辽 宁 工 业 大 学
电力电子技术课程设计（论文）
题目：110V/50A单相半控桥式整流电路
院（系）：
专业班级：
学 号： 42
学生姓名：
指导教师：
起止时间：2014-12-29至2015-1-9
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室： 电气
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计
摘 要
整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路。
本次课程设计只要是对单相半控桥式整流电路的研究。首先对几种典型的整流电路的介绍，从而对比出桥式半控整流的优点，然后对单相半控桥式整流电路的整体设计，包括主电路，触发电路，保护电路。主电路中包括电路参数的计算，器件的选型；触发电路中包括器件选择，参数设计；保护电路包括过电压保护，过电流保护，电压上升率抑制，电流上升率抑制。之后就对整体电路进行MATLAB仿真，最后对仿真结果进行分析与总结。
关键词：单相半控桥；晶闸管；整流；变压；触发；
目 录
第1章 绪论 .......................................................... 1
1.1 电力电子技术概况 ............................................. 1
1.2 本文设计内容 ................................................. 2
第2章 单相半控桥式整流电路设计 ...................................... 3
2.1 总体设计方案 ................................................. 3
2.2 具体电路设计 ................................................. 4
2.2.1 主电路设计 ............................................. 4
2.2.2 触发电路设计 ........................................... 6
2.2.3 保护电路设计 ........................................... 7
2.3 元器件型号选择 .............................................. 10
2.3.1 晶闸管参数计算与选择 .................................. 10
2.3.2 变压器参数计算与选择 .................................. 11
2.4 系统仿真 .................................................... 12
2.4.1 MATLAB仿真软件简介 .................................... 12
2.4.2 MATLAB仿真模型建立 .................................... 13
2.4.3 MATLAB仿真波形及数据分析 ............................. 14
第3章 课程设计总结 ................................................. 17
参考文献 ............................................................ 18
第1章 绪论
1.1 电力电子技术概况
电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。 在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开关方式。这种开关运行方式就是电力电子器件运行的特点。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。
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和变换和控制，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相似之处，因此要学好这门课就必须做好实验和课程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛，而锯齿波移相触发三相晶闸管半控整流电路又有利于夯实基础，故我们单结晶体管触发的单相半控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。
1.2 本文设计内容
本次课程设计的内容为研究110V/50A单相半控桥式整流电路的工作原理并进行分析，设计出具有稳定脉冲的触发电路并进行仿真。设计的电路要满足输出5KW，电源220V，最大电流50A等条件。运用所学到的专业理论知识去独立完成设计课题，通过查阅手册和相关文献资料进一步熟悉所用芯片和电子器件的类型及特性，学会电路的仿真与调试，进一步熟悉仿真软件的正确使用，学会撰写课程设计的总结报告。
对于单相半控桥式晶闸管整流电路，其电路设计的主要功能为：
单相桥式半控整流电路的工作特点是晶闸管触发导通，而整流二极管在阳极电压高于阴极电压时自然导通。单相桥式整流电路在感性负载电流连续时，当相控角α90°时，可实现将直流电返送至交流电网的有源逆变。在有源逆变状态工作时，相控角不应过大，以确保不发生换相（换流）失败事故。
第2章 单相半控桥式整流电路设计
2.1 总体设计方案
方案一：单相半控桥式整流电路（含续流二极管）
单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，而且不会导致失控显现，续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗，如下图所示：
图 2.1含续流二极管
方案二：单相半控桥式整流电路（不含续流二极管）
不含续流二极管的电路具有自续流能力，但一旦出现异常，会导致：一只晶闸管与两只二极管之间轮流导电，其输出电压失去控制，这种情况称之为“失控”。因为半导体本身具有续流作用，半控电路只能将交流电能转变为直流电能，而直流电能不能返回到交流电能中去，即能量只能单方向传递，如下图所示：
图2.2不含续流二极管
经过比较本设计选择方案一含续流二极管的单相半控桥式整流电路能更好的达到设计要求。
单相半控桥式整流电路总体设计框图如下图所示：
图 2.3
总设计方框图 各部分电路作用
220V交流输入部分作用: 220V
交流输入部分是主要是由市电输入，为电路提供电源。
桥式整流电路部分作用
:
将220V
电源经过桥式整流将之前输入的交流电整流变换成直流电输出。
触发电路部分作用:形成触发脉冲使主电路触发
保护电路部分作用:保护电路。
输出直流电源部分作用:为电动机提供电源。
