1、- 1目 录摘要 .21 前言 .22 主电路设计 .32.1 系统流程框图 .32.2 主电路的设 计 .32.2.1 整流 电路及波形图 .32.2.2 工 作原理 .42.2.3 整流电路的参数计算 .52.3 晶闸 管元件的选择 .63 触发电路 的设计 .84 保护电路的 设计 .115 仿真波形 .11心得体会 .18参考文献 .18- 2摘 要整流电路技术在工业生产上应用极广。如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。整 流 电 路 就 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
2、波 器 等 组 成 。 它 在 直 流 电 动 机 的 调 速 、 发电 机 的 励 磁 调 节 、 电 解 、 电 镀 等 领 域 得 到 广 泛 应 用 。 整流电路按组成的器件不同，可分为不可控、半控与全控三种，利用晶闸管半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路；按电路接线方式可分为桥式和零式整流电路；按交流输入相数又可分为单相、多相（主要是三相）整流电路。正是因为整流电路有着如此广泛的应用，因此整流电路的研究无论在是从经济角度，还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。1 前言在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应
3、用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。整 流 电 路 通 常 由 主 电 路 、 滤 波 器 和 变 压 器 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
4、 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 （ 可 减 小 电 网 与 电 路 间 的 电 干 扰 和 故 障 影 响 ） 。 整 流 电 路 的种 类 有 很 多 ， 有 半 波 整 流 电 路 、 单 相 桥 式 半 控 整 流 电 路 、 单 相 桥 式 全 控 整流 电 路 、 三 相 桥 式 半 控 整 流 电 路 、 三 相 桥 式 全 控 整 流 电 路 等
5、 。- 3单 相 全 控 桥 式 晶 闸 管 整 流 电 路 (阻 感 负 载 )的 设 计2 主 电 路 的 设 计2.1系 统 流 程 框 图根据方案选择与设计任务要求，画出系统电路的流程框图如图 5 所示。整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路带阻感性负载。输入 过电流保护 整流主电路过电压保护驱动触发电路输出图 2.12.2主电路的设计2.2.1 整流电路及波形图图 2.2 单相桥式全控整流电路图（阻感负载）- 4图 2.3 单相桥式全控整流电路图（阻感负载，带反电动势）图 2.4 单相桥式全控整流电路图（阻感负载）时的波形2
6、.2.2 工作原理在电源电压 正半周期间，VT1、VT2 承受正向电压，若在 时触发，2u tVT1、VT2 导通，电流经 VT1、负载、VT2 和 T 二次侧形成回路，但由于大电感2O w tO w tO w tu di di 2O w tO w tu VT1,4O w tO w tI dI dI dI dI di VT2,3i VT1,4u- 5的存在， 过零变负时，电感上的感应电动势使 VT1、VT2 继续导通，直到2uVT3、VT4 被触发导通时，VT1、VT2 承受反相电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压 负半周期间，晶闸管 VT3、VT4 承受正向电压，在2u时触发
7、，VT3、 VT4 导通，VT1、VT2 受反相电压截止，负载电流从tVT1、VT2 中换流至 VT3、VT4 中在 时，电压 过零，VT3、VT4 因电感2t2u中的感应电动势一直导通，直到下个周期 VT1、VT2 导通时，VT3、VT4 因加反向电压才截止。值得注意的是，只有当 时，负载电流 才连续，当 时，负载2di2电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是 。202.2.3 整流电路的参数计算1）整流输出电压的平均值可按下式计算= = = （公式 1）dUtdsin2 cos2Ucos9.02当 =0时， 取得最大值,即 = 0.9 。从 =100 可以
8、而得出dd22U=90V，=90 o 时， =0。 角的移相范围为 90o。d2）整流输出电压的有效值为=30V （公式EtdU22sin12）3）整流电流的平均值和有效值分别为（公式cos9.0I2ddR- 63）（公式dRUI24）4)为保证电流连续所需电感量 L 可有下式求出：（公式H2087.2Lmin3dmin1IId5）5)在一个周期内每组晶闸管各导通 180，两组轮流导通，变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值 和有效值 相等，其波形系数为 1。dII流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为：（公式ddTdVIII2126）（公式dddTV III212I7）6)晶闸管在
9、导通时管压降 =0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT 1 和TuVT2 加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4 已导通，把整个电压 加到2uVT1 或 VT2 上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于 ;VT1 和 VT2U反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整 个电压 加到2VT1 或 VT2 上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为 。22.2 晶闸管元件的选择由于单相桥式全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。- 71).晶闸管的主要参数如下： 额 定 电 压 UTn通 常 取 UDRM 和 URRM 中 较 小 的
