单相半控桥式整流电路设计.docx

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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。

可以从各种角度对整流电路进行分类。

按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。

按电路结构可分为桥式电路和零式电路。

按交流输入相数分为单相电路和多相电路。

按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为单拍电路和双拍电路。

单相桥式整流电路可分为单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电路，它们有不同的工作特点。

下面分析两种单相桥式整流电路的优缺点。

1.2.1单相全控桥式整流电路

单相桥式全控整流电路带阻感负载电路图如图1所示：

图1单相全控桥式整流电路

优点：

具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高。

缺点：

每次都要同时触发两只晶闸管，线路较为复杂，器件损耗比较大。

1.2.2单相桥式半控整流电路

单相桥式半控整流电路带阻感负载电路图如图2所示：

图2单相桥式半控整流电路

优点：

线路简单、调整方便，器件损耗比单相全控桥式整流电路小。

弱点：

输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。

在本设计中，需要设计的是单纯的整流电路，没有要求逆变等功能，为了简化电路，减少开关器件损耗，我选择用单相桥式半控整流电路。

1.3主电路原理说明

单相桥式半控整流电路带反电势电阻负载电路图如3所示：

图3不带续流二极管的单相桥式半控整流电路

原理分析：

如图3，每一个导电回路由1个晶闸管和1个二极管构成。

电路带反电动势负载工作，|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。

晶闸管导通之后，ud=u2，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。

与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。

当<时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。

在u2在正半周时，在ωt＝α（α>30）处给晶闸管VT1加触发脉冲，VT1导通后，电流从u2正端→VT1→R→E→VD4→u2负端向负载供电。

当u2减小到E，晶闸管截止导通。

在u2负半周ωt＝π+α时刻触发VT3使其导通，则向VT1加反压使之关断，u2经VT3→R→E→VD2→u2端向负载供电。

|u2|

整流输出电压与电流波形如图4所示

图4输出波形

实际情况下，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ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud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VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。

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。

单相桥式半控整流电路带续流二极管电路简图如图5所示：

图5带续流二极管的单相桥式半控整流电路

加入续流二极管后输出的电压与电流波形都跟不带续流二极管一样，如图4所示。

1．4器件的选择

1.4.1变压器的选择

根据题意，输入100V/50Hz交流电，移相范围30º~150º，反电势E=70V，可知

30º，由

得到

=100V

变压器二次侧的电压即为给定的输入电压，所以本设计不需要加变压器。

1.4.2整流器件的选择

整流电路输出电压

当

°时，可以得到

最大有效值为

=101V

由输出最大功率为500W得到最大的电流为

晶闸管与二极管承受的最大反向电压为

晶闸管与二极管的额定电压为

晶闸管与二极管的额定电流

求出

，流过晶闸管与二极管电流的有效值为

晶闸管与二极管的额定电流为

根据上述参数，选择两个型号为KP10-6的晶闸管和两个型号为P600K的二极管。

2触发电路的设计

2.1晶闸管的触发电路的作用

触发电路产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。

晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。

2.2触发电路要求

触发电路应该满足以下几点要求：

1、触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，比如对感性和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发。

2、触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3~5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1~2A/s。

3、触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。

4、应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

2.3触发电路的选择

2.3.1可供选择的触发电路

1单结晶体管触发电路

2正弦波同步触发电路

3锯齿波同步触发电路

4集成触发电路

2.3.2方案选择的论证

1单结晶体管触发电路：

脉冲宽度窄，输出功率小，控制线性度差；移相范围一般小于180度，电路参数差异大，在多相电路中使用不易一致，不付加放大环节。

适用范围：

可触发50A以下的晶闸管，常用于要求不高的小功率单相或三相半波电路中，但在大电感负载中不易采用。

2正弦波同步触发电路：

由于同步信号为正弦波，故受电网电压的波动及干扰影响大，实际移相范围只有150度左右。

适用范围：

不适用于电网电压波动较大的晶闸管装置中。

3锯齿波同步触发电路：

它不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，移相范围宽，具有强触发，双脉冲和脉冲封锁等环节，可触发200A的晶闸管。

适用范围：

在大众中容量晶闸管装置中得到广泛的应用。

4集成触发电路：

移相范围小于180度，为保证触发脉冲的对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%。

适用范围：

应用于各种晶闸管。

本设计主电路为单相半控整流电路，选择的触发电路最好是能产生双脉冲的触发电路，所以我选择集成触发电路KJ004做为主电路的触发电路。

集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，已逐步取代分立式电路。

2.4KJ004集成触发器工作原理

触发电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。

KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。

电路原理图如图6所示：

图6KJ004电路原理图

工作原理：

如图4所示KJ004的电路原理图，点划框内为KJ004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。

