单相桥式全控整流电路纯电阻课程设计

1 引言

电力电子技术是利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。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,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛应用。

要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流的基础是整流电路。整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。典型的单相可控整流电路包括单相半波可控整流电路、单相整流电路、单相全波可控整流电路及单相桥式半控整流电路等。单相可控整流电路的交流侧接单相电源。

这次课程设计我设计的是单相桥式全控整流电路电阻性负载，与单相半波可控整流电路相比，桥式全控的电源利用率更高一些，应用范围更广泛一些。

2 单相桥式全控整流电路

2.1 单相桥式全控整流电路带电阻负载的工作情况分析

单相桥式全控整流电路带电阻负载电路如图2-1：

图2.1 单相桥式全控整流电路原理图

在单相桥式全控整流电路，闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在u2正半周（即a 点电位高于b 点电位），若4个晶闸管均不导通，id=0,ud=0,VT1、VT4串联承受电压u2。在触发角a 处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a 端经VT1、R 、VT4流回电源b 端。当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。在u2负半周，仍在触发角a 处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b 端流出，经VT3、R 、VT2流回电源a 端。到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。

在u2负半周，仍在触发延迟角a 处触发VT2和VT3（VT2和VT3的a=0处为ωt=Π），VT2和VT3导通，电流从电源b 端流出，经VT3,R,VT2流回电源a 端。到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为22U2和2U2。由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。

整流电压平均值为：

⎰+=+==παααπωωπ2

cos 19.02cos 122)(d sin 21

222U U t t U U d 向负载输出的直流平均电流为：

2

cos 19.02cos 12222ααπ+=+==R U R U R U I d d 晶闸管VT 1、VT 4 和 VT 2、VT 3 轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即

2

cos 145.0212α+==R U I I d dT

b c) d

u V 图2.2单相桥式全控整流电路波形

为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热等问题，为此需计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值： παπαπωωππα

-+==⎰2sin 212)(d )sin 2(21222R U t t R U I T 变压器二次电流有效值I2与输出直流电流有效值I 相等，为： π

απαπωωππα-+===⎰2sin 21)()sin 2(12222R U t d t R U I I 由上两式可见

I I T 2

1= 不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S =U 2I 2

2.1.1 工作原理

第1阶段0~ωt1这阶段U2在正半周期a 点电位高于b 点电位,晶闸管VT1和VT2方向串联后于U2, 连接VT1承受正向电压为U2/2, VT2承受U2/2的反向电压,同样VT3和VT4反向串联后与U2连接,VT3承受U2/2的正向电压,VT4承受U2/2的反向电压。虽然VT1和VT3受正向电压但是尚未触发导通负载没有电流通过所以Ud=0,id=0。

第2阶段ωt1 ~π在ωt1时同时触发VT1和VT3,由于VT1和VT3受正向电压而导通,有电流经a 点→VT1→R →VT3→变压器b 点形成回路。在这段区间里Ud=U2,id=iVT1=iVT3=Ud/R 。由于VT1和VT3导通忽略管压降UVT1=UVT2=0,而承受的电压为U VT2=U VT4=U 2。

第3阶段π~ωt2 从ωt=π开始U 2进入了负半周期,b 点电位高于a 点电位,VT 1和VT 3由于受反向电压而关断,这时VT 1~VT 4都不导通,各晶闸管承受U 2/2的电压,但VT 1和VT 3承受的事反向电压,VT 2和VT 4承受的是正向电压,负载没有电流通过U d =0,i d =i 2=0。

第4阶段ωt 2 ~π在ωt 2 时,U 2电压为负VT 2和VT 4受正向电压,触发VT 2和VT 4导通有电流经过b 点→VT 2→R →VT 4→a 点,在这段区间里U d =U 2,i d =i VT2=i VT4=i 2=U d /R 。由于VT 2和VT 4导通,VT 2和VT 4承受U 2的负半周期电压,至此一个周期工作完毕,下一个周期重复上述过程，单项桥式整流电路

两次脉冲间隔为180°。

2.2 参数计算

整流电压平均值为： ⎰+=+==παααπωωπ2cos 19.02cos 122)(d sin 21

222U U t t U U d

α=0时，U d = U d0=0.9U 2 。α=180时，U d =0。可见，α角的移相范围为180。 向负载输出的平均电流值为：

2cos 19.02cos 1222

2ααπ+=+==R U R U R U I d d 流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半（因为一个周期内每个晶闸管只有半个周期导通），即：

2cos 145.0212

α+==R U I I d dT

2.3 元器件选型及计算

设计条件：1.电源电压：交流100V/50Hz

2.输出功率：500W

3.触发角 ︒=120α

4.纯电阻负载

① 整流电压平均值：2cos 129.0α+=U Ud =0.9×100×2

120cos 1︒+=22.5V ② 向负载输出的直流电流平均值：Ud P Id ==500/22.5=22.22A

③ 负载电阻R ：Id Ud R ==22.5/22.22=1.01Ω

④ 延迟时间t ：

VT1、4的触发时间：︒T =3601αt =︒⨯︒36002.0120=6.67ms

VT2、3的触发时间:()︒︒+︒⨯=36012018002.02t =16.67ms

⑤ 流过晶闸管的电流有效值：

⑥ 晶闸管承受的最大反向电压为2U 2=141.4V

A R U t t R U I T 96.302sin 212)(d )sin 2(21

222=-+==⎰παπαπωωππα