.1 锯齿波同步移相触发电路I原理图由V3、VD1、VD2、C1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压UT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由V1、V2等元件组成的恒流源电路，当V3截止时，恒流源对C2充电形成锯齿波；当V3导通时，电容C2通过R4、V3放电。调节电位器RP1可以调节恒流源的电

12、流大小，从而改变了锯齿波的斜率。控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压在V5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，RP2、RP3分别调节控制电压Uct和偏移电压Ub的大小。V6、V7构成脉冲形成放大环节，C5为强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲，电路的各点电压波形如图1-12所示。图3.2 锯齿波同步移相触发电路I各点电压波形（） 本装置有两路锯齿波同步移相触发电路，I和II，在电路上完全一样，只是锯齿波触发电路II输出的触发脉冲相位与I恰好互差180O，所以本次课程设计用该触发电路。3.2 晶闸管的保护 晶闸管的主要缺点：过流、过压能力很差。 1.晶闸管的热容量很小：一旦过流

13、，温度急剧上升，器件被烧坏。 2.晶闸管承受过电压的能力极差：电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。正向电压超过转折电压时，会产生误导通，导通后的电流较大，使器件受损。3.2.1 过电流保护 电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种情况。而其中最常用的过电流保护的措施有快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。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。在选择快速熔断器时应考虑： 1.电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2.电流容量应按其主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接

14、，在小容量装置中也可串联于阀侧交流母线或直流母线中。3.快熔的值应小于被保护器件的允许值。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。3.2.2 过电压保护电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：1. 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。2. 雷击过电压：由雷击引起的过电压。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：1. 换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管

15、在换相结束后不能立即恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，而当恢复了阻断能力时，反向电流急剧减少，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。2. 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。过电压的保护措施中可以采用过电压抑制电路和采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（）等非线性元器件来限制或吸收过电压。而本课程设计才用的是过电压抑制电路，其典型的连接方式如图所示。 6 总电路图及仿真图3.3 RC过电压抑制电路连接方式（a为单相，b为三相

16、）4 系统仿真4.1 基于Matlab的Simulink仿真软件简介Simulink是基于Matlab的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统、船舶及汽车等，其中包括了连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等。Simulink提供了利用鼠标拖放的方法来建立系统框图模型的图形界面，而且还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码即完成整个动态系统的建模工作。除此之外，Simulink还支持Stateflo

17、w，用来仿真事件驱动过程Simulink是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面，是模块化了的编程工具，它把Matlab的许多功能都设计成一个个直观的功能模块，把需要的功能模块用连线连起来就可以实现需要的仿真功能了。也可以根据自己的需要设计自己的功能模块，Simulink功能强大，界面友好，是一种很不错的仿真工具。Simulink仿真具有以下的特点：（1）交互建模Simulink提供了大量的功能块，方便用户快速地建立动态系统模型，建模时只需要使用鼠标拖放库中的功能块，并将它们连接起来。用户可以通过将块组成子系统建立多级模型。对块和连接的数目没有限制。（2）交互仿真Simulink框图提供了交

18、互性很强的非线性仿真环境。用户可以通过下拉菜单执行仿真，或者用命令行进行批处理。仿真结果可以在运行的同时通过或者图形窗口显示。（3）能够扩充和定制Simulink的开放式结构允许用户扩充仿真环境的功能。（4）与Matlab和工具箱集成由于Simulink可以直接利用Matlab的数学、图形和编程功能，用户可以直接在Simulink下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级设计和分析能力可以通过Simulink的屏蔽手段在仿真过程中执行。（5）专用模型库Simulink的模型库可以通过专用元件集进一步扩展。由于在自动控制原理课程仿真中已经对simulink有了一定的熟悉，故

