单相桥式全控整流电路的设计..

1 设计课题任务及总体方案介绍

1.1 设计课题任务

课题：单相桥式全控整流电路设计（阻感性负载） 任务：单相桥式全控整流电路的设计要求为： 1电网供电电压为单相交流220V/50Hz；

2变压器二次侧电压为100V； 3输出电压连续可调，为0～100V； 4移相范围：0º~90º； 5输出功率：500W。

1.2 设计课题总体方案介绍

1.2.1 方案的选择

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二种方案： 方案一：单相桥式全控整流电路 电路简图如下：

图1.1 单相桥式全控整流电路

对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当α突然增大至180°或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使Ud成为正弦半波，即

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半周期为正弦，另外半周期为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。 方案：单相全波可控整流电路：

电路简图如下：

图1.2 单相桥式全控整流电路

此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，相应地，门极驱动电路也少2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。不存在直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作用。但是绕组及铁心对铜、铁等材料的消耗比单相全控桥多，在当今世界上有色金属有限的情况下，这是很不利的，所以我们也放弃了这个方案。

单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。 综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电路（负载为阻感性负载）。

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2 主电路及控制电路的设计

2.1 系统总设计框图

系统原理方框图如图2.1所示：

单相电源输出驱动电路整流电路负载电路触发电路保护电路 图 2.1 系统原理方框图

如图2.1所示，电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能。

2.2 系统主体电路原理

主电路原理图如下图2.2所示：

图 2.2 单相桥式全控整流电路原理图

假设LR ，工作于稳定状态，负载电流连续，近似为一平直的直线。 工作原理： 在电源电压u2正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在t时触发，VT1、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，u2过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到

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VT3、VT4被触发导通时，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u2负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在

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t2时，电压u2过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，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/2时，负载电流id才连续，当/2时，负载电流不连续，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0~/2。

2.3 触发电路的设计

对于使用晶闸管的电路，在晶闸管阳极加正向电压后，还必须在门极与阴极之间加触发电压，使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。根据控制要求决定晶闸管的导通时刻，对变流装置的输出功率进行控制。触发电路是变流装置中的一个重要组成部分，变流装置是否能正常工作，与触发电路有直接关系，因此，正确合理地选择设计触发电路及其各项技术指标是保证晶闸管变流装置安全，可靠，经济运行的前提。

2.3.1 锯齿波的触发电路及触发原理

图 2.3 锯齿波的触发电路

电路输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。

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三个基本环节

（1）脉冲形成环节

由晶体管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。控制电压uco加在V4基极上。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。

（2）锯齿波的形成和脉冲移相环节

锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等，本电路采用恒流源电路。 恒流源电路方案由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路

（3）同步环节

触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。 锯齿波是由开关V2管来控制的，V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。 2.3.2集成化晶闸管移相触发电路

集成化触发电路具有体积小、功耗小、性能稳定可靠、使用方便等优点。相控集成触发器主要有KC系列和KJ系列。KJ004晶闸管移相触发电路的工作原理和以上锯齿波触发电路原理相似。

图 2.4 锯齿波的触发电路

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2.4 保护电路的设计

在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护。 2.4.1 过电压保护

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图2.5所示。

图 2.5 过电压保护电路

2.4.2 过电流保护

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。

图 2.6 过电流保护电路

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3 元器件的选取和参数计算

3.1 晶闸管

由于单相桥式全控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。

3.1.1 晶闸管的选型

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。 当U2100V时

由Ud0.9U2cos，不计控制角余量按0o计算

Ud0.9U2cos90V （3-1）

I2P/U2500/1005A 晶闸管承受的最大正反相电压均为

（3-2）

UTM2U2141.4V （3-3） 考虑2~3倍裕量

UN(2~3)UTM339~509V （3-4） 晶闸管的额定电流为IT(AV)Id/1.573.18A （3-5） 考虑1.5~2倍裕量Id(AV)(1.5~2)IT(AV)(4.77~6.36)A （3-6） 所以在本次设计中我选用4个KP5A的晶闸管，其额定电压500V，额定电流5A。其参数如表3-1下：

表3-1 KP5A晶闸管参数表

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3.2 快速熔断器的选择

快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值，快熔的额定电流Ikr是用有效值来表示的，一般可按下式选取：

