1、單相全波整流電路的設(shè)計摘要隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人們對電路的要求也越來越高,由于在生產(chǎn)實際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應(yīng)用。但是晶雜管相控整流電路中隨著觸發(fā)角的增大，電流中諧波分量相應(yīng)增大，因此功率因素很低。把逆變電路中的spwm控制技術(shù)用于整流電路，就構(gòu)成了pwm整流電路。通過對pwm整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因素近似為1。這種整流電路稱為高功率因素整流器，它具有廣泛的應(yīng)用前景。電力電子器件是電力電子技術(shù)發(fā)展的基

2、礎(chǔ)。正是大功率晶閘管的發(fā)明，使得半導(dǎo)體變流技術(shù)從電子學(xué)中分離出來，發(fā)展成為電力電子技術(shù)這一專門的學(xué)科。而二十世紀九十年代各種全控型大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)明，進一步拓展了電力電子技術(shù)應(yīng)用和覆蓋的領(lǐng)域和范圍。電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟的各個部門，包括鋼鐵、冶金、化工、電力、石油、汽車、運輸以及人們的日常生活。功率范圍大到幾千兆瓦的高壓直流輸電，小到一瓦的手機充電器，電力電子技術(shù)隨處可見。關(guān)鍵詞：電力電子，整流電路目錄1設(shè)計任務(wù)41.1設(shè)計目的41.2設(shè)計內(nèi)容41.3 設(shè)計要求42 設(shè)計內(nèi)容52.1 基本原理介紹52.2電路設(shè)計的經(jīng)濟性論證62.3主電路設(shè)計62.3.1 觸發(fā)電路62.3

3、.2 形成與脈沖放大環(huán)節(jié)82.3.2 鋸齒波形成與脈沖移相環(huán)節(jié)82.3.3驅(qū)動電路92.3.4保護電路93參數(shù)設(shè)定113.1180調(diào)壓113.2 移相調(diào)壓134 參數(shù)計算154.1 計算公式154.2 參數(shù)選擇：164.3計算：t=1/f=1/50=0.02s165仿真175.1觸發(fā)角為30度175.2觸發(fā)角為90度185.3觸發(fā)角為120度196波形分析21心得體會22參考文獻231設(shè)計任務(wù)1.1設(shè)計目的電力電子技術(shù)課程設(shè)計是在教學(xué)及實驗基礎(chǔ)上，對課程所學(xué)理論知識的深化和提高。因此，要求同學(xué)能綜合應(yīng)用所學(xué)知識，設(shè)計出具有電壓可調(diào)功能的直流電源系統(tǒng)，能夠較全面的鞏固和應(yīng)用本課程中所學(xué)的基本理論

4、和基本方法，并初步掌控整流電路分析的基本方法。培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、獨立收集資料、獨立設(shè)計的能力；培養(yǎng)分析、總結(jié)及撰寫技術(shù)報告的能力。1.2設(shè)計內(nèi)容在充分理解單相全波整流電路工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計出單相全波整流電路帶電阻負載、阻感負載時的電路原理圖，使用psim軟件對所設(shè)計的電路帶不同負載的情況下晶閘管取三個不同的觸發(fā)角（要求90，=90和90各取一個角度）進行仿真，分別獲得ud、id、uvt、ivt、i2波形，并對所給出的角度計算上述數(shù)值。1.3 設(shè)計要求1）設(shè)計出合理的整流電路圖。2）選擇不同觸發(fā)角度，仿真出波形并作計算。3）給出詳細的仿真過程描述和詳細的計算步驟和過程。2 設(shè)計內(nèi)容2.1 基

5、本原理介紹單相全波整流電路如圖2-1所示，圖中tr為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓v1變成整流電路要求的交流電壓，rl是要求的直流供電的負載電阻。圖2-1 原理圖單相全波整流電路的工作原理可分析如下。為簡單起見，晶閘管用理想模型來處理，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。在v2的正半周，電流從電壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過vt1流向rl，在負載上產(chǎn)生一個極性為上正下負的輸出電壓。在v1的負半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過vt2流向rl，電流流過rl時產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負，與正半周時相同。圖2-2工作波形根據(jù)上述分析，可得單相全波整流電路的工作波

