单相半波整流电路的设计

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单相半波整流电路的设计

摘 要

本文主要进行了单相半波整流电路的设计。单相半波整流电流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次电流中含有直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心面积，增大了设备的容量。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。晶闸管不同于整流二极管，它的导通是可控的。可控整流电路的作用就是把交流电变换为电压值可以调节的直流电。在充分理解单相半波整流电路工作原理的基础上，本文设计出了单相半波整流电路带电阻负载、电感负载、阻感负载时的电路原理图，并对其中的相关参数进行了计算，仿真波形对比发现结果正确。 关键词：晶闸管，整流，触发

目 录

摘要 ....................................................................  1 课题背景 ............................................................... 1

1.1选题背景 .......................................................... 1 1.2参数选择 .......................................................... 1 2 单相半波整流电路的设计 ................................................. 2

2.1 单相半波整流电路（电阻负载） ...................................... 2

2.1.1 工作原理和电路特点（电阻负载） .............................. 2 2.1.2 电路原理图（电阻负载） ...................................... 2 2.1.3 参数计算（电阻负载） ........................................ 2 2.1.4 仿真波形（电阻负载） ........................................ 3 2.1.5 结论（电阻负载） ............................................ 6 2.2单相半波整流电路（电感负载） ...................................... 7

2.2.1 工作原理（电感负载） ........................................ 7 2.2.3 仿真波形（电感负载） ........................................ 8 2.3 单相半波整流电路（阻感负载） ..................................... 10

2.3.1 工作原理（阻感负载） ....................................... 10 2.3.2 电路原理图（阻感负载） ..................................... 10 2.3.3 参数计算（阻感负载） ....................................... 11 2.3.4 仿真波形（阻感负载） ....................................... 11

致 谢 ................................................................... 16 参 考 文 献 ............................................................. 17

单相半波整流电路的设计

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1 课题背景

1.1 选题意义

电力电子技术是以电力、电能为研究对象的电子技术，又称电力电子学（Power Electronics）。它主要研究各种电力电子半导体器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或设置，以完成对电能的变换和控制。电力电子学是横跨“电子”“电力”“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。

由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多的相似之处。

单相半波整流电路是一种相对重要的整流电路，把交流电能转换成直流电能的一种整流电路。它可以应用到很多的地方，在许多的元器件中都有用到，范围广泛。

在充分理解单相半波整流电路工作原理的基础上，设计出单相半波整流电路带电阻负载、电感负载、阻感负载时的电路原理图，使用PSIM软件对所设计的电路带不同负载的情况下晶闸管取三个不同的触发角（要求α＞900，=900和＜900各取一个角度）进行仿真，分别获得Ud、Id、UVT、IVT、I2波形，并对所给出的角度计算上述数值。

1.2 参数选择

脉冲参数：导通角α=60º，90º，120º 电源：U2220V, 电阻：R100, 电感:L100mH 频率:f50Hz

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2 单相半波整流电路的设计

2.1 单相半波整流电路（电阻负载）

2.1.1 工作原理和电路特点（电阻负载）

工作原理：在变压器二次绕组两端串接一个电阻和一个晶闸管。在晶闸管VT处于断态时，电路中无电流负载电阻两端电压为零。u2全部施加于VT两端。如在u2正半周VT承受阳极电压期间的wt1时刻给VT门极加触发脉冲，则VT开通。忽略晶闸管通态电压，则直流输出电压瞬时值ud与u2相等。至wt=π即u2降为零时，电路中电流亦降至零，VT关断，之后ud、ui均为零。

