1、目 錄摘要11 前言12 系統方案及主電路設計22.1 方案選擇22.2 系統流程框圖42.3 主電路的設計42.3.1 整流電路及波形圖42.3.2 工作原理52.3.3 整流電路的參數計算62.4 晶閘管元件的選擇72.5 性能指標分析93 觸發電路的設計94保護電路的設計104.1 保護電路的論證與選擇114.2 過流保護114.3 過壓保護13心得體會16參考文獻17致謝18單相全控橋式晶閘管整流電路的設計摘要：整流電路技術在工業生產上應用極廣。如調壓調速直流電源、電解及電鍍的直流電源等。整流電路就是把交流電能轉換為直流電能的電路。大多數整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在

2、直流電動機的調速、發電機的勵磁調節、電解、電鍍等領域得到廣泛應用。整流電路按組成的器件不同，可分為不可控、半控與全控三種，利用晶閘管半導體器件構成的主要有半控和全控整流電路；按電路接線方式可分為橋式和零式整流電路；按交流輸入相數又可分為單相、多相（主要是三相）整流電路。正是因為整流電路有著如此廣泛的應用，因此整流電路的研究無論在是從經濟角度，還是從科學研究角度上來講都是很有價值的。關鍵詞：整流電路 變壓 全控 晶閘管 1前言在電力電子技術中，可控整流電路是非常重要的內容，整流電路是將交流電變為直流電的電路，其應用非常廣泛。工業中大量應用的各種直流電動機的調速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣

3、機車、磁懸浮列車等）、電動汽車、飛機、船舶、電梯等交通運輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術；各種電子裝置如通信設備中的程控交換機所用的直流電源、大型計算機所需的工作電源、微型計算機內部的電源都可以利用整流電路構成的直流電源供電，可以說有電源的地方就有電力電子技術的設備。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網與整流電路之間的電隔離（可減小電網與電路間的電干擾和故障影響）。整流電路的

4、種類有很多，有半波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。2 系統方案及主電路設計2.1 方案選擇我們知道，單相整流電路形式是各種各樣的，可分為單相橋式相控整流電路和單相橋式半控整流電路，整流的結構也是比較多的。因此在做設計之前我們主要考慮了以下幾種方案：方案一：單相橋式半控整流電路電路簡圖如下：圖1 單相橋式半控整流電路對每個導電回路進行控制，相對于全控橋而言少了一個控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗！如果不加續流二極管，當突然增大至180°或出發脈沖丟失時，由于電感儲能不經變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負載電阻上，會

5、發生一個晶閘管導通而兩個二極管輪流導通的情況，這使成為正弦半波，即半周期為正弦，另外半周期為為零，其平均值保持穩定，相當于單相半波不可控整流電路時的波形，即為失控。所以必須加續流二極管，以免發生失控現象。方案二：單相橋式全控整流電路電路簡圖如下：圖 2單相橋式全控整流電路 此電路對每個導電回路進行控制，無須用續流二極管，也不會失控現象，負載形式多樣，整流效果好，波形平穩，應用廣泛。變壓器二次繞組中，正負兩個半周電流方向相反且波形對稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率也高。方案三：單相半波可控整流電路：電路簡圖如下：圖 3 單相半波可控整流電路此電路只需要一個

6、可控器件，電路比較簡單，VT的a 移相范圍為180°0。但輸出脈動大，變壓器二次側電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。為使變壓器鐵心不飽和，需增大鐵心截面積，增大了設備的容量。實際上很少應用此種電路。 方案四：單相全波可控整流電路：電路簡圖如下：圖 4 單相全波可控整流電路此電路變壓器是帶中心抽頭的，結構比較復雜，只要用2個可控器件，單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，因此少了一個管壓降，相應地，門極驅動電路也少2個，但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。不存在直流磁化的問題，適用于輸出低壓的場合作電流脈沖大（電阻性負載時），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使

7、鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優點。相同的負載下流過晶閘管的平單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在均電流減小一半；且功率因數提高了一半。綜上所述，針對他們的優缺點，我們采用方案二，即單相橋式全控整流電路。 2.2系統流程框圖根據方案選擇與設計任務要求，畫出系統電路的流程框圖如圖5所示。整流電路主要由驅動電路、保護電路和整流主電路組成。根據設計任務，在此設計中采用單相橋式全控整流電路帶阻感性負載。輸入過電流保護整流主電路過電壓保護驅動觸發電路輸出圖 5 系統