2.2 具体电路设计
2.2.1 主电路设计
单相桥式半控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少等优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。其使用的电路如下图所示：
图2.4主体电路结构原理图
在交流输入电压u2的正半周（a端为正）时，Th1和D1承受正向电压。这时如对晶闸管Th1引入触发信号，则Th1和D1导通电流的通路为u2+→Th1→R→D1→u2-。
这时Th2和D1都因承受反向电压而截至。同样，在电压u2的负半周时，Th2和D2承受正向电压。这时，如对晶闸管Th2引入触发信号，则Th2和D2导通，电流的通路为：u2-→Th2→R→D2→u2+。
与全控桥时相似，假设负载中得电感很大，且电路已工作在稳态。在u2正半周，触发角a发角处给晶闸管Th1加触发脉冲，u2经Th1和Th4向负载供电。u2过零变负时，因电感作用是电流连续，Th1继续导通，但因a点电位低于b点电位，是得电流从Th4转移至Th2，Th4关断，电流不再流经变压器的二次绕组，而是由Th1和Th2续流。此阶段，忽略器件的通态压降，则Ud=0，不像全控桥时出现Ud为负的情况
这时Th1和D1处于截至状态。显然，与单相半波整流相比较，桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍，即
输出电压的平均值： Ud0.9U2
输出电流的平均值： Id0.9
1cos （2-1） 2Ud1cos （2-2） R2
2.2.2 触发电路设计
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a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。
对于触发电路通常有如下要求：
触发电路输出的脉冲必须具有足够的功率；
触发脉冲必须与晶闸管的主电压保持同步；
触发脉冲能满足主电路移相范围的要求；
触发脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡。
晶闸管的型号很多，其应用电路种类也很多，不同的晶闸管型号，应用电路对触发信号都会有不同的要求。但是，归纳起来，晶闸管触发主要有移相触发，过零触发和脉冲列调制触发等。不管是哪种触发电路，对它产生的触发脉冲都有如下要求：
1、触发信号为直流、交流或脉冲电压，由于晶闸管导通后，门极触发信号即失去了控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。
2、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。触发信号功率大小是晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。由于晶闸管元件门极参数的分散性很大，且随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压、电流值，并有一定的裕量。
3、触发脉冲应有一定的宽度，脉搏冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发信号导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。普通晶闸管的导通时间约法为6μs，故触发电路的宽度至少应有6μs以上，对于电感性负载，由于 电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5 ms至1 ms，此外，某些具体电路对触发脉冲宽度会有一定的要求，如三相半控桥等电路的触发脉冲宽度要大于60°或采用双窄脉冲。
4、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲称相范围必须满足电路要求。为保证控制的规律性，要求晶闸管在每个阳极电压周期都在相同控制角α触发导通，这就要求脉冲的频率必须与阳极电压同步。同时，不同的电路或者相同的电路在不同的负载、不同的用途时，要求的变化的范围（移相范围）亦即触发脉冲前沿与阳极电压的相位变化范围不同，所用触发电路的脉冲移相范围必须满足实际的需要。
因此，触发电路如下图所示：
图2.5触发电路图
2.2.3 保护电路设计
在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器，压敏电阻等。所以采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护也是必要的。
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应过电压两类。 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括： （1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。
（2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。
内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：
（1）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。
（2）关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。
过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。
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示。
图 2.6 过电压保护
过电流保护
快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。
晶闸管承受过电流的能力很低，若过电流数值较大且时间较长，则晶闸管会因热容量小而产生热击穿损坏。为了使晶闸管不受损坏，必须设置过流保护，使晶交流侧自动开关或直流侧接触器跳闸。其动作时间约为100~200ms，因此只能保护因机械过负载而引起的过电流，或在短路电流不大时，对晶闸管起保护作用。
（1）直流快速开关
对于大容量高功率经常容易短路的场合，可采用动作时间只有2ms的直流快速开关。它的断弧时间仅有25~30ms，装在直流侧可有效的用于直流侧的过载保护与短路保护。它经特殊的设计，可以先于快速熔断器熔断而保护晶闸管。但此开关昂贵复杂，使用不多。
快速熔断器闸管在被损坏之前就迅速切断电流，并断开桥臂中的故障元件以保护其他元件。晶闸管过流保护措施有以下几种。
（2）交流短路器
交流短路器的作用是当过电流超过其整定值时动作，切断变压器一次侧交流电路，使变压器退出运行。短路器动作时间较长，约为100~200ms。晶闸管不能在这样长的时间里承受过电流，故它只能作为变流装置的后备保护。
