最新单相全波可控整流器的设计

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：周颖工作单位：自动化学院题目: 单相全波可控整流器的设计（阻感负载）设计要求：1、与负载有关的参数。

额定负载电压Ud=220V、额定负载电流Id=10A。

2、整流器的电源参数。

电网频率为工频50Hz，电网额定电压U1=380V，电网电压波动±10%。

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、触发电路的设计。

要求对触发电路各器件的导通顺序进行说明；2、整流器主电路设计。

包括负载电阻R的选择，晶闸管的选择（电流参数的选取和电压参数的选取），负载电抗器的选择；3、保护电路的设计。

保护系统是整流器的重要组成部分，其功能是在线检测装置各点的电流、电压参数时，及时发现并切除故障的进一步扩大。

保护电路设计要求保护过电流、过电压和负载短路保护，以及抑制电压电流上升率；4、参数的计算和设定；5、应用举例；6、心得体会。

时间安排：月日- 日查阅资料月日- 日方案设计月日- 日馔写电力电子课程设计报告月日- 日提交报告，答辩指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录1、单相全波可控整流器的设计要求及基本分析 (3)1.1设计要求 (3)1.2基本原理分析 (3)2、整流器主电路的设计及元件选择 (4)2.1 整流器主电路的设计 (4)2.2负载电阻R的选择 (6)2.3晶闸管的选择 (7)2.4负载电抗器的选择 (8)3、触发电路的设计 (8)4、参数的设定和计算 (9)4.1 参数的设定 (9)4.2 参数的计算 (9)5、保护电路的设计 (10)5.1 过电压的产生及过电压保护 (10)5.2 过电流保护 (11)5.3 电流上升率、电压上升率的抑制保护 (12)5.3.1电流上升率di/dt的抑制 (12)5.3.2 电压上升率dv/dt的抑制 (13)6、电路仿真 (13)7、应用举例 (14)8、心得体会 (15)9、参考文献 (16)单相全波可控整流器设计(阻感负载) 1、单相全波可控整流器的设计要求及基本分析1.1设计要求由课程任务书可知单相全波可控整流器的设计要求如下：1、与负载有关的参数。

额定负载电压Ud=220V、额定负载电流Id=10A；2、整流器的电源参数。

电网频率为工频50Hz，电网额定电压U1=380V，电网电压波动±10%。

1.2基本原理分析单相全波可控整流电流也是一种实用的单相可控整流电路，又称单相双半波可控整流电路。

单相全波整流器系统结构图如图1所示：该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发电路构成。

输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。

在电路中还加了防雷击的保护电路。

然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。

整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。

在电路中,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护,而过压保护则采用RC电路。

这部分的选择主要考虑到电路的简单性，所以才这样的保护电路部分。

整流部分电路则是根据题目的要求，为单相全波可控整流电路。

该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能。

触发电路采用了单结晶体管直接触发电路。

单结晶体管直接触发电路的移相范围变化大，而且由于是直接触发电路它的结构比较简单。

从一方面方便了我们对设计电路中变压器型号的选择。

单相交流电源整流电路过电保护电路触发电路阻感负载图1 系统总体结构框图2、整流器主电路的设计及元件选择2.1 整流器主电路的设计单相全波可控整流电路的电路图如下图所示：图2 单相全波可控整流器电路图上图中TR为电源变压器，它的作用是将交流电网电压Ul变成整流电路要求的输入交流电压U2，R、L是系统要求的整流器的负载电阻和电感。

在电源电压Vin正半周期间，晶闸管VT1承受正向电压，晶闸管VT2承受反压，若在ωt=α时触发，VT1导通，电流经VT1 、阻感负载和TR1二次侧中心抽头形成回路，但由于大电感的存在，Vin过零变负时，电感上的感应电动势使TR1 继续导通，直到VT2被触发时，VT1承受反向电压而截止。

输出电压的波形出现了负值部分。

在电源电压u2负半周期间，晶闸管T2 承受正向电压，在ωt=α+π时触发，T2 导通，T1反向则截止，负载电流从T1 中换流至T2中。

在ωt=2π时，电压Vin过零，T2因电感L 中的感应电动势一直导通，直到下个周期T1 导通时，T3、T4因加反向电压才截止。

当负载由电阻和电感组成时称为阻感性负载。

例如各种电机的励磁绕组、整流输出端接有平波电抗器的负载等等。

单相全波可控整流电路带阻感性负载的电路如图2所示。

由于电感储能，而且储能不能突变因此电感中的电流不能突变，即电感具有阻碍电流变化的作用。

当流过电感中的电流变化时，在电感两端将产生感应电动势引起电压降UL。

负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出U d、I d的波形也不同。

当负载电感量L较小（即负载阻抗角φ），控制角α>φ时，负载上的电流断续；当电感L增大时，负载上的电流断续的可能性就会减小；当电感L很大，且ωL d》R d时，这种负载称为大电感负载。