8、流程框圖2.3主電路的設計2.3.1整流電路及波形圖圖 6 單相橋式全控整流電路圖（阻感負載）2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u圖 7 單相全控橋式整流電路阻感負載時的波形工作原理：在電源電壓正半周期間，VT1、VT2承受正向電壓，若在時觸發，VT1、VT2導通，電流經VT1、負載、VT2和T二次側形成回路，但由于大電感的存在，過零變負時，電感上的感應電動勢使VT1、VT2繼續導通，直到VT3、VT4被觸發導通時，VT1、VT2承受反相電壓而截止。輸出電壓的波形出現了負值部分。在電源電壓負半周期間，晶閘管VT3、V

9、T4承受正向電壓，在時觸發，VT3、VT4導通，VT1、VT2受反相電壓截止，負載電流從VT1、VT2中換流至VT3、VT4中在時，電壓過零，VT3、VT4因電感中的感應電動勢一直導通，直到下個周期VT1、VT2導通時，VT3、VT4因加反向電壓才截止。值得注意的是，只有當時，負載電流才連續，當時，負載電流不連續，而且輸出電壓的平均值均接近零，因此這種電路控制角的移相范圍是。整流電路的參數計算1）整流輸出電壓的平均值可按下式計算=（公式1）當=0時，取得最大值,即= 0.9 。從=100可以而得出=90V，=90o時，=0。角的移相范圍為90o。2）整流輸出電壓的有效值為= =100V （公式

10、2）3）整流電流的平均值和有效值分別為 （公式3） （公式4）4)在一個周期內每組晶閘管各導通180°，兩組輪流導通，變壓器二次電流是正、負對稱的方波，電流的平均值和有效值相等，其波形系數為1。流過每個晶閘管的電流平均值和有效值分別為： （公式5）（公式6）5)晶閘管在導通時管壓降=0,故其波形為與橫軸重合的直線段；VT1和VT2加正向電壓但觸發脈沖沒到時，VT3、VT4已導通，把整個電壓加到VT1或VT2上，則每個元件承受的最大可能的正向電壓等于;VT1和VT2反向截止時漏電流為零，只要另一組晶閘管導通，也就把整 個電壓加到VT1或VT2上，故兩個晶閘管承受的最大反向電壓也為。2.

11、4晶閘管元件的選擇由于單相橋式全控整流帶電感性負載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時主要考慮晶閘管的參數及其選取原則。1).晶閘管的主要參數如下：額定電壓UTn通常取UDRM和URRM中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓應為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 UTn （23）UTM （公式7）UTM：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓 額定電流IT(AV)IT(AV)又稱為額定通態平均電流。其定義是在室溫40°和規定的冷卻條件下，元件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170°的電路中，結溫不超過

12、額定結溫時，所允許的最大通態平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。要注意的是若晶閘管的導通時間遠小于正弦波的半個周期，即使正向電流值沒超過額定值，但峰值電流將非常大，可能會超過管子所能提供的極限，使管子由于過熱而損壞。在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導通角多大，只要其最大電流有效值ITM ITn ,散熱冷卻符合規定，則晶閘管的發熱、溫升就能限制在允許的范圍。ITn ：額定電流有效值，根據管子的IT(AV)換算出，IT(AV)、ITMITn 三者之間的關系：（公式8）（公式9）波形系數：有直流分量的電流波形，其有效值與平均值之比稱為該波形的波形系數，用

13、Kf表示。（公式10）額定狀態下， 晶閘管的電流波形系數（公式11）=（公式12）晶閘管承受最大電壓為考慮到2倍裕量，取300V。晶閘管的選擇原則：、所選晶閘管電流有效值ITn大于元件 在電路中可能流過的最大電流有效值。、 選擇時考慮（1.52）倍的安全余量。即ITn0.707IT(AV) （1.52）ITM（公式13）因為,則晶閘管的額定電流為=10A(輸出電流的有效值為最小值，所以該額定電流也為最小值)考慮到2倍裕量,取20A.即晶閘管的額定電流至少應大于20A.在本次設計中我選用4個KP20-4的晶閘管.、 若散熱條件不符合規定要求時，則元件的額定電流應降低使用。 通態平均管壓降 UT(