6、形如圖2-2所示。由圖可見，通過負載rl的電流il以及電壓vl的波形都是單方向的全波脈動波形。2.2電路設(shè)計的經(jīng)濟性論證1）單相全波整流電路中的變壓器的二次繞組帶中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。繞組及鐵心對銅、鐵等材料的消耗比單項全控橋多，在有色金屬資源有限的情況下，這是不利的。2）單相全波整流電路中只用兩個晶閘管，比單項全控橋式可控整流電路少兩個，相應(yīng)的，晶閘管的門極驅(qū)動電路也少兩個，但是在單相全波整流電路中，晶閘管承受的最大電壓使單相全控橋式整流電路的兩倍。3）單相全波整流電路中，導(dǎo)電回路只含一個晶閘管，比單項橋式少一個，因而也少了一次管壓降。從上述2）、3）考慮，同時其紋波電壓較小，因電源變壓器在

7、正負半周內(nèi)都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高，所以單相全波整流電路適宜于在地輸出電壓的場合。2.3主電路設(shè)計主電路如圖2-3所示：圖2-3 主電路圖2.3.1 觸發(fā)電路晶閘管最重要的特性是可控的正向?qū)ㄌ匦?當(dāng)晶閘管的陽極加上正向電壓后,還必須在門極與陰極之間加上一個具有一定功率的正向觸發(fā)電壓才能打通, 這一正向觸發(fā)電壓的導(dǎo)通是由觸發(fā)電路提供的,根據(jù)具體情況這個電壓可以是交流、直流或脈沖電壓。由于晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通以后，門極的觸發(fā)電壓即失去控制作用，所以為了減少門極的觸發(fā)功率，常常用脈沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導(dǎo)通后才能撤掉，晶閘管對觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門

8、極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應(yīng)大于產(chǎn)品提出的數(shù)據(jù)，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發(fā)導(dǎo)通。為了保證晶閘管電路能正常，可靠的工作，觸發(fā)電路必須滿足以下要求：觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓和電流應(yīng)大于晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定的裕量。由閘管的門極伏安特性曲線可知，同一型號的晶閘管的門極伏安特性的分散性很大，所以規(guī)定晶閘管元件的門極阻值在某高阻和低阻之間，才可能算是合格的產(chǎn)品。晶閘管器件出廠時，所標(biāo)注的門極觸發(fā)電流igt、門極觸發(fā)電壓u是指該型號的所有合格器件都能被觸發(fā)導(dǎo)通的最小門極電流、電壓值，所以在接近坐標(biāo)原點處以觸發(fā)脈

9、沖應(yīng)一定的寬度且脈沖前沿應(yīng)盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的，也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時間。只有當(dāng)晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時，晶閘管才能導(dǎo)通，所以觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導(dǎo)通，對于電感性負載，脈沖的寬度要寬些，一般為0.51ms，相當(dāng)于50hz、18度電度角。為了可靠地、快速地觸發(fā)大功率晶閘管，常常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能在規(guī)定范圍內(nèi)移動。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負載時，要求觸發(fā)脈沖的移項范圍是0度180度，帶大電感負載時，要求移項范圍是0度90度；三相半波可控整流電路電阻性負載時，要求移項