19、在本次的电力电子仿真中仍然采用的是基于Matlab的Simulink仿真软件。4.2 单相桥式整流电路的仿真单相桥式全控整流电路仿真电路图如图4.1所示：图4.1 单相桥式全控整流仿真电路图4.2.1 仿真参数的设置（1） 交流电源参数的设置，如图4.2所示。因为输出有效值为100V，所以其峰值振幅设置为141.4V，频率设为50HZ。 图4.2 交流电源参数设置（2）触发脉冲的参数设置，如图4.3与4.4所示。脉冲的峰值amplitude设为1，周期设为0.02，脉宽设为10%；而其中的延时值两个触发脉冲相差0.01，即，如图4.3所示，设为，如图4.4所示，设为，其中为延迟角的值。图4.3

20、 触发脉冲1的参数设置图4.4 触发脉冲2的参数设置 （3）晶闸管的参数设置，如图4.5所示。电阻设为0.001，电感设为0，正向电压设为0.8，初始电流设为0，缓冲电阻设为500，缓冲电容设为。图4.5 晶闸管的的参数设置(4)电阻的参数设置，如图4.6所示。电阻值设为20。图4.6 电阻的的参数设置4.2.2 仿真结果分析仿真与分析：波形图分别代表晶闸管VT上的电流、晶闸管VT上的电压、变压器二次侧绕组的电流、电阻上的电压和电流。下列波形分别是延迟角为0、60、90、120时的波形变化。（1）当延迟角=0时，波形图如图4.7所示。误差分析，由公式，=100V可得，=90V；又如图4.7a所

21、示，可以看出=139.8V，所以=89.04V；误差为： =1.07。图4.7 =0的单相桥式全控整流电路波形图图4.7a =0波形的峰值图（2）当延迟角=60时，波形图如图4.8所示。误差分析，由公式，=100V可得，=67.5V；又如图4.8a所示，可以看出=139.786V，所以=66.78V；误差为： =1.07。图4.8 =60的单相桥式全控整流电路波形图图4.8a =60波形的峰值图（3）当延迟角=90时，波形图如图4.9所示。误差分析，由公式，=100V可得，=45V；又如图4.9a所示，可以看出=139.7855V，所以=44.52V；误差为： =1.07。图4.9 =90的单

22、相桥式全控整流电路波形图图4.9a =90波形的峰值图（4）当延迟角=120时，波形图如图4.10所示。误差分析，由公式，=100V可得，=22.5V；又如图4.10a所示，可以看出=120.84V，所以=22.21V；误差为： =1.29。图4.10 =120的单相桥式全控整流电路波形图图4.10a =120波形的峰值图 4.3 仿真总结 从仿真的波形图可以很明显的看出，在纯阻性负载的情况下，其电流的波形与负载端电压的波形基本相同，并且从上一节的误差分析结果可以看出该电路的仿真误差很小，基本符合单相桥式全控整流电路各电流电压的理论波形。 5 设计体会 通过这次课程设计让我明白了很多关于电力电

23、子技术方面的知识，尤其是在课本中没有完全介绍的。要完成这次课程设计，才发现自己所学到的还远远不够，所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到了很多相关的知识，为这次课程设计做了很多帮助。对于课程设计的内容，首先要做的应是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。整流电路中，基本元件的选择是最关键的，各个器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。在设计过程中，我明白了整流电路，尤其是单相全控桥式整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。虽然设计过程中遇到很多问题，但是在同学们的帮助下和网上查找资料，最终得以解决。 整个课程设计过程中，由于理论知识的缺乏，以及对课程设计的不熟悉，课程设计还有很多不足之处，在以后的课程设计中，希望能有所改善。参考文献1 王兆安,刘进军.电力电子技术(第5版).北京：机械工业出版社,2009年5月.2 陆秀令，张振飞.电力电子技术及交直流调速技术试验指导书.湖南工学院电气与信息工程系，2009年12月.3 康华光,陈大钦,张林.电子技术基础(第5版).高等教育出版社,2005年7月.4 杨雨松.中文版电气制图教程(2008版).北京：化学工业出版社,2009年7月-第 18 页-