1.57ITα≥Ikr≥Ik

Ik 是晶闸管的实际工作电流有效值； ITα是晶闸管的额定电流。 1.57ITα=1.57×300=471 Ik=2×0.577×30.5=7.55

可选用RSF-1 500/10型号的。其额定电压500V，额定电流10A。

3.3 并联于晶闸管两端的电阻、电容

电容Cp=1μF,Rp=5Ω

电容Cp的耐压值≥（1.1～1.5）U1MA=377～514 V 电阻Rp的功率为10W

3.4 变压器的选取

由设计要求：

1电网供电电压为单相交流220V/50Hz； 2变压器二次侧电压为100V； 3输出功率：500W。 根据参数计算可知:

变压器应选变比为 K=U1/U2=220/100=2.2 ，故选择输入为交流220V，输出为100V ，额定功率为500W的变压器。

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4 MATLAB系统仿真

4.1 MATLAB简介

MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。

Simulink是基于MATLAB的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的 建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车动力学系统等等，其中包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等等。Simulink提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且Simulink还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作。 在MATLAB产品族中，自动化的代码生成工具主要有Real-Time Workshop（RTW）和Stateflow Coder，这两种代码生成工具可以直接将Simulink的模型框图和Stateflow的状态图转换成高效优化的程序代码。利用RTW生成的代码简洁、可靠、易读。目前RTW支持生成标准的C语言代码，并且具备了生成其他语言代码的能力。整个代码的生成、编译以及相应的目标下载过程都可以自动完成，用户需要做的仅仅使用鼠标点击几个按钮即可。MathWorks公司针对不同的实时或非实时操作系统平台，开发了相应的目标选项，配合不同的软硬件系统，可以完成快速控制原型（Rapid Control Prototype）开发、硬件在回路的实时仿真（Hardware-in-Loop）、产品代码生成等工作。

另外，MATLAB开放性的可扩充体系允许用户开发自定义的嵌入式系统目标，利用Real-Time Workshop Embedded Coder能够直接将Simulink的模型转变成效率优化的产品级代码。代码不仅可以是浮点的，还可以是定点的。

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4.2建立仿真模型

这里的仿真主要是运用MATLAB软件中的simulink工具。先从simulink的元件库中找到需要用的元件，然后搭建相应的主电路，设置好参数后即可进行仿真。

仿真电路图如下图所示.

图 4.1 仿真电路图

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4.3 仿真结果分析

1 当触发角0o时的仿真波形如下图所示

图 4.2 控制角0o的波形

误差分析：负载R100，电感L 极大， 变压器二次侧的电压为100V

理论值：UdId102U2sintdt0.9U2cos0o90V

Ud900.9A R100测量值：I测0.87A（最后一个通道为负载电流波形图） 误差为：I%IdI测100%3.3% Id11

2 当触发角30o时的仿真波形如下图所示

图 4.3 控制角30o的波形

误差分析：理论值：UdId130302U2sintdt0.9U2cos30o77.94V

Ud77.940.78 A R100测量值：I测0.75A 误差为：I%IdI测100%3.8% Id 12

2 当触发角60o时的仿真波形如下图所示

图 4.4 控制角60的波形

o误差分析：理论值：UdId160602U2sintdt0.9U2cos60o45V

Ud450.45A R100测量值：I测0.43A 误差为：I%

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IdI测100%4.4% Id

4 当触发角90o时的仿真波形如下图所示

控制角为90度

图 4.5 控制角90o的波形

误差分析：理论值：UdId190902U2sintdt0.9U2cos90o0V

Ud0A R测量值：I测0.1A

以上数据误差可能来源于电感L并非无穷大、设置触发角 的时间参数不

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是标准的30o,60o,90o所致，但都还在误差允许范围之内，故仿真结果符合要求。

设计总结

电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节，这次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在课本中没有完全介绍的。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到了很多相关的知识，为这次课程设计做了很多帮助。

对于课程设计的内容，首先要做的应是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。整流电路中，基本元件的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。设计过程中，我明白了整流电路，尤其是单相全控桥式整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。

这次课程设计不仅增加了我的知识积累，让我有机会将课堂上所学的电力电子理论知识运用到实际中，了解了这些知识在电源上丰富而强大的用途，为将来的毕业设计打下了基础，还让我懂得自主学习的重要性，还有做什么事情都要有恒心，有信心，动脑子去想，就一定有所收获。通过这次课程设计我比较熟练的掌握了MATLAB和Auto CAD这两个软件的使用。

最后，由于理论知识的缺乏，以及对课程设计的不熟悉，课程设计还有很多不足之处，在以后的课程设计中，希望能有所改善。同时感谢陆秀令老师的悉心指导和同学们的帮助。

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参考文献

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