10、范圍是0度90度。同步電壓：來自同步電源(同步電源變壓器)，經(jīng)鋸齒波形成電路，得到與電源同步的鋸齒波電壓。缺少同步電壓則不能形成鋸齒波電壓，將無觸發(fā)脈沖；鋸齒波電壓：鋸齒波電壓與控制電壓，偏移電壓疊加，在其交叉點形成觸發(fā)脈沖；沒有鋸齒波電壓，也將無觸發(fā)脈沖；控制電壓：工作時，控制其大小，實現(xiàn)在需要的范圍內(nèi)移相；偏移電壓：與控制電壓疊加，以確定控制電壓為零時，觸發(fā)脈沖的初始位相位。如果缺少偏移電壓，或偏移電壓不當(dāng)，將不能在需要的范圍內(nèi)移相。觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個周期都以相同的控制角a被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應(yīng)該相同，而且要有固定的相位關(guān)系，以使每

11、一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時受控于電壓uc與同步電壓us控制。晶閘管的觸發(fā)條件：（1）晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通；（2）晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管都才能導(dǎo)通；（3）晶閘管一旦導(dǎo)通門極舊失去控制作用；（4）要使晶閘管關(guān)斷，只能使其電流小到零一下晶閘管的分類：晶閘管分為快速晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管，雙向晶閘管，光控晶閘管，門極可關(guān)斷晶閘管（gto），電力晶閘管（gtr），功率場效應(yīng)晶閘管（mosfet），絕緣珊雙極晶閘管（igbt），mos控制晶閘管，集成門極換向晶閘管.靜電感應(yīng)晶體管。2.3.2 形成與脈沖放大環(huán)節(jié)脈沖的形成

12、環(huán)節(jié)由晶閘管v4、v5組成，v7、v8組成脈沖功率放大環(huán)節(jié)?？刂?、電壓uct和負偏移相電壓up分別經(jīng)過電阻r6、r7、r8并聯(lián)接入v4基極。在分析該環(huán)節(jié)時，暫不考慮鋸齒波電壓ue3和負偏電壓up對電路的影響。對控制電壓uct=0時，v4截止，+15v電源通過電阻r11供給v5一個足夠大的基極電流，使v5飽和導(dǎo)通，v5的集電極電壓接近-15v，所以v7、v8截止，無脈沖輸出，同時，+15v電源經(jīng)r9和飽和晶體管v5及-15v電源對電容c3進行充電，充電結(jié)束后，電容兩端電壓為30v，其左端為+15v右端為-15v。調(diào)節(jié)電壓uct，當(dāng)uct0.7v時，v4由截止變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通，其集電極 a 端ua由+

13、15v迅速下降至1v左右，由于電容c3上的電壓不能突變，c3 右端的電壓也開始的-15v下降至-30v，v5的基射結(jié)由于受到反偏而立即截止，其集電極電壓uc5由開始的-15v左右迅速上升，當(dāng)uc52.1時，v7、v8導(dǎo)通，脈沖變壓器一次側(cè)流過電流，其二次側(cè)有觸發(fā)脈沖輸出。同時，電容c3反向充電使v5的基極電壓ub5由-30v開始上升，當(dāng)ub5-15v，v5又重新導(dǎo)通，uc5又變成-15v，使v7、v8又截止，輸出脈沖結(jié)束。可見，v4導(dǎo)通的瞬間決定了脈沖發(fā)出的時刻，到v5截止時間即是脈沖的寬度，而v5截止時間的長短反向充電時間常數(shù)r11c3決定的。2.3.2 鋸齒波形成與脈沖移相環(huán)節(jié)該環(huán)節(jié)主要由

14、v1、v2、v3、c2、vs等元器件組成，鋸齒波是由恒流源電流對c2充電形成的。在圖中，vs、rp2、r3、v1組成了一個恒流源電路，恒流源電流ic1對電容c2進行充電，電容c2兩端的電壓uc2為uc2=可見，uc2是隨時間現(xiàn)性變化的，其充電斜率為。當(dāng)v2導(dǎo)通時，由于電阻r4的阻值很少，所以，電容c2經(jīng)r4及v2迅速放電，當(dāng)v2周期性的關(guān)斷與導(dǎo)通時，電容c2兩端就得到了線性很好的鋸齒波電壓，要想改變鋸齒波的斜率，只要改變充電電流的大小，即只要改變rp2的阻值即可。該鋸齒波電壓經(jīng)過由v3管組成射極跟隨器后，ue3是一個與遠波形相同的鋸齒波電壓。ue3、up、uct三個信號通過電阻r6、r7、r8

