1、 摘要隨著科學技術的日益發展,人們對電路的要求也越來越高,由于在生產實際中需要大小可調的直流電源,而相控整流電路結構簡單、控制方便、性能穩定。整流的基礎是整流電路。由于電力電子技術是將電子技術和控制技術引入傳統的電力技術領域，利用半導體電力開關器件組成各種電力變換電路實現電能和變換和控制，而構成的一門完整的學科。整流電路的應用十分廣泛。廣泛的應用于直流電動機、電鍍、電解電源、同步發電機勵磁、通信系統電源燈。 本設計研究了單相半控橋式整流電路，對整流電路的原理及特點進行了分析，對整流元件進行了參數計算并選擇出了合適的器件。本設計選擇KJ004集成觸發器做為晶閘管的觸發電路，詳細的介紹了KJ004

2、的工作原理。本設計還設計了合理的保護電路。最后利用simulink搭建仿真模型。關鍵詞：半控整流，驅動電路，保護電路，simulink仿真 單相半控橋式整流電路設計1 主電路的設計1.1設計目的(1)、把從電力電子技術課程中所學到的理論和實踐知識，在課程設計實踐中全綜合的加以運用，使這些知識得到鞏固、提高，并使理論知識與實踐技能密切結合起來。(2)、初步樹立起正確的設計思想，掌握一般電力電子電路設計的基本方法和技能，培養觀察、分析和解決問題及獨立設計的能力，訓練設計構思和創新能力。(3)、培養具有查閱參考文獻和技術資料的能力，能熟悉或較熟悉地應用相關手冊、圖表、國家標準，為今后成為一名合格的電

3、氣工程技術人員進行必須的基本技能和基本素質訓練。1.2整流電路的選擇 整流電路是電力電子電路中出現最早的一種，整流電路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。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。可以從各種角度對整流電路進行分類。按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結構可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數分為單相電路和多相電路。按變壓器二

4、次側電流的方向是單向或雙向，分為單拍電路和雙拍電路。單相橋式整流電路可分為單相橋式全控整流電路和單相橋式半控整流電路，它們有不同的工作特點。下面分析兩種單相橋式整流電路的優缺點。 1.2.1 單相全控橋式整流電路 單相橋式全控整流電路帶阻感負載電路圖如圖1所示：圖1 單相全控橋式整流電路優點：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。缺點：每次都要同時觸發兩只晶閘管，線路較為復雜，器件損耗比較大。1.2.2單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路帶阻感負載電路圖如圖2所示：圖2 單相橋式半控整流電路優點：線路簡單、調整方便，器件損耗比

5、單相全控橋式整流電路小。弱點：輸出電壓脈動沖大，負載電流脈沖大（電阻性負載時），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。 在本設計中，需要設計的是單純的整流電路，沒有要求逆變等功能，為了簡化電路，減少開關器件損耗，我選擇用單相橋式半控整流電路。 1.3 主電路原理說明 單相橋式半控整流電路帶反電勢電阻負載電路圖如3所示：圖3 不帶續流二極管的單相橋式半控整流電路原理分析：如圖3，每一個導電回路由1個晶閘管和1個二極管構成。電路帶反電動勢負載工作，|u2|E時，才有晶閘管承受正電壓，有導通的可能。 晶閘管導通之后，ud=u2， 直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管

6、關斷，此后ud=E。 與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度d停止導電，d稱為停止導電角。當a30）處給晶閘管VT1加觸發脈沖，VT1導通后，電流從u2正端VT1REVD4u2負端向負載供電。當u2減小到E，晶閘管截止導通。在u2負半周t+時刻觸發VT3使其導通，則向VT1加反壓使之關斷，u2經VT3REVD2u2端向負載供電。|u2|+0.7V時，V6導通。設uC5、Ub為定值，改變UC，則改變了V6導通的時刻，從而調節脈沖的相位。V7等組成了脈沖形成環節。V7經電阻R25獲得基極電流而導通，電容C2由電源+15V經電阻R7、VD5、V7基射結充電。當 V6由截止轉為導通時，C2所充電壓通過

