单相全波可控整流器的设计说明

课程设计任务书

学生：专业班级：

指导教师：周颖工作单位：自动化学院

题目: 单相全波可控整流器的设计（阻感负载）

设计要求：

1、与负载有关的参数。额定负载电压Ud=220V、额定负载电流Id=10A。

2、整流器的电源参数。电网频率为工频50Hz，电网额定电压U1=380V，电网电压波动±10%。

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、触发电路的设计。要求对触发电路各器件的导通顺序进行说明；

2、整流器主电路设计。包括负载电阻R的选择，晶闸管的选择（电流参数的选取和电压参数的选取），负载电抗器的选择；

3、保护电路的设计。保护系统是整流器的重要组成部分，其功能是在线检测装置各点的电流、电压参数时，及时发现并切除故障的进一步扩大。保护电路设计要求保护过电流、过电压和负载短路保护，以及抑制电压电流上升率；

4、参数的计算和设定；

5、应用举例；

6、心得体会。

时间安排：

月日- 日查阅资料

月日- 日方案设计

月日- 日馔写电力电子课程设计报告

月日- 日提交报告，答辩

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

1、单相全波可控整流器的设计要求及基本分析 (3)

1.1设计要求 (3)

1.2基本原理分析 (3)

2、整流器主电路的设计及元件选择 (4)

2.1 整流器主电路的设计 (4)

2.2负载电阻R的选择 (6)

2.3晶闸管的选择 (6)

2.4负载电抗器的选择 (8)

3、触发电路的设计 (8)

4、参数的设定和计算 (9)

4.1 参数的设定 (9)

4.2 参数的计算 (9)

5、保护电路的设计 (10)

5.1 过电压的产生及过电压保护 (10)

5.2 过电流保护 (11)

5.3 电流上升率、电压上升率的抑制保护 (12)

5.3.1电流上升率di/dt的抑制 (12)

5.3.2 电压上升率dv/dt的抑制 (12)

6、电路仿真 (13)

7、应用举例 (14)

8、心得体会 (15)

9、参考文献 (16)

单相全波可控整流器设计(阻感负载) 1、单相全波可控整流器的设计要求及基本分析

1.1设计要求

由课程任务书可知单相全波可控整流器的设计要求如下：

1、与负载有关的参数。额定负载电压Ud=220V、额定负载电流Id=10A；

2、整流器的电源参数。电网频率为工频50Hz，电网额定电压U1=380V，电网电压波动±10%。

1.2基本原理分析

单相全波可控整流电流也是一种实用的单相可控整流电路，又称单相双半波可控整流电路。单相全波整流器系统结构图如图1所示：

该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发电路构成。输入的信号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，不至于伤害到晶闸管和负载。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信号输入整流电路中。整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。

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。这部分的选择主要考虑到电路的简单性，所以才这样的保护电路部分。整流部分电路则是根据题目的要求，为单相全波可控整流电路。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。触发电路采用了单结晶体管直接触发电路。单结晶体管直接触发电路的移相围变化大，而且由于是直接触发电路它的结构比较简单。从一方面方便了我们对设计电路中变压器型号的选择。

单

相

交

流

电

源

整流电路

过电保护电路

触发电路

阻感负载

图1 系统总体结构框图

2、整流器主电路的设计及元件选择

2.1 整流器主电路的设计

单相全波可控整流电路的电路图如下图所示：

图2 单相全波可控整流器电路图

上图中TR为电源变压器，它的作用是将交流电网电压Ul变成整流电路要求的输入交流电压U2，R、L是系统要求的整流器的负载电阻和电感。

在电源电压Vin正半周期间，晶闸管VT1承受正向电压，晶闸管VT2承受反压，若在ωt=α时触发，VT1导通，电流经VT1 、阻感负载和TR1二次侧中心抽头形成回路，但由于大电感的存在，Vin过零变负时，电感上的感应电动势使TR1 继续导通，直到VT2被触发时，VT1承受反向电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。

在电源电压u2负半周期间，晶闸管T2 承受正向电压，在ωt=α+π时触发，T2 导通，T1反向则截止，负载电流从T1 中换流至T2中。在ωt=2π时，电压Vin过零，T2因电感L 中的感应电动势一直导通，直到下个周期T1 导通时，T3、T4因加反向电压才截止。

当负载由电阻和电感组成时称为阻感性负载。例如各种电机的励磁绕组、整流输出端接有平波电抗器的负载等等。单相全波可控整流电路带阻感性负载的电路如图2所示。由于电感储能，而且储能不能突变因此电感中的电流不能突变，即电感具有阻碍电流变化的作用。当流过电感中的电流变化时，在电感两端将产生感应电动势引起电压降UL。

负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出U d、I d的波形也不同。当负载电感量L较小（即负载阻抗角φ），控制角α>φ时，负载上的电流断续；当电感L增大时，负载上的电流断续的可能性就会减小；当电感L很大，且ωL d》R d时，这种负载称为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流的变化，负载电流连续，可看作一条水平直线。