15、的綜合作用成為ub4，它控制v4的導(dǎo)通與關(guān)斷。這里采用電工學(xué)課程中的疊加原理，在考慮一個信號在b4點的作用時，可以將另外兩個信號接地，而三個信號在b4點作用綜合電壓ub4才是控制v4的真正信號。當(dāng)uct=0時，v4的基極電壓的ub4的波形有ue3+up決定，控制偏移電壓up的大小。使鋸齒波向下移動。當(dāng)uct從0增加時，v4的基極電位ub4的波形就由ue3+uct+up決定，即當(dāng)ub40.7v時的時刻，即v4由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的時刻，也就是該時刻電路輸出脈沖。如果把偏移電壓up調(diào)整到某特定值而固定時，調(diào)節(jié)控制電壓uct就能改變ub4波形上升到0.7v的時間，也就是說，改變控制電壓uct就可以改變移動

16、脈沖電壓的相位，從而達到脈沖移相的目的。電路中設(shè)置負偏移電壓up的目的是為了確定初始脈沖相位。通過三相橋式整流及逆變電路的分析可知：當(dāng)負載大電感連續(xù)時，三相橋式整流電路的脈沖初始相位在控制角a=90的位置，對于可逆系統(tǒng)，電路需要在整流與逆變兩種工作狀態(tài)，這時需要脈沖的移相范圍約為180，考慮鋸齒波電壓波形兩端的非線性，因此要求鋸齒波底寬為240，此時使脈沖初始位置調(diào)整到鋸齒波的中點位置，對應(yīng)主電路a=90位置。2.3.3驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路 gto是電流驅(qū)動型器件。它的導(dǎo)通控制與普通晶閘管相似，但對觸發(fā)前沿的幅值和陡度要求較高，且一般需要在整個導(dǎo)通期間施加正向門極電流。要使gto關(guān)

17、斷則需施加反向門極電流，對其幅值和陡度的要求則更高，幅值需達到陽極電流的1/3左右，陡度需達50a/ms，其中強負脈沖寬度約30ms，負脈沖總寬度100ms，關(guān)斷后還需在門極-陰極間施加約5v的負偏壓，以提高器件的抗干擾能力。gto一般用于大容量電流的場合，其驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直流耦合式兩種類型。直流耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可以得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較為廣泛，其缺點是功耗大，效率低。直流耦合式gto驅(qū)動電路的電源由高頻電源經(jīng)二極管整流后得到，二極管vd1和電容c1提供+5v電壓，vd2、v

18、d3、c2、c3構(gòu)成倍壓整流電路，提供+15v電壓，vd4和電容c4提供-15v電壓。場效應(yīng)晶體管v1開通時，輸出正強脈沖；v2開通時，輸出正脈沖平頂部分；v2關(guān)斷而v3開通時輸出負脈沖；v3關(guān)斷后電阻r3和r4提供門極負偏壓。2.3.4保護電路1）過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。a）外因過電壓:主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：操作過電壓：由分閘，合閘等開關(guān)操作引起的過電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會由供電變壓器電磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間的存在的分布電容靜電感應(yīng)耦合過來。雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。b）內(nèi)因過電壓:主要來

19、自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括以下幾個部分。換相過電壓：由于晶閘管或者與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結(jié)束后不能恢復(fù)阻斷能力時，因而有較大的反向電流通過，使殘存的載流子恢復(fù)，而當(dāng)其恢復(fù)了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極這間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過電壓。關(guān)斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時，因正向電流的迅速降低而線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。各電壓保護措施及配置位置，各電力電子裝置可視具體情況只來用采用其中的幾種。其中rc3和rcd為抑制內(nèi)因過電壓的裝置，其功能屬于緩沖電路的范疇。在抑制外因過電壓的措施中，