14、AV) 。指在規定的工作溫度條件下，使晶閘管導通的正弦波半個周期內陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.41.2V。 維持電流IH。指在常溫門極開路時，晶閘管從較大的通態電流降到剛好能保持通態所需要的最小通態電流。一般IH值從幾十到幾百毫安，由晶閘管電流容量大小而定。 門極觸發電流Ig。在常溫下，陽極電壓為6V時，使晶閘管能完全導通所需的門極電流，一般為毫安級。 斷態電壓臨界上升率du/dt。在額定結溫和門極開路的情況下，不會導致晶閘管從斷態到通態轉換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。 通態電流臨界上升率di/dt。在規定條件下，晶閘管能承受的最大通態電流上升率。若晶閘管導通時電流上升太快

15、，則會在晶閘管剛開通時，有很大的電流集中在門極附近的小區域內，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。2.5性能指標分析整流電路的性能常用兩個技術指標來衡量：一個是反映轉換關系的用整流輸出電壓的平均值表示；另一個是反映輸出直流電壓平滑程度的，稱為紋波系數。1)整流輸出電壓平均值=（公式14）2)紋波系數紋波系數用來表示直流輸出電壓中相對紋波電壓的大小，即（公式15）3觸發電路的設計晶閘管觸發主要有移相觸發、過零觸發和脈沖列調制觸發等。觸發電路對其產生的觸發脈沖要求： 觸發信號可為直流、交流或脈沖電壓。 觸發信號應有足夠的功率（觸發電壓和觸發電流）。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

16、特性的分散性很大，所以規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品。晶閘管器件出廠時，所標注的門極觸發電流Igt、門極觸發電壓U是指該型號的所有合格器件都能被觸發導通的最小門極電流、電壓值，所以在接近坐標原點處以觸發脈沖應一定的寬度且脈沖前沿應盡可能陡。由于晶閘管的觸發是有一個過程的，也就是晶閘管的導通需要一定的時間。只有當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，晶閘管才能導通，所以觸發信號應有足夠的寬度才能保證被觸發的晶閘管可靠的導通，對于電感性負載，脈沖的寬度要寬些，一般為0.5-1MS，相當于50HZ、18度電度角。為了可靠地、快速地觸發大功率晶閘管

17、，常常在 觸發脈沖的前沿疊加上一個觸發脈沖。 觸發脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。觸發脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導通后才能撤掉，晶閘管對觸發脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發電壓或觸發電流應大于產品提出的數據，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯的場合，觸發脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發導通。 觸發脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負載時，要求觸發脈沖的移項范圍是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

18、流電路電阻性負載時，要求移項范圍是0度-90度。觸發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被觸發導通，觸發脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應該相同，而且要有固定的相位關系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發。觸發電路同時受控于電壓Uc與同步電壓Us控制。4保護電路的設計4.1 保護電路的論證與選擇電力電子系統在發生故障時可能會發生過流、過壓，造成開關器件的永久性損壞。過流、過壓保護包括器件保護和系統保護兩個方面。檢測開關器件的電流、電壓，保護主電路中的開關器件，防止過流、過壓損壞開關器件。檢測系統電源輸入、輸出及負載的電流、電壓，實時保護系統，防止系統崩潰而造成事故。

19、例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護電路，檢測設備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發控制系統使整流橋短時內工作于有源逆變工作狀態，從而抑制過電壓或過電流的數值。4.2過流保護 當電力電子變流裝置內部某些器件被擊穿或短路；驅動、觸發電路或控制電路發生故障；外部出現負載過載；直流側短路；可逆傳動系統產生逆變失敗；以及交流電源電壓過高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作電流，即出現過電流。因此，必須對電力電子裝置進行適當的過電流保護。采用快速熔斷器作過電流保護，其接線圖（見圖8）。熔斷器是最簡單的過電流