电路特点：接线简单，使用的整流元件少，但输出的电压低、脉动大、效率也低。 2.1.2 电路原理图（电阻负载）

图2-1 单相半波整流电路原理图（电阻负载）

2.1.3 参数计算（电阻负载） 触发角α：α移相范围为0º~180º 导通角θ：θ=180º-α 输出电压平均值

1Ud212U21cos2U2sinwtd(wt)(1COS)0.45U2（2-1）

22输出电流平均值

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UIddR1（2-2）

负载电流平均值

UI22sin2（2-3） 1R24晶闸管电流有效值

1Isin2VTU2R24 2.1.4 仿真波形（电阻负载）

以下波形依次为U2、Ud、UVT、I2、Id、IVT的波形 （a）导通角α=60º时， 由下式

Ud122U2sinwtd(wt)2U22(1COS)0.45U1cos22

U2201cos60od0.4574. 得 225V

Id得

dUR

IddUR74.251000.7425A

IU223sin23R241.39A

IU2VTR2sin24I21.39A

2-4） （电力电子技术课程设计

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图2-2 α=60º时单相半波整流电路波形（电阻负载）

（b） 导通角α=90º时， 由下式

Ud122U2sinwtd(wt)2U21cos(1COS)0.45U222

1cos90oUd0.4522049.5V2 得

由

IdUdR

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得

IdUd49.50.495AR100

UI22RU2R22sin1.1A 4IVT22sinI21.1A 4

图2-3 α=90º时单相半波整流电路波形（电阻负载）

(c) 导通角α=120º时， 由下式

Ud122U2sinwtd(wt)2U21cos(1COS)0.45U222

1cos120oUd0.4522027.45V2得

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由得

IdUdR

IdUd27.450.2745AR100

UI22R232sin4430.69A

IVTU2R232sin443I0.69A

2

图2-4 α=120º时单相半波整流电路波形（电阻负载）

2.1.5 结论（电阻负载）

(a) 在电源电压正半波（0~区间），晶闸管承受正向电压，在wt处触发晶闸管，晶闸管开始导通，形成负载电流Id，负载上有输出电压和电流。

（b） 在wt时刻，U20，电源电压自然过零，晶闸管电流小于维持电流而关

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断，负载电流为0。

(c) 在电源电压负半波（~2区间），晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载上没有输出电压，负载电流为0。直到电压电源U2的下个周期的正半波，脉冲在wt2处又触发晶闸管，晶闸管再次被触发导通，输出电压和电流有加在负载上，如此不断反复。

2.2单相半波整流电路（电感负载）

2.2.1 工作原理（电感负载）

当负载为点电感性负载时，此时因为负载电感的感生电动势作用，晶闸管前电压为负值的时候,电流不一定为零，有可能继续为正电流导通。此时负载电压比晶闸管前电压更负（差值等于整流管正向压降）。此时，因为电压为负，所以电流在下降过程中,等电流减到零的瞬间，晶闸管才截止。 2.2.2 电路原理图（电感负载）

图2-5 单相半波整流电路原理图（电感负载）

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2.2.3 仿真波形（电感负载）

以下波形依次为U2、Ud、UVT、I2、Id、IVT的波形 (1) 导通角α=60º时，

图2-6 α=60º时单相半波整流电路波形（电感负载）

(2) 导通角α=90º时，

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图2-7 α=90º时单相半波整流电路波形（电感负载）

(3) 导通角α=120º时，

图2-8 α=120º时单相半波整流电路波形（电感负载）

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2.3 单相半波整流电路（阻感负载）

2.3.1 工作原理（阻感负载）

（a） 在wt0~α期间：晶闸管阳-阴极间的电压UAK大于零，此时没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等于零。

（b） 在wt时刻，门极加触发信号，晶闸管触发导通，电源电压U2加到负载上，输出电压UdU2。由于电感的存在，负载电流Id只能从零按指数规律逐渐上升。 （c） 在wtwt1~wt2期间：输出电流Id从零增至最大值。在Id的增长过程中，电感产生的感应电势力图电流增大，电源提供的能量一部分供给负载电阻，一部分为电感的储能。

（d） 在wtwt2~wt3期间：负载电流从最大值开始下降，电感电压改变方向，电感释放能量，企图维持电流不变。

（e） 在wt时，交流电压U2过零，由于感应电压的存在，晶闸管阳极、阴极间的电压UAK仍大于零，晶闸管继续导通，此时电感储存的磁能一部分释放变成电阻的热能，另一部分磁能变成电能送回电网，电感的储能全部释放完后，晶闸管在U2 反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周，即wt2时，晶闸管再次被触发导通，如此循环不已。

2.3.2 电路原理图（阻感负载）

图2-9 单相半波整流电路原理图（阻感负载）

单相半波整流电路的设计

2.3.3 参数计算（阻感负载）

LdiddtRi1d2U2sinwt (2-5)