20、采用rs過電壓抑制電路是最為常見的。rc過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（通常供電電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè)）或電力電子電路的直側(cè)流。對于大容量的電力電子裝置，可采用圖139所示的反向阻斷式rc電路。有關(guān)保護2)過電流保護電力電子電路運行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流現(xiàn)象。過電流分載和短路兩種情況。一般電力電子均同時采用幾種過電壓保護措施，怪提高保護的可靠性和合理性。在選擇各種保護措施時應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器只作為短路時的部分區(qū)斷的保護，直流快速斷路器在電子電力動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器在過載時動作。在選擇快熔時應(yīng)考慮：a）電壓等

21、級應(yīng)根據(jù)快熔熔斷后實際承受的電壓來確定。b)電流容量應(yīng)按照其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定。快熔一般與電力半導(dǎo)體體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。c)快熔的it值應(yīng)小于被保護器件的允許it值。d)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性?？烊蹖ζ骷谋Ｗo方式分為全保護和短保護兩種。全保護是指無論過載還是短路均由快熔進行保護，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕量較大的場合。短路保護方式是指快熔只要短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護作用，此方式需與其他過電流保護措施相配合。對一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或者工作頻率較高，很難用快熔保護的全控

22、型器件，需要采用電子電路進行過電流保護。除了對電動機起動時的沖擊電流等變化較慢的過電流可以用控制系統(tǒng)本身調(diào)節(jié)器進行對電流的限制之外，需設(shè)置專門的過電流保護電子電路，檢測到過流之后直接調(diào)節(jié)觸發(fā)，驅(qū)動電路，或者關(guān)斷被保護器件。3參數(shù)設(shè)定3.1180調(diào)壓圖3-1 電源參數(shù)設(shè)定圖3-2vt1的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖3-3 vt2的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖3-4 vt3的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖3-5 vt4的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖3-6 輸出電流電壓波形3.2 移相調(diào)壓圖3-7vt1的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖3-8 vt2的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖3-9 vt3的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖3-10 vt4的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖3-11 輸出電

23、流電壓波形4 參數(shù)計算4.1 計算公式（1） 整電壓平均值為變壓器二次繞組兩個部分各自交流電壓有效值。時，；時，。可見角的移相范圍為。（2） 向負載輸出的直流電流平均值（3） 二極管的平均電流晶閘管vt1和vt2輪流導(dǎo)電，流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流電流平均值的一半，即（4） 二極管的反向最高電壓（5） 為選擇晶閘管、變壓器容量、導(dǎo)線截面積等定額，需考慮發(fā)熱問題，為此需計算電流有效值。流過晶閘管的有效值為：變壓器二次電流有效值與輸出電流有效值相等，為由以上兩式可知不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量為4.2 參數(shù)選擇：a）電源電壓直流u2=220vb）電阻=1000c）f=50hzd）

24、輸出功率4.3計算t=1/f=1/50=0.02s=100當(dāng)a=30時 ,ud =184.7v ，id=0.185a當(dāng)a=90時,ud=99v ， id=0.099a當(dāng)a=120時, ud=49.5v，id=0.0495a5仿真5.1觸發(fā)角為30度5.2觸發(fā)角為90度5.3觸發(fā)角為120度6波形分析在接電阻負載時，采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓。移相調(diào)壓實際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。通過對4.1.1觸發(fā)脈沖的控制得到如圖4.12和4.13的波形圖，4.12波形為輸出電流電壓的波形，由于沒有電感負載，在波形圖中可看出，一個周期內(nèi)的兩個半個周期的輸出電壓值大小相等，幅值的正負相反，則輸出平均電壓為0。 vt1電壓波形和vt2的互補，vt3電壓波形和vt4的互補，但vt3的基極信號不是比vt1落后180，而是只落后。即vt3、vt4的柵極信號不是分別和vt2、vt1的柵極信號同相位