7、V6成為 V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經 （+15VR25V6地）放電并反向充電，當其充電電壓uc2+1.4V時，V7又恢復導通。這樣，在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充電時間常數R25和C2決定。V8、V12為脈沖分選環節。在同步電壓一周期內，V7集電極輸出兩個相位差為180的脈沖。脈沖分選通過同步電壓的正負半周進行。如在us正半周V1導通，V8截止，V12導通，V12把來自V7的正脈沖箝位在零電位。同時，V7正脈沖又通過二極管VD7，經V9V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負半周，情況剛好相反，V8導通，V12截止，V7正脈沖經 V13V15放大后輸出負相脈沖。2.4

8、.1 KJ004管腳圖及其說明 KJ004管腳圖如圖7所示：圖7 KJ004管腳圖表1 KJ004引腳說明功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)地同步輸入綜合比較微分阻容封鎖調制+Vcc引腳號1、15 2、6、103、45 78911、1213、14162.4.2 觸發電路接線圖KJ004接線圖如圖8所示:圖8 KJ004接線圖KJ004各管腳波形圖如圖9所示：圖9 KJ004管腳輸出波形原理說明：同步變壓器加到主電路輸入電壓上，即形成了同步電壓。同步變壓器的變比為K=100/15=6.7。同步電壓加上后，在芯片的4腳就形成了與參考信號相同步的鋸齒波，鋸齒波電壓、移相電壓Uy和偏移電壓Up在綜

9、合腳使能。在鋸齒波固定時，如果移相電壓Uy至零，那么改變偏移電壓Up就是在改變所發脈沖的起始位置，也就是在我們在外的控制移相電壓Uy為0時的初始角。將偏移電壓Up固定后，我們就可以根據需要調節移相電壓Uy進而輸出我們所需要的角了。本設計要求移向范圍為30150，所以調節Up=-2.5V，Uy的移向電壓為0V10V。觸發脈沖的脈寬也是可以調節的，他是通過11腳和12腳之間的電容和12腳與16腳之間的電阻的改變實現的。經過鋸齒波電壓、移相電壓Uy和偏移電壓Up在綜合腳（9腳）的電壓綜合比較之后，KJ004就會在13腳輸出脈沖，而這個脈沖是正反兩路驅動信號的合成脈沖，我們是不能用的，芯片內部有脈沖選

10、擇電路，經過此電路進行脈沖選擇后就可輸出正反兩路脈沖由1、15腳輸出進而控制晶閘管。2.4 觸發時間的計算本課程設計為橋式半控整流電路，移向范圍在30150，控制移向移向角在這個范圍內變化。通過控制觸發時間控制觸發角，從而控制輸出電壓。已知輸入電壓頻率50Hz，即周期為0.02。若要求觸發角為30，則觸發時間為若要求觸發角為60，則觸發時時間為若要求觸發角為90，則觸發時間為3 保護電路的設計 在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適，驅動電路設計良好外，采用適合的過電壓保護電路和過電流保護電路也是必要的。3.1過電壓保護措施過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。以過電壓保護部位來分，有

11、交流側過電壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。（1）交流側過電壓保護措施采用組容保護。即在交流輸入端并聯電阻R和電容C進行保護，如圖10所示。圖10 組容保護=（2） 直流側過電壓保護措施直流側保護可采用與交流側保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統的快速性，并且會造成 di/dt 加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護，如下圖11左所示：圖11 直流側過電壓保護電路圖（左圖為三相，本文為單相）壓敏電阻的標稱電壓，一般用下面公式計算，即：由于 ，則（3） 晶閘管兩端過電壓保護措施采用的在二極管兩端并聯組容保護。由經驗數據得,線

12、路圖如上圖右所示。3.2 過電流保護過電流分過載和短路兩種情況。 快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施，一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現保護，過電流繼電器整定在過載時動作。 本設計中采用快速熔斷器。快速熔斷器簡稱快熔，其斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施。快速熔斷器可以安裝在直流側、交流側和直接與晶閘管串聯。電路圖如圖12所示：圖12 過流保護電路4 總體電路4.1 總體電路結構圖總體電路結構圖如圖13所示單相

