单相全控桥式晶闸管整流电路的设计(阻感负载)电力电子课程设计

绪论电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。

它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。

它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。

电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。

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。

在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。

电力网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。

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。

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。

故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好课程设计，因而我们进行了此次课程设计。

又因为整流电路应用非常广泛，而单相全控桥式晶闸管整流电路又有利于夯实基础，故我们将单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。

第一章理论分析及元件介绍1.1方案比较及选择我们知道，单相整流器的电路形式是各种各样的，整流的结构也是比较多的。

因此在做设计之前我们主要考虑了以下几种方案：方案1：单相桥式全控整流电路电路简图如下：图 1.1此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。

变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。

方案2：单相半波可控整流电路：电路简图如下：图 1.2此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a移相范围为180°。

但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。

为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。

实际上很少应用此种电路。

根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。

综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案一，即单相桥式全控整流电路。

1.2元器件介绍1.2.1晶闸管（SCR）的介绍晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

外形有螺栓型和平板型两种封装，引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G 三个联接端，对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便，平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。

图1.3晶闸管的外形、结构和电气图形符号和模块外形a)晶闸管类型b)内部结构c)电气图形符号1.2.2晶闸管的工作原理在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。

其工作过程如下：UGK>0→产生IG→V2通→产生IC2→V1通→IC1↗→IC2↗→出现强烈的正反馈，G极失去控制作用，V1和V2完全饱和，SCR饱和导通。

晶闸管导通后，即使去掉门极电流，仍能维持导通。

图1.4晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理晶闸管基本工作特性归纳：承受反向电压时(UAK<0)，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通(即UAK>0，IGK>0才能开通)。

（1）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；（2）要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

1.2.3门极可关断晶闸管（GTO）的介绍门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO）也是晶闸管（Thyristor）的一种派生器件，但可以通过在门极施加负脉冲使其关断，因而属于全控型器件；它和普通晶闸管一样，也是PNPN四层结构，外部引出三个极，阳极，阴极和门极；工作条件同普通晶闸管；其主要用于兆瓦级以上的大功率场合。

图1.5GTO的结构、等效电路和图形符号1.2.4可关断晶闸管的工作原理可关断晶闸管也属于PNP四层三端结构，其等效电路与普通晶闸管相同。

尽管它与普通晶闸管在结构和触发导通原埋上相同，但两者的关断原理及关断方式却截然不同。

普通晶闸管导通后欲使其关断，必须使正向电流低于维持电流IH，或施加反问电压强迫关断。

而可关断晶闸管导通后欲使其关断，只要在控制极上加负向触发脉冲即可。

这种关断原理上的区别就在于晶闸管导通之后的饱和状态不同。

普通晶闸管在导通之后即处于深饱和状态，而可关断晶闸管导通后只处于临界饱和状态，所以只要给控制极上加上负向触发信号即可关断。

单相桥式全控整流电路此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。

变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。

第二章总体设计方案介绍2.1总的设计方案整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三个部分。

电源→变压器→整流电路→负载↓变压器→触发电路↑2.2主电路的设计2.2.1整流电路及波形图：图2.1单相桥式全控整流电路图 2.2单相全控桥式整流电路阻感负载时的电路及其波形2.2.2工作原理：u VT i VTi VT在电源电压正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在时触发，VT1、2u αω=t 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VT3、VT4被2u 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 απω+=t 时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在时，电压过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势πω2=t 2u 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2πα≤d i 2πα>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。

20π−2.3保护电路的设计2.3.1保护电路的论证与选择电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久性损坏。

过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。

检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。

检测系统电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。

例如，R-C 阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。

再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

2.3.2过电流保护当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。

因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。

采用快速熔断器作过电流保护，其接线图（见图2.3）。

熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。

最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如下图所示：图2.3快速熔短器的接入方法A型熔断器特点：是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。

B型熔断器特点：能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低C型熔断器特点：直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。

常见的电子保护原理图如2.4所示：图2.4过流保护原理图在此我们采用容阻吸收回路，即采用快速熔断器的方法来进行过电流保护。

采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。

在选择快熔时应考虑：（1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

（2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。

快熔一般与电力半导体器件串联连接，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）快熔的值应小于被保护器件的允许值、t I 2t I 2（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。

因为晶闸管的额定电流为10A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为15A 。

图2.5过电流保护2.3.3过电压保护电路设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。

同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。

过电压保护的第一种方法是并接R-C 阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。

见图2.6和图2.7。

图2.6阻容三角抑制过电压图2.7压敏电阻过压过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。

常见的电子保护原图如图2.8所示：图2.8过电压保护电路在此我们采用储能元件保护即阻容保护。

单相阻容保护的计算公式如下：（2.1）220%6U Si C ≥（2.2）%%3.2022i U S U R K ≥S:变压器每相平均计算容量（VA）U ：变压器副边相电压有效值（V）2i %:变压器激磁电流百分值0U %：变压器的短路电压百分值。