V1～V4等组成同步环节，同步电压uS经限流电阻R20加到V1、V2基极。

在uS的正半周，V1导通，电流途径为（+15V－R3－VD1－V1－地）；在uS负半周，V2、V3导通，电流途径为（+15V－R3－VD2－V3－R5－R21―（―15V））。

因此，在正、负半周期间。

V4基本上处于截止状态。

只有在同步电压|uS|＜0.7V时，V1～V3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。

电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。

在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。

当V4截止时，电流经（+15V－R6－C1－R22－RP1－（－15V））对C1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。

根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。

V6及外接元件组成移相环节。

锯齿波电压uC5、偏移电压Ub、移相控制电压UC分别经R24、R23、R26在V6基极上叠加。

当ube6>+0.7V时，V6导通。

设uC5、Ub为定值，改变UC，则改变了V6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。

V7等组成了脉冲形成环节。

V7经电阻R25获得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经电阻R7、VD5、V7基射结充电。

当V6由截止转为导通时，C2所充电压通过V6成为V7基极反向偏压，使V7截止。

此后C2经（+15V－R25－V6－地）放电并反向充电，当其充电电压uc2≥+1.4V时，V7又恢复导通。

这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25和C2决定。

V8、V12为脉冲分选环节。

在同步电压一周期内，V7集电极输出两个相位差为180°的脉冲。

脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。

如在us正半周V1导通，V8截止，V12导通，V12把来自V7的正脉冲箝位在零电位。

同时，V7正脉冲又通过二极管VD7，经V9～V11放大后输出脉冲。

在同步电压负半周，情况刚好相反，V8导通，V12截止，V7正脉冲经V13～V15放大后输出负相脉冲。

2.4.1KJ004管脚图及其说明

KJ004管脚图如图7所示：

图7KJ004管脚图

表1KJ004引脚说明

功能

输

出

空

锯齿波形成

-Vee

（1kΩ）

地

同步输入

综合比较

微分

阻容

封锁

调制

+Vcc

引脚号

1、15

2、6、10

3、4

5

7

8

9

11、12

13、14

16

2.4.2触发电路接线图

KJ004接线图如图8所示:

图8KJ004接线图

KJ004各管脚波形图如图9所示：

图9KJ004管脚输出波形

原理说明：

同步变压器加到主电路输入电压上，即形成了同步电压。

同步变压器的变比为K=100/15=6.7。

同步电压加上后，在芯片的4脚就形成了与参考信号相同步的锯齿波，锯齿波电压、移相电压Uy和偏移电压Up在综合脚使能。

在锯齿波固定时，如果移相电压Uy至零，那么改变偏移电压Up就是在改变所发脉冲的起始位置，也就是在我们在外的控制移相电压Uy为0时的初始α角。

将偏移电压Up固定后，我们就可以根据需要调节移相电压Uy进而输出我们所需要的α角了。

本设计要求移向范围为30°～150º，所以调节Up=-2.5V，Uy的移向电压为0V～10V。

触发脉冲的脉宽也是可以调节的，他是通过11脚和12脚之间的电容和12脚与16脚之间的电阻的改变实现的。

经过锯齿波电压、移相电压Uy和偏移电压Up在综合脚（9脚）的电压综合比较之后，KJ004就会在13脚输出脉冲，而这个脉冲是正反两路驱动信号的合成脉冲，我们是不能用的，芯片内部有脉冲选择电路，经过此电路进行脉冲选择后就可输出正反两路脉冲由1、15脚输出进而控制晶闸管。

2.4触发时间的计算

本课程设计为桥式半控整流电路，移向范围在30°～150°，控制移向移向角在这个范围内变化。

通过控制触发时间控制触发角，从而控制输出电压。

已知输入电压频率50Hz，即周期为0.02。

若要求触发角为30°，则触发时间为

若要求触发角为60°，则触发时时间为

若要求触发角为90°，则触发时间为

3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，采用适合的过电压保护电路和过电流保护电路也是必要的。

3.1过电压保护措施

过电压分为外因过电压和内因过电压两类。

以过电压保护部位来分，有交流侧过电压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。

（1）交流侧过电压保护措施

采用组容保护。

即在交流输入端并联电阻R和电容C进行保护，如图10所示。

图10组容保护

=

（2）直流侧过电压保护措施

直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。

但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成di/dt加大。

因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护，如下图11左所示：

图11直流侧过电压保护电路图（左图为三相，本文为单相）

压敏电阻的标称电压

，一般用下面公式计算，即：

由于

，则

（3）晶闸管两端过电压保护措施

采用的在二极管两端并联组容保护。

由经验数据得

线路图如上图右所示。

3.2过电流保护

过电流分过载和短路两种情况。

快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施，一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。

