单相全控桥式整流电路课程设计

1 主电路的设计............................................................................................................ 1

1.1电路的组成及工作原理.................................................................................. 1 1.2元器件的选择.................................................................................................. 3 1.3整流变压器额定参数计算.............................................................................. 3 1.4 设计结果分析................................................................................................. 4 2 驱动电路的设计........................................................................................................ 6

2.1典型全控型器件的驱动电路.......................................................................... 6 3 电力电子器件的保护.............................................................................................. 7

3.1 过电压的产生及过电压保护......................................................................... 7 3.2 过电流保护..................................................................................................... 7 4 设计总结.................................................................................................................... 9 参考文献...................................................................................................................... 10 致 谢........................................................................................................................ 11 附录 元器件清单........................................................................................................ 12

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1 主电路的设计

1.1电路的组成及工作原理

（1）电路组成：该电路为单相桥式全控整流电路，由变压器﹑四个晶闸管﹑

电感及电阻组成，如图1.1（a）所示。

2）工作原理:假设电路已经工作在稳定状态， 假设 LR，负载电流连续，近似为一平直的直线。

电源电压的正半周，在α=t1时，触发晶闸管VT1、VT4导通，负载上的电压和电源电压相同。但由于电感的平波作用，电流不能突变，因此电流波形平稳近似一条直线。

当交流电压u2正半周过零开始変负时，由于L的作用，产生感应电动势UL,阻止电流下降，极性为下负上正，只要UL在数值上大于电源负电压，已导通的VT1、VT4管仍受正压而继续导通，此时负载两端出现负电压。直到电源负半周wt2时刻触发VT2、VT3管导通，VT1、VT4才会受反压关断，负载电流改由VT2、VT3导通回路供应。因此每个晶闸管始终导通180°，晶闸管电流iT为180°底宽、高度为Id的矩形波，在晶闸管的触发时刻换流。变压器二次电流i2为正负对称的矩形波，无直流分量。

3）主要参数关系 ① 输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id 22U21cos0.9U2cosU2Usintdtd2 （1-1） ππUdId （1-2）

R② 晶闸管的电流平均值IdT和有效值IT

1ITId （1-3） 2

1 IdTId2 （1-4）

③（输出电流有效值I和变压器二次电流有效值I2 II2Id （1-5） ④ 晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压均为 2U2

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（a）

图1.1阻感性负载电路（ａ）工作波形（b）

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1.2元器件的选择

晶闸管的选型

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。 Ud=100V时，不计控制角余量按=0º计算

由Ud=0.9U2得

UdU2==111V 取150V

0.9Ute =（2～3）Ut=（2～3）6U2=（2～3）6150V=735～1102 V （1-6） 取Ute为1000V 当d=1时，

晶闸管额定电流t(AV)=

Id1==0.64A （1-7） 1.57157考虑2倍裕量：d(AV)取1.28A

1.3整流变压器额定参数计算

在很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，使整流主电路与电网隔离，为此需要配置整流变压器。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次相电压U2、一次与二次额定电流以及容量。

由于整流变压器二次与一次电流都不是正弦波，因而存在着一定的谐波电流，引起漏抗增大，外特性变软以及损耗增大，所以在设计或选用整流变压器时，应考虑这些因素。 （1）二次相电压U2

平时我们在计算U2是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可忽略的。如电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时U2应按下式计算：

U2=

UdnnUt （1-8）

A(cosaCUdl22n)式中 Udl——负载的额定电压；

Ut——整流元件的正向导通压降，一般取1V；

n——电流回路所经过的整流元件（VT及VD）的个数（如桥式n=2，半波电路n=1）；

A——理想情况下=0º时Udo与U2的比值，查表可知； ——电网电压波动系数，一般取09；

——最少移相角，在自动控制系统中总希望U2值留有调节余量，对于可逆直流调速系统取30º~35º，不可逆直流调速系统取10º～

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15º；

C——线路接线方式系数，查表单相桥式C取05V；

Udl——变压器阻抗电压比，100KVA以及取Udl=0.05，

100KVA以上取Udl=0.05～0.1；

22n——二次侧允许的最大电流与额定电流之比。

对于一般的中小容量整流调压装置，其U2值也可以用以下公式估算：

Udn U2=（1.15～1.2） （1-9）

A 所以根据以知的参数及查表得： U2=

10021V=143.9V （1-10） 0.909(09050051)故我们选择晶闸管的型号为：KP1.28----10。 （2） 一次与二次额定电流及容量计算

如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为：

1122

1U1 K== （1-11）

2U2式中1 、2——变压器一次和二次绕组的匝数； K——变压器的匝数比。

由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。单相桥式可控整流电路计算如下：

大电感负载时变压器二次电流的有效值为

2=Id=I=1A （1-12）

U2=110V

U11220由一次侧和二次侧电压得：===2 （1-13）

U2211012= =0.5 故1=0.5A 21变压器二次侧容量为

S2=U22=110V1A=110KVA （1-14）

1.4 设计结果分析

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。

（1）输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id

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22U21 （1-15） Ud2U2sintdtcos0.9U2cosππ