此时大电感阻止负载中电流的变化，负载电流连续，可看作一条水平直线。

值得注意的是，只有当α≤π/2时，负载电流才连续；当α>π/2时，负载电流断续，而且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相范围是0~π/2。

各电量的波形图如图3所示：图3 单相全波可控整流电路波形图图3中第一个小图CP1是第一个晶闸管的触发脉冲，第二图是经变压器转换后的输入电压Vin，第三个图是阻感负载的输出电压Vd，第四个图是流过晶闸管的的电流I2，第五个图是负载的输出电流Id，第六个图是晶闸管VT1所承受的电压UvT。

2.2负载电阻R的选择触发角α（00<α<900），由设计要求可知：额定负载输出电压Ud=220V，Id=10A。

由于有足够大的电感的作用，整流器输出电流连续。

由Ud=Id R可得：负载电阻R=Ud/Id=22Ω。

ααπωωπαπαcos 9.0cos 22)(sin 21222U U t td U U d ===⎰+ 2.3晶闸管的选择晶闸管的选择原则：Ⅰ、所选晶闸管电流有效值I Tn 大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。

Ⅱ、 选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。

即I Tn ＝1.57 I T(AV) ＝（1.5～2）I TM 负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算： 输出电流波形因电感很大，平波效果很好而呈一条水平线。

两组晶闸管轮流导电，一个周期中各导电180，且与α无关，变压器二次绕组中电流i 2的波形是对称的正、负方波。

负载电流的平均值I d 和有效值I 相等，其波形系数为1。

在这种情况下：当α=0°时，U d =0.9U 2；当α=90°时，U d =0，其移相范围为90°。

晶闸管承受的最大反压为22U 2。

又额定负载输出电压Ud =220V,由Ud=0.9U 2αcos 可以得到: U2=Ud /0.9αcos =244.44/αcos 。

考虑到安全裕量,因此所选晶闸管的的额定电压为:Un=（2～3）*22U2流过晶闸管的电流有效值为I VT =Id /2=10/2A=7.07A 。

因此所选晶闸管额定电流电流：I N =（1.5～2）*7.07A=10.605～14.14A 。

考虑到电网电压的10%的波动，Ud 最大为220*(1+10%)=242V,则U 2=268.89/αcos V ，则U n=1521.07/αcos ～2281.6/αcos 。

取0o =α时，U n 最小取为1521.7～2281.6V 。

2.4负载电抗器的选择为了克服整流器输出的电流断续以及减少电流的脉动和延长晶闸管的导通时间，电路中串入了一个平波电抗器L 。

为保证电流的连续，电感必须要足够的大。

为保证电流连续所需的电感量L 可由下式求出： L=22U2/I d w min π=2.87x 103-U2/I d min =81mH3、触发电路的设计为了保证晶闸管电路能正常、可靠的工作，触发电路必须满足以下要求：触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。

根据任务要求，由于整流器采用的是晶闸管，因此采用晶体管直接触发电路。

此电路是同步信号为锯齿波的触发电路，输出可为一个宽脉冲，也可为双窄脉冲，以适用于有两个晶闸管同时导通的电路，例如三相全控桥。

本设计采用单窄脉冲，电路可分为三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。

此外，电路中还有强触发和双窄脉冲的形成环节。

现重点介绍脉冲形成，脉冲移相，同步等环节。

移相触发是早期触发可控硅的触发器。

它是通过调速电阻值来改变电容的充放电时间再来改变单结晶管的振荡频率，实际改变控制可控硅的触发角。

早期可控硅是依靠这样改变阻容移相线路来控制。

所为移相就是改变可控硅的触发角大小，也叫改变可控硅的初相角，故称为移相触发线路，有可能用于：（1）消除尖峰脉冲干扰，减少误触发；（2）调整触发时间，符合电路需要；（3）其他应用。

本设计采用单结晶体管移相触发电路，如图2所示。

由同步变压器副边输出60V 的交流同步电压，经VD1半波整流，再由稳压管V １、V2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7及等效可变电阻V5向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压 时，单结晶体管V6导通，电容通过脉冲变压器原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。

同时由于放电时间常数很小，C1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压，使V6关断，C1再次充电，周而复始，在电容C1两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。

在一个梯形波周期内，V6可能导通、关断多次，但只有输出的第一个触发脉冲对晶闸管的触发时刻起作用。

充电时间常数由电容C1和等效电阻等决定，调节RP1改变C1的充电的时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制。

电位器RP1已装在面板上，同步信号已在内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。

单结晶体管触发电路的各点波形如图所示：图4 晶体管移相触发电路图及各点输出波形4、参数的设定和计算4.1 参数的设定设定触发角α=45o ，L 足够大,分不考虑漏感LB 和考虑漏感两种情况分析。

4.2 参数的计算（1）没有漏感时，由αcos 9.0U U 2d=，额定负载电压Ud=220V 可得：变压器二次侧输入电压U2≈345.7V 。