值得注意的是，只有当α≤π/2时，负载电流才连续；当α>π/2时，负载电流断续，而且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相围是0~π/2。

各电量的波形图如图3所示：

图3 单相全波可控整流电路波形图

图3中第一个小图CP1是第一个晶闸管的触发脉冲，第二图是经变压器转换后的输入

电压Vin，第三个图是阻感负载的输出电压Vd，第四个图是流过晶闸管的的电流I2，第五

个图是负载的输出电流Id，第六个图是晶闸管VT1所承受的电压UvT。

2.2负载电阻R的选择

触发角α（00<α<900），由设计要求可知：额定负载输出电压Ud=220V，Id=10A。由于有足够大的电感的作用，整流器输出电流连续。由Ud=Id R可得：负载电阻R=Ud/Id=22

Ω。

2.3晶闸管的选择

晶闸管的选择原则：

ααπωωπαπαcos 9.0cos 22)(sin 21222U U t td U U d ===?+Ⅰ、所选晶闸管电流有效值I Tn 大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。 Ⅱ、 选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。即I Tn ＝1.57 I T(AV) ＝（1.5～2）I TM 负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算：

输出电流波形因电感很大，平波效果很好而呈一条水平线。两组晶闸管轮流导电，一个周期中各导电180，且与α无关，变压器二次绕组中电流

i 2的波形是对称的正、负方波。负载电流的平均值I d 和有效值I 相等，其波形系数为1。在这种情况下：

当α=0°时，U d =0.9U 2；

当α=90°时，U d =0，其移相围为90°。

晶闸管承受的最大反压为22U 2。又额定负载输出电压Ud =220V,由Ud=0.9U 2αcos 可以得到: U2=Ud /0.9αcos =244.44/αcos 。

考虑到安全裕量,因此所选晶闸管的的额定电压为:

Un=（2～3）*22U2

流过晶闸管的电流有效值为I VT =Id /2=10/2A=7.07A 。因此所选晶闸管额定电流

电流：

I N =（1.5～2）*7.07A=10.605～14.14A 。

考虑到电网电压的10%的波动，Ud 最大为220*(1+10%)=242V,则U 2=268.89/αcos V ，则U n=1521.07/αcos ～2281.6/αcos 。取0o =α时，U n 最小取为1521.7～2281.6V 。

2.4负载电抗器的选择

为了克服整流器输出的电流断续以及减少电流的脉动和延长晶闸管的导通时间，电路中串入了一个平波电抗器L 。为保证电流的连续，电感必须要足够的大。为保证电流连续所需的电感量L 可由下式求出： L=22U2/I d w min π=2.87x 103

-U2/I d min =81mH 3、触发电路的设计

为了保证晶闸管电路能正常、可靠的工作，触发电路必须满足以下要求：

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，并留有一定的裕量。

根据任务要求，由于整流器采用的是晶闸管，因此采用晶体管直接触发电路。

此电路是同步信号为锯齿波的触发电路，输出可为一个宽脉冲，也可为双窄脉冲，以适用于有两个晶闸管同时导通的电路，例如三相全控桥。

本设计采用单窄脉冲，电路可分为三个基本环节：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，电路中还有强触发和双窄脉冲的形成环节。现重点介绍脉冲形成，脉冲移相，同步等环节。

移相触发是早期触发可控硅的触发器。它是通过调速电阻值来改变电容的充放电时间再来改变单结晶管的振荡频率，实际改变控制可控硅的触发角。早期可控硅是依靠这样改变阻容移相线路来控制。所为移相就是改变可控硅的触发角大小，也叫改变可控硅的初相角，故称为移相触发线路，有可能用于：

（1）消除尖峰脉冲干扰，减少误触发；

（2）调整触发时间，符合电路需要；

（3）其他应用。

本设计采用单结晶体管移相触发电路，如图2所示。

由同步变压器副边输出60V 的交流同步电压，经VD1半波整流，再由稳压管V １、V2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7

及等效可变电阻V5向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压 时，单结晶体管V6导通，电容通过脉冲变压器原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。同时由于放电时间常数很小，C1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压，使V6关断，C1再次充电，周而复始，在电容C1两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。在一个梯形波周期，V6可能导通、关断多次，但只有输出的第一个触发脉冲对晶闸管的触发时刻起作用。充电时间常数由电容C1和等效电阻等决定，调节RP1改变C1的充电的时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制。电位器

RP1已装在面板上，同步信号已在部接好，所有的测试信号都

在面板上引出。单结晶体管触发电路的各点波形如图所示：

图4 晶体管移相触发电路图及各点输出波形

4、参数的设定和计算

4.1 参数的设定

设定触发角α=45o ，L 足够大,分不考虑漏感LB 和考虑漏感两种情况分析。

4.2 参数的计算

（1）没有漏感时，由αcos 9.0U U 2d =，额定负载电压Ud=220V 可得：

变压器二次侧输入电压U2≈345.7V 。

所以变压器的变比为:N1/N2=U1/U2=380/345.7≈1.1。

因为Id=10A ，则一次侧电流I1=Id/1.1≈9.09A.