10、 ， 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 2 3 倍 ， 以 保 证电 路 的 工 作 安 全 。晶 闸 管 的 额 定 电 压 RMDTn,miUTn （ 23） UTM （公式8）UTM ： 工 作 电 路 中 加 在 管 子 上 的 最 大 瞬 时 电 压 额 定 电 流 IT(AV) IT(AV) 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
11、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 。要 注 意 的 是 若 晶 闸 管 的 导 通 时 间 远 小 于 正 弦 波 的 半 个 周 期 ， 即 使 正 向 电 流值 没 超 过 额 定 值 ， 但 峰 值 电 流 将 非 常 大 ， 可 能 会 超 过 管 子 所 能 提 供 的 极 限 ， 使管 子 由 于 过 热 而 损 坏 。在 实
12、 际 使 用 时 不 论 流 过 管 子 的 电 流 波 形 如 何 、 导 通 角 多 大 ， 只 要 其 最 大 电流 有 效 值 ITM ITn ,散 热 冷 却 符 合 规 定 ， 则 晶 闸 管 的 发 热 、 温 升 就 能 限 制 在 允 许的 范 围 。ITn ： 额 定 电 流 有 效 值 ， 根 据 管 子 的 IT(AV) 换 算 出 ，IT(AV) 、 ITM ITn 三 者 之 间 的 关 系 ：（公式 9）mn Itd2)(si(m2/102（公式 10）)(inI/0)(AVT ItI波 形 系 数 ： 有 直 流 分 量 的 电 流 波 形 ， 其 有 效 值
13、与 平 均 值 之 比 称 为 该 波TITdI形 的 波 形 系 数 ， 用 Kf 表 示 。- 8（公式 11）TdfIK额 定 状 态 下 ， 晶 闸 管 的 电 流 波 形 系 数（公式 12）1.2)( mAVTnf IIK= = = （公式 13）dUtdsi1 cos2Ucos9.02晶闸管承受最大电压为 考虑到 2 倍裕量，VTM142取 300V。晶 闸 管 的 选 择 原 则 ： 、 所 选 晶 闸 管 电 流 有 效 值 ITn 大 于 元 件 在 电 路 中 可 能 流 过 的 最 大 电 流 有效 值 。 、 选 择 时 考 虑 （ 1.5 2） 倍 的 安 全 余
14、量 。 即 ITn 0.707IT(AV) （ 1.5 2） ITM（公式1.).()(AVTI14）因为 ,则晶闸管的额定电流为 =10A(输出电流的有效值为最2/ITAVTI小值，所以该额定电流也为最小值)考虑到 2 倍裕量,取 20A.即晶闸管的额定电流至少应大于 20A.在本次设计中我选用 4 个 KP20-4 的晶闸管. 、 若 散 热 条 件 不 符 合 规 定 要 求 时 ， 则 元 件 的 额 定 电 流 应 降 低 使 用 。 通 态 平 均 管 压 降 UT(AV) 。 指 在 规 定 的 工 作 温 度 条 件 下 ， 使 晶 闸 管 导 通 的 正弦 波 半 个 周 期
15、 内 阳 极 与 阴 极 电 压 的 平 均 值 ， 一 般 在 0.4 1.2V。 维 持 电 流 IH 。 指 在 常 温 门 极 开 路 时 ， 晶 闸 管 从 较 大 的 通 态 电 流 降 到 刚 好能 保 持 通 态 所 需 要 的 最 小 通 态 电 流 。 一 般 IH 值 从 几 十 到 几 百 毫 安 ， 由 晶 闸- 9管 电 流 容 量 大 小 而 定 。 门 极 触 发 电 流 Ig 。 在 常 温 下 ， 阳 极 电 压 为 6V 时 ， 使 晶 闸 管 能 完 全 导 通 所需 的 门 极 电 流 ， 一 般 为 毫 安 级 。 断 态 电 压 临 界 上 升 率
16、 du/dt。 在 额 定 结 温 和 门 极 开 路 的 情 况 下 ， 不 会 导 致 晶闸 管 从 断 态 到 通 态 转 换 的 最 大 正 向 电 压 上 升 率 。 一 般 为 每 微 秒 几 十 伏 。 通态电流临界上升率 di/dt。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。3 触发电路的设计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： 触发信号可为直流、交流或脉冲电压。 触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流
17、） 。由闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散性很大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流 Igt、门极触发电压U 是指该型号的所有合格器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通，对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为 0.5-1M
18、S，相当于 50HZ、18 度电度角。为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在 触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。 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。触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉- 10冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。 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。例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，要求触发脉冲的移项
19、范围是0 度-180 度，带大电感负载时，要求移项范围是 0 度-90 度；三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是 0 度-90 度。触发脉冲与主电路电源必须同步。为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角 被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。触发电路同时受控于电压 Uc 与同步电压 Us 控制。这里我们选用“ 单结晶体管触发电路”利用单结晶体管(又称双基极二极管)的负阻特性和RC的充放电特性，可组成频率可调的自激振荡电路，如图所示。图中V6为单结晶体管，其常用的型号有BT33和BT35两种，由等效电阻V5和C1组成组成RC充电回路，由C1-V6-脉冲变压器组成电容放电回路，调节RP1即可改变C1充电回路中的等效电阻。图 3.1 单结晶体管触发电路原理图