20、保護元件，但最普通的熔斷器由于熔斷特性不合適，很可能在晶閘管燒壞后熔斷器還沒有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發生過電流可及時熔斷起到保護作用。最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過快熔電流和晶閘管的電流相同，所以對元件的保護作用最好，這里就應用這一方法快熔抑制過電流電路圖如下圖8所示：圖8 快速熔短器的接入方法A型熔斷器特點：是熔斷器與每一個元件串連，能可靠的保護每一個元件。B型熔斷器特點：能在交流、直流和元件短路時起保護作用，其可靠性稍有降低C型熔斷器特點：直流負載側有故障時動作，元件內部短路時不能起保護作用對于第二類過流，即整流橋負載外電路發生短路而引起的過電流，則應當采用

21、電子電路進行保護。常見的電子保護原理圖如圖9所示：圖9 過流保護原理圖在此我們采用容阻吸收回路，即采用快速熔斷器的方法來進行過電流保護。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。在選擇快熔時應考慮：（1）電壓等級應根據熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。（2）電流容量應按其在主電路中的接入方式和主電路聯結形式確定。快熔一般與電力半導體器件串聯連接，在小容量裝置中也可串接于閥側交流母線或直流母線中。（3）快熔的值應小于被保護器件的允許值、（4）為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性。因為晶閘管的額定電流為10A,快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管額定電

22、流，所以快速熔斷器的熔斷電流為15A。圖10過流保護4.3過壓保護設備在運行過程中，會受到由交流供電電網進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現。過電壓保護的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。見圖11和圖12。圖11阻容三角抑制過電壓 圖12 壓敏電阻過壓 過電壓保護的第二種方法是采用電子電路進行保護。常見的電子保護原圖如圖13所示：圖13 過電壓保護電路在此我們采用儲能元件保護即阻容保護。單相阻容保護的計算公式如下：（公式16）（公式17）S:變壓器每相平均計算容量（VA）U：變壓器副邊相電壓有效值（V

23、）i%:變壓器激磁電流百分值U%：變壓器的短路電壓百分值。當變壓器的容量 在（10-1000）KVA里面取值時i%=（4-10）在里面取值，U%=（5-10）里面取值。電容C的單位為F，電阻的單位為歐姆電容C的交流耐壓1.5UU：正常工作時阻容兩端交流電壓有效值。根據公式算得電容值為4.8F,交流耐壓為165V，電阻值為12.86，在設計中我們取電容為5F，電阻值為13。圖14晶閘管的過壓保護心得體會隨著科學技術的發展，現代社會對專業人才的要求越來越高，尤其作為電子工程專業的人員，不僅要有堅實的理論知識，更應該具備豐富的實踐經驗和較強的動手能力。在做電力電子課程設計的過程中我們更能認真和全面的

24、對所學知識有一個全面和系統更深刻的了解和掌握。在這個過程中我們認真的查閱了大量的資料和工具書增長了我的知識，開闊了我們的視野。通過單相全控橋式晶閘管整流電路的設計，使我加深了對整流電路的理解，讓我對電力電子該課程產生了濃厚的興趣。 對于一個電路的設計，首先應該對它的理論知識很了解，這樣才能設計出性能好的電路。整流電路中，開關器件的選擇和觸發電路的選擇是最關鍵的，開關器件和觸發電路選擇的好，對整流電路的性能指標影響很大。 在這次課程設計過程中，碰到的難題就是對相關參數的計算，因為在學習中沒能很好的系統的總結相關知識。在整個課程設計中貫穿的計算過程沒能很好的把握。在今后的學習中要認真總結經驗，對電力電子課程進行補充。為以后深入的學習專業知識做鋪墊。通過這次課程設計我對于文檔的編排格式、原理圖波有了一定的了解，這對于以后的畢業設計及工作需要都有頗大的幫助，在完成課程設計的同時我也在復習一遍電力電子技術這門課程，把以前一些沒弄懂的問題基本掌握了。參考文獻1何希才，新型開關電源設計與應用北京：科學出版社，2001:168.2黃家善，王廷才，電力電子技術M.北京：機械工業出版，2000：193.3 王兆安,黃俊.電力電子技術M(第4版).北京：機械工業出版社，2000.4 王兆安