通常，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。

本设计中采用快速熔断器。

快速熔断器简称快熔，其断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。

快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。

电路图如图12所示：

图12过流保护电路

4总体电路

4.1总体电路结构图

总体电路结构图如图13所示

图13总体电路结构图

4.2总体电路原理图

总体电路原理图如图14所示:

图14总体电路原理图

4.3总体电路原理分析

该电路电源、保护电路、整流电路和触发电路四部分构成。

主电路为单相桥式半控整流电路，晶闸管的触发信号由集成触发器KJ004提供。

在电路中增加了必要的保护电路。

每部分具体的原理已在前面详细分析，这里就不再复述了。

4.4电路的主要用途

整流电路的作用是把交流电能转换为直流电能供给直流用电设备。

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。

在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，工业中大量应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。

5综合设计与仿真

5.1仿真模型

综合上述的分析，利用simulink画出仿真电路，如图15所示:

图15单相半控桥式电路仿真模型

仿真电路各元件参数设置：

1、单相交流电源。

峰值电压设置为141V，频率设置50Hz。

2、二极管和晶闸管为默认的参数。

3、设置触发器的周期与电压周期一致，为0.02S，通过设置触发时间来控制输出电压与电流的波形。

4、设置负载电阻为100欧。

5.2仿真波形

经过以上参数整定后，整个系统的仿真设计已经完成，现给出所有输出结果。

其仿真波形如下：

当触发角为30°，波形如图16所示:

图16触发角为30°的波形

当触发角为90°时，波形如图17所示:

图17触发角为90°的波形

当触发角为120°时，波形如图18所示:

图18触发角为120°的波形

5.3仿真结果分析

仿真得到的第一个波形为单相交流输入电压波形，可以看出在触发角不同时，输入电压不变。

第二个波形为触发脉冲，在一个周期内有两个相差180°的触发脉冲。

第三个波形为流过某一个晶闸管的电流波形，可以看出每个晶闸管都只在半个周期内能导通且电流随触发角不同而不同。

第四个波形为输出电流波形。

第五个波形为输出电压波形，可以看出输出电流波形与输出电压波形形状一样。

单相交流电在经过整流之后变成直流电，输出电压波形与电流波形相同。

由于有反电势的存在，使晶闸管提前了点角度

30停止导电。

小结与体会

本文分析了单相半控桥式整流电路的基本原理、工作特性。

通过本课程设计，我受益匪浅。

熟悉和掌握整流电路基本工作原理及参数计算方法。

掌握晶闸管在相关电路中的工作特点，并能根据设计要求，正确计算晶闸管参数，合理选择晶闸管型号。

了解常用晶闸管触发电路的特点，并能根据实际电路选择合理的触发电路形式。

对常用的晶闸管保护电路具有一定的分析和设计能力。

具有初步发现和解决设计中出现的问题的能力。

本文采用simulink仿真，使我对simulink的用法更加熟悉了，为我以后熟练的使用该软件奠定了基础。

在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在理论联系实际、综合分析、理论计算、归纳整理和实验研究等方面得到综合训练和提高，培养了独立解决实际问题和从事科学研究的初步能力。

能够初步建立正确的设计思想，熟悉工程设计的一般顺序、规范和方法，可培养了严肃认真的工作作风，树立正确的全局观点，为后续课程的学习和毕业设计乃至毕业后向工程技术人员过渡打下基础。

附录：

元器件清单

表2

元器件

数量

备注

普通晶闸管

2

型号KP10-6

二极管

3

型号P600K

触发电路集成块

1

基于KJ004，自制

快速熔断器

4

熔断电路8A

压敏电阻

1

MYG-40D241K

参考文献

[1]王兆安.电力电子技术.北京：

机械工业出版社，2008.

[2]王维平.现代电力电子技术及应用.南京：

东南大学出版社，1999.

[3]叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：

铁道出版社，1999.

[4]马建国.孟宪元.电子设计自动化技术基础.清华大学出版社,2004.

[5]马建国.电子系统设计.北京：

高等教育出版社,2004.

[6]王锁萍.电子设计自动化教程.四川：

电子科技大学出版社，2002.

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

课程设计题目：

单相半控桥式晶闸管整流电路的设计

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

评分项目

分值

评分

1．选题合理、目的明确

10

2．设计方案正确，具有可行性、创新性

20

3．设计结果：

仿真与实验验证

20

4．态度认真、学习刻苦、独立完成任务

15

5．设计报告规范化、参考文献充分、无原则性错误

10

6．答辩

25

总分

100

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日