初始条件：wt，id0 求解可得：

R(wt)i2U2dsin(wLZ)e2U2Zsin(wt)1 (2-6)

其中ZR2(wL)2，arctanwLR 当wt时，id0，代入上式整理得

sin（-）etansin()1 (2-7) 当、均已知时，可由上式求出。 电压平均值为

U1)0.255U1d22U2sinwtd(wt2coscos() (2-8)

电流平均值为

1IUddR (2-9)

I1dVT2Id (2-10)

1I1VT2I2dd(wt)2Id (2-11)

21IVDR12I2dd(wt)2Id (2-12)

2.3.4 仿真波形（阻感负载）

以下波形依次为U2、Ud、UVT、I2、Id、IVT的波形 （a） 导通角α=60º时，

arctanwL2500.1Rarctan10017.4o

U1d22U2sinwtd(wt)0.255U2coscos()15.8V

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IdUd0.158AR

IdVTId0.05A2

Id0.22A2

IVT12Id2d(wt)IVDR122Id2d(wt)Id0.32A2

图2-10 α=60º单相半波整流电路波形（阻感负载）

（b） 导通角α=90º时，

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Ud122U2sinwtd(wt)0.255U2coscos()16.8V

IdIdVTUd0.168AR

Id0.042A2

IVTIVDR1212Id2d(wt)Id2d(wt)Id0.2A2 Id0.036A2

2

图2-10 α=90º单相半波整流电路波形（阻感负载）

（c） 导通角α=120º时，

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Ud122U2sinwtd(wt)0.255U2coscos()13.2V

IdIdVTUd0.132AR

Id0.022A2

IVTIVDR1212Id2d(wt)Id2d(wt)Id0.15A2 Id0.33A2

2

图2-11 α=120º单相半波整流电路波形（阻感负载）

单相半波整流电路的设计

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3设计总结体会

在这次课程设计中，我们做的是单相半波整流电路的课程设计。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。

在生产实际中有很多场合都需要用到可调的直流电源，比如直流电动机的调速，同步电动机的励磁，电焊等。可利用晶闸管的单向导电特性组成的可控整流电路来满足。而可控整流，就是把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程，单相半波可控整流电路就是其中的一种。

为了更好的做好这次的课程设计，我们首先仔细的了解了单相半波可控整流电路的工作原理，工作方式等等，我们仔细地阅读了课本，包括我们在这次课程设计中会用到的一些公式。

由于我们是第一次接触课程设计，所以在这次的课程设计中，我们的效率不是很高，其中包括对PSIM软件不是很熟悉，花了一些时间去熟悉它，我们觉得在这次的设计中，提高了我们对理论知识的理解程度，进一步的理解了单相半整流电路的工作原理，增加了我们小组的团队合作精神，同时也培养了我们自己解决问题的习惯，为我们以后在工作中解决问题打好了良好的基础。

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致 谢

这是我第二次做课程设计了，但是这次的课程设计给我的印象最深。因为得到了同学耐心的帮助，它不仅要运用电力电子的知识还要我们熟练的掌握PSIM的运用，这就是理论与实际的结合。

通过这次的课程设计，我发现了电力电子技术的重要性，它里面的器件如晶闸管之类的还可以对我们实际的电路起到提高效率和保护作用，可以通过控制它的触发脉冲来实现它的关断，这都是非常常见但是却非常有实际意义的。课程设计并没有想象中的那么顺利，其间我们也遇到了很多的困难，但是在大家的讨论和同学的帮助下我们还是完成了，这让我意识到只要我们努力了，就没有攻不过的难关，而且，对于电力电子技术的思考，让我的逻辑思维能力大大提高，思维更加敏捷。同时让我培养了一种透过部分联系全篇的思路，锻炼了我办事的能力，做事效率提高了很多。

一次次小小的课题设计，也可以折射到一次对人生的规划，课题的设计是我人生设计的一部分，为我人生的规划埋下了美好的种子。这次的课题设计，我获益颇多，不仅让我了解了电力电子器件的功能，更精进了我对器件的理解和运用，让我深深喜欢上了这门学科。设计虽然是辛苦的，但是获得的比我付出的更多。 在此也感谢所有帮助过我的人。

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参 考 文 献

[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009