0.9110cos6049.5V

U （1-16） Id49.51000.495A

dR（2）晶闸管的电流平均值IdvT和有效值IvT

I1dvT2Id0.2475A I1vTId

20.35A（3）输出电流有效值I和变压器二次电流有效值I2 II2Id0.495A（4）晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压均为

2U2155.54V

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（1-17） （1-18） （1-19）

2 驱动电路的设计

2.1典型全控型器件的驱动电路

GTO是电流驱动型器件。它的导通控制与普通晶闸管相似，但对触发前沿的幅值和陡度要求较高，且一般需要在整个导通期间施加正向门极电流。要使GTO关断则需施加反向门极电流，对其幅值和陡度的要求则更高，幅值需达到阳极电流的1/3左右，陡度需达50A/s，其中强负脉冲宽度约30s，负脉冲总宽度100s，关断后还需在门极-阴极间施加约5V的负偏压，以提高器件的抗干扰能力。

GTO一般用于大容量电流的场合，其驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直流耦合式两种类型。直流耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可以得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较为广泛，其缺点是功耗大，效率低。直流耦合式GTO驱动电路的电源由高频电源经二极管整流后得到，二极管VD1和电容C1提供+5V电压，VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路，提供+15V电压，VD4和电容C4提供-15V电压。场效应晶体管V1开通时，输出正强脉冲；V2开通时，输出正脉冲平顶部分；V2关断而V3开通时输出负脉冲；V3关断后电阻R3和R4提供门极负偏压。

图2.1 总电路

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3 电力电子器件的保护

在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。

3.1 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内因过电压两类。 (1):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：

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的存在的分布电容静电感应耦合过来。雷击过电压：由雷击引起的过电压。

(2): 内因过电压 主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括以下几个部分。

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在换相结束后不能恢复阻断能力时，因而有较大的反向电流通过，使残存的载流子恢复，而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这间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。

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线路电感在器件两端感应出的过电压。

各电压保护措施及配置位置，各电力电子装置可视具体情况只来用采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的装置，其功能属于缓冲电路的范畴。在抑制外因过电压的措施中，采用RS过电压抑制电路是最为常见的。RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（通常供电电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧）或电力电子电路的直侧流。对于大容量的电力电子装置，可采用图1－39所示的反向阻断式RC电路。有关保护电路的参数计算可参考相关的工程手册。采用雪崩二极管，金属氧化物压敏电阻，硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较为常用的手段。

3.2 过电流保护

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。

7 在选择快熔时应考虑：

1、电压等级应根据快熔熔断后实际承受的电压来确定。

2、电流容量应按照其在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体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。

3、快熔的It值应小于被保护器件的允许It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。 快熔对器件的保护方式分为全保护和短保护两种。全保护是指无论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕量较大的场合。短路保护方式是指快熔只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。

对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高，很难用快熔保护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。除了对电动机起动时的冲击电流等变化较慢的过电流可以用控制系统本身调节器进行对电流的限制之外，需设置专门的过电流保护电子电路，检测到过流之后直接调节触发，驱动电路，或者关断被保护器件。

此外，常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这种措施对器件过电流的

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4 设计总结

通过单相全控桥式整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。

整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又可以设计出很多不同的电路。其中单相全控桥式整流电路其负载我们用的多的主要是电阻型、带大电感型，接反电动势型。它们各自有自己的优点。

对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关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。

这次的课程设计是我收获最大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但还是被我逐步解决了。这次是我首次做课程设计，感觉比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的，尽管如此，我还是迎难而上了，首先把设计任务搞清，不能盲目地去做，你连任务都不清楚从何做起呢，接下来就是找相关资料，我每天除了上图书馆就是在网上找资料，然后对资料进行整理，找资料说起来好像很简单，但真正做起来是需要耐心的，不是你所找的就一定是有用的，所以这个过程中要花费一些时间做看似无用功的事，其实不尽然，这其中也拓展了你的知识面。

通过这次课程设计我对于文档的编排格式有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了很多。

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参考文献

[1] 石新春 杨京燕 王毅 编《电力电子技术》中国电力出版社 [2] 刘志刚《电力电子装置本科生毕业设计与学士论文》 [3] 王维平 《电力电子技术及应用》东南大学出版社2000年

[4] 王兆安，杨君，刘进军，谐波抑制和无功补偿，北京：机械工业出版社，1989 [5] 陈治明.电力电子技术基础.北京：机械工业出版社，1992 [6] 郝万新，电力电子技术.北京：化学工业出版社，2005 [7] 林渭勋 主编.电力电子电路.杭州：浙江大学出版社，1986

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致 谢

经过老师的细心教导和指点和不断的搜索努力，本设计已经基本完成。在这段时间里，老师严谨的治学态度和热忱的工作作风令我十分钦佩并受益非浅，在此对老师表示深深的感谢。

通过这次毕业设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了大学学习成果。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练。但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这几周的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础

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附录 元器件清单

元器件 电源变压器 晶闸管 电阻 电感 电位器 二极管 同步变压器 单结晶体管 电容

备注 变比为1，容量至少为0.5kv·A MCR100-8 其中主电路负载电阻最大为100Ω 主电路负载1000mH SW-SPDT 2N6028 680nF 数量 1个 4个 若干个 1个 1个 4个 1个 1块 1个 12