13、交流輸入整流電路直流輸出觸發電路圖13 總體電路結構圖4.2 總體電路原理圖總體電路原理圖如圖14所示:圖14 總體電路原理圖4.3 總體電路原理分析該電路電源、保護電路、整流電路和觸發電路四部分構成。主電路為單相橋式半控整流電路，晶閘管的觸發信號由集成觸發器KJ004提供。在電路中增加了必要的保護電路。每部分具體的原理已在前面詳細分析，這里就不再復述了。4.4 電路的主要用途 整流電路的作用是把交流電能轉換為直流電能供給直流用電設備。整流電路的應用十分廣泛,廣泛的應用于直流電動機、電鍍、電解電源、同步發電機勵磁、通信系統電源燈。在電力電子技術中，可控整流電路是非常重要的內容，工業中大量應用的

14、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。5 綜合設計與仿真5.1 仿真模型綜合上述的分析，利用simulink畫出仿真電路，如圖15所示:圖15 單相半控橋式電路仿真模型仿真電路各元件參數設置：1、單相交流電源。峰值電壓設置為141V，頻率設置50Hz。2、二極管和晶閘管為默認的參數。3、設置觸發器的周期與電壓周期一致，為0.02S，通過設置觸發時間來控

15、制輸出電壓與電流的波形。4、設置負載電阻為100歐。5.2 仿真波形經過以上參數整定后，整個系統的仿真設計已經完成，現給出所有輸出結果。其仿真波形如下：當觸發角為30，波形如圖16所示:圖16 觸發角為30的波形當觸發角為90時，波形如圖17所示:圖17 觸發角為90的波形當觸發角為120時，波形如圖18所示:圖18 觸發角為120的波形5.3 仿真結果分析 仿真得到的第一個波形為單相交流輸入電壓波形，可以看出在觸發角不同時，輸入電壓不變。第二個波形為觸發脈沖，在一個周期內有兩個相差180的觸發脈沖。第三個波形為流過某一個晶閘管的電流波形，可以看出每個晶閘管都只在半個周期內能導通且電流隨觸發角

16、不同而不同。第四個波形為輸出電流波形。第五個波形為輸出電壓波形，可以看出輸出電流波形與輸出電壓波形形狀一樣。單相交流電在經過整流之后變成直流電，輸出電壓波形與電流波形相同。由于有反電勢的存在，使晶閘管提前了點角度30停止導電。小結與體會本文分析了單相半控橋式整流電路的基本原理、工作特性。通過本課程設計，我受益匪淺。熟悉和掌握整流電路基本工作原理及參數計算方法。掌握晶閘管在相關電路中的工作特點，并能根據設計要求，正確計算晶閘管參數，合理選擇晶閘管型號。了解常用晶閘管觸發電路的特點，并能根據實際電路選擇合理的觸發電路形式。對常用的晶閘管保護電路具有一定的分析和設計能力。具有初步發現和解決設計中出現

17、的問題的能力。本文采用simulink仿真，使我對simulink的用法更加熟悉了，為我以后熟練的使用該軟件奠定了基礎。在這次設計過程中，體現出自己單獨設計的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發現自己平時學習的不足和薄弱環節，從而加以彌補。在理論聯系實際、綜合分析、理論計算、歸納整理和實驗研究等方面得到綜合訓練和提高，培養了獨立解決實際問題和從事科學研究的初步能力。能夠初步建立正確的設計思想，熟悉工程設計的一般順序、規范和方法，可培養了嚴肅認真的工作作風，樹立正確的全局觀點，為后續課程的學習和畢業設計乃至畢業后向工程技術人員過渡打下基礎。附錄：元器件清單表2元器件數量備注普通晶閘管2型號KP10-6二極管3型號P600K觸發電路集成塊1基于KJ004，自制快速熔斷器4熔斷電路8A壓敏電阻1MYG-40D241K 參考文獻1王兆安.電力電子技術.北京：機械工業出版社，2008.2王維平.現代電力電子技術及應用.南京：東南大學出版社，1999. 3葉斌.電力電子應用技術及裝置.北京：鐵道出版社，1999.4馬建國.孟憲元.電子設計自動化技術基礎.清華大學出