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 =???02.0120=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

⑦ 晶闸管额定电压为：U N =（2~3）×141.4=283~424V

⑧ 晶闸管额定电流为：I N =（1.5~2）×30.96÷1.57=29.57~39.44A

⑨ U1=220V

U2=100V 变压器变比：2.2100

22021===U U K 晶闸管的电流平均值：A I I d dvT 11.1121==

变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值相等： A wt R U I I 78.43sin 212

2=-+==π

αππ VA I U S 437878.4310022=?==

3 触发电路设计

晶闸管可控整流电路是通过控制触发角α的大小，即触控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小的，属于相控电路。为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管触发电路应满足下列要求：

①触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

②触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

③触发脉冲应有一定的宽度保证晶闸管可靠导通，，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

④触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。 ⑤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出发电流的3~5倍，脉冲前沿的陡度也需要增加，一般需达1~2A/s μ。

⑥所提供的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。

⑦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。

4 单相桥式全控整流电路带电阻性负载仿真

4.1 单相桥式全控整流电路仿真图设计

图4.1 单相桥式全控整流电路仿真模型

组成单相桥式全控整流电路的主要元器件有：交流电源，RLC负载，示波器等。将电路元器件模块按单相整流的原理图连接起来组成仿真。

4.2 仿真结果分析

波形图分别代表U2、VT1、4 上的触发脉冲、VT2、3上的触发脉冲、UVT1、4、IVT1、4、Ud、Id、UVT2、3、IVT2、3的波形变化：

图4.2单相桥式全控整流电路仿真波形

5 心得体会

通过单相全控桥式整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，更深刻地了解了整流电路的设计方法，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。

在这次课程设计过程中，碰到的难题就是MATLAB的使用。因为在之前的学习中没有接触过MATLAB软件，在整个课程设计中都会在电路的设计和仿真中出现各种各样的问题而MATLAB软件又是作为工科生所必备的，在今后的学习中要认真总结经验，以便更好地掌握此软件的使用。同时，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题基本掌握了。在实验的过程中，对参数的设定是及其重要的，触发角的参数设定错误，则出来的波形与要求是截然不同的，在对电阻的设定时也要格外注意，避免仿真出来的

波形幅度过大或过小。

参考文献

[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009

[2].洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.2006