所以变压器的容量为S=U1·I1=380X9.09W=3454.2W 。

有功功率P=Ud ·Id=220*10W=2200W 。

功率因数λ=P/S=2200/3454.2=63.7%。

由2.3中的分析可知，晶闸管的电流有效值为I VT =Id/2=10/2A=7.07A 。

晶闸管的的额定电压为：Un=(2～3)*22U2=1382.76/αcos ～2074.14/αcos

所以V=1955.52～2933.28V

晶闸管额定电流：I N =（1.5～2）*7.07A=10.605～14.14A 。

（2）有漏感时，U U U d 2d cos 9.0?-=α,其中U d ?为换相压降。

对于单相全波电路：π/X U B d

I d =?，其中L B w X B =为变压器的漏感。

取定.30X B =Ω 则：αππαcos 9.0/cos 9.0/I U U d d 2X U U B d d +=?+=≈347.2V 。

又因为： U X I 2B d 2/)cos(cos =+-γαα

即有：695.0)(cos =+γα，则换相重叠角73.90o =γ

5、保护电路的设计

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、du/dt 保护和di/dt 保护也是必要的。

5.1 过电压的产生及过电压保护

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和应过电压两类。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，快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。

2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。

因过电压主要来自电力电子装置部器件的开关过程，包括：

1）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能

力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与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：全控型器件在较高的频率下工作，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。

过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。

为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图5所示：

图5 RC阻容过电压保护电路图

5.2 过电流保护

当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。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。

采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。过电流保护电路如下图所示：

图6 过电流保护电路图

其流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同—个电流。因而被广泛使用。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

5.3 电流上升率、电压上升率的抑制保护

5.3.1电流上升率di/dt的抑制

晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/μs的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的围。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图7所示：

图7 串联电感抑制回路

5.3.2 电压上升率dv/dt的抑制

加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt如果t过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如图8所示：

图8 并联阻容抑制回路6、电路仿真

仿真电路图如图9所示：

仿真波形图如图10所示：

图10 仿真波形图

如上图所示，可知仿真出来的结果和理论上的波形基本形同，同时各所测电量的数值符合题目要求。

7、应用举例

单相全波可控整流电路存在着两个明显的缺点：其一，单相全波整流电路中的变压器带有中心抽头，结构复杂，而且变压器的利用率较低；其二，晶闸管所承受的的最大反压是单相全控桥式整流电路的两倍。因此应用不是很广泛，但是有利于在低输出电压的场合应用。

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，如下图11所示：

图11 直流稳压电源的组成图

在直流稳压电源的设计中也可以应用单相全波可控整流器，整流器把电网输入交流电

变为直流电，再经滤波后，稳压器再把不稳定的直流变为所需的稳定直流，从而构成一个直流稳压电源。在直流稳压电源的设计中，整流器主要是用来把高压交流输入整流输出为脉动的低压直流输入。

8、心得体会

本次电力电子技术课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。并通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较。从而进一步验证了所学的理论知识。同时，本次课程设计也为我们以后的学习打下了良好的基础。指导我们在以后的学习，多动脑的同时，要善于自己去发现并解决问题。这次的课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在你拿到题目时会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。

通过本次电力电子技术课程设计，我不仅加深了对课本专业知识的理解，同时增强了自己的自学能力。因为平时上课时只知道被动地学习理论知识，而在此次课程设计中，让我们真正做到了自己动手查阅资料、完成设计。在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了单相全波可控电路的原理以及其触发电路的设计。在这个过程中也并不是一蹴而就的，我也遇到了各种的困难。但是通过查阅资料，和同学讨论，我及时地发现了错误所在并纠正了，这也是本次电力电子课程设计的一大收获，使自己的实践动手能力有了进一步的提高，同时也增强了我对以后的学习的信心。

此外，本次课程设计不仅巩固了以前所学过的专业知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了知识的的横向和纵向拓展的重要性，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，以实践为标准，用时间来验证理论的正确性和科学性。同时提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中也发现了自己的许多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。

9、参考文献

[1] 王兆安，进军主编.电力电子技术（第五版）.：机械工业，2009.7

[2] 王云亮.电力电子技术.：电子工业，2004

[3] 良炳.现代电力电子技术基础.：清华大学，1999

[4] 志勇，徐彦琴编著.MATLAB教程.：航天航空大学，2001

[5] 周克宁.电力电子技术.：机械工业，2004

本科生课程设计成绩评定表

指导教师签字：

年月日