（3）进线电抗器
进线电抗器串接在变流装置的交流进线侧，以限制过电流。其缺点是有负载时会产生较大的压降，增加了线路损耗。
（4）过电流继电器
（5） 过电流继电器可安装在直流侧或交流侧，在发生过电流时动作，使 熔断器是最简单有效的且应用普遍的过流保护器件。针对晶闸管的特点，专门设计了快速熔断器，简称快熔。其熔断时间小于20ms，能很快的熔断，达到保护晶闸管的目的。
快熔的选择：快熔的额定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的原件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流IT来选择，一般小于被保护晶闸管的额定有效值1.57IT。快熔接法如下图所示：
图2.7 过电流保护
其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同—个电流．因而被广泛使用。
电流上升率di/dt的抑制
晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密很大，然后以0.1mm/μs的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图所示：
图2.8 串联电感抑制回路
电压上升率du/dt的抑制
加在晶闸管上的正向电压上升率du/dt也应有所限制,如果du/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制du/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如下图所示：
图2.9 并联R-C阻容吸收回路
2.3 元器件型号选择
2.3.1 晶闸管参数计算与选择
由于单相桥式半控反电动势、电阻负载电路主要器件是晶闸管，所以选取元件是主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。
单相半控桥式整流电流（阻感负载）与单相全控桥式整流电路的电阻负载时的工作情况相同。
直流输出电压平均值：
Ud0.9U2
1cos
（2-3） 2
直流输出电流平均值：
UU1cosIdd0.9d （2-4）
RR2流经晶闸管的电流有效值：
IVT
12
(
U22U2
sint)2d(t)R2R1sin22
（2-5）
（2-6）
变压器二次有效值：
I2
(
1
2U2U
sint)2d(t)2
RR1sin22
参数计算：
P出UdId 输出电流平均值：
Id
2
Ud
R2.4
P出
Ud110V
45.8AR2.4
12
U22U2
sint)2d(t)R2R
1sin248.9A2
流过晶闸管电流有效值：
IVT
(
变压器二次侧电流有效值：
I2
(
1
U2U2
sint)2d(t)2
RR1sin269.1A2
器件选择：
晶闸管的额定电流：IN
IVT
(1.5~2)46.7A~62.2A 1.57
这里取2倍安全电流储备，并考虑晶闸管元件的额定电流，所以选择额定电流为100A的晶闸管。
晶闸管的额定电流：UN2U2(2~3)622.3V~933.4V
这里取3倍安全电压储备，考虑晶闸管元件的额定电压，所以选择额定电压为1000V的晶闸管。
2.3.2 变压器参数计算与选择
由已知条件可知U1=220V Po=5KW 移相范围0°—180° 假设R=0.125Ω，α=0°，可得：
Ud= o=25V Id=Ud=20A
输出电压有效值：
U2=Ud=25V
所以变压器变比：
N2=100:25=4:1
变压器选用容量S=500VA 变比N2取4：1。
通过以上计算分析，在本次课程设计中所采用的晶闸管类型为KP 50~8螺栓型普通晶闸管。
2.4 系统仿真
2.4.1 MATLAB仿真软件简介
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。
2.4.2 MATLAB仿真模型建立
单相半控桥式整流电路模型主要由交流电源、同步触发脉冲、晶闸管全控桥、电感负载、测量等部分组成。采用MATLAB面向电气原理结构图方法构成的单相全控桥式整流电路仿真模型如下图所示：
图2.10 单相半控桥式整流电路的MATLAB仿真图
2.4.3 MATLAB仿真波形及数据分析
当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图2.11 、2.12、2.13、2.14是单相半控桥式整流电路仿真模型在触发角分别为0°、45°、90°、180°时的输出曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。
图2.11 触发角=0时的仿真波形
下面分析一下仿真的结果：
1、由图2.11知，在电源电压u2正半周期，晶闸管TV1（和TV4）承受正向电压，在时施加触发信号CF1，使晶闸管TV1（和TV4）导通，则电源电压通过TV1和TV4加至负载上，晶闸管TV1两端的电压近视为0（忽略管压降）
。当电源电压
过零变负时，由于电感的存在，TV1（和TV4）仍继续导通，负载电流Zi和电压Zu连续。
图2.12 触发角=45时的仿真波形
图2.13 触发角=90时的仿真波形
图2.14 触发角=180时的仿真波形
2、由图2.12知，与理论波形图2.13相比较，分别在=45°、=90°施加触发信号CF1，晶闸管TV1（和TV4）导通后，负载电压Zu接近于变压器二次侧电压AC的波形。负载电流Zi存在断续，可知已知电感（700mH）还不够大，与前面的理论分析假设的大电感有区别。
3、由图2.14可知，当触发角=180°，理论值平均电压Ud=0，图中Zu接近于0。
4、数据分析：
（1）、=0°，实际值Ud=99.069；理论值Ud=99；实测值和理论值非常接近，误差极小，产生的误差可能是计算问题；
（2）、=45°，实际值Ud=70.056；理论值Ud=70；实测值和理论值非常接近，误差极小；
（3）、=90°，实际值Ud=35.034；理论值Ud=35
；实测值和理论值非常接
近，误差极小；
（4）、=180°，实际值Ud=0.062；理论值Ud=0；实测值和理论值非常接近，误差极小。
第3章 课程设计总结
本课程设计是要求设计一个单相半控桥式整流电路为额定电压110V、功率为5kW的直流电动机提供直流可调电源，在设计过程中需要设计一个单相半控桥式整流电路作为主电路，以及需要设计一个控制电路，同时还要有保护电路。在总电路设计之后还需要进行MATLAB仿真实验。
在设计过程中先要设计一个桥式电路作为主电路。单相半控桥式整流电路的设计需要用到晶闸管和电力二极管，相对于单相全控桥式整流电路来说，需要的器件更加简单、经济，对于晶闸管的应用数量更少，但是相对去全控整流电路更容易出现失控现象。对于单相半控桥式整流电路，需要一个控制电路，所以在主电路设计完成之后就是对控制电路的设计，而本课程设计中所用到的是同步信号为锯齿波的触发电路作为该设计中的控制电路。对于一个电路来说需要保护电路来保护器件和系统，所以在最后要设计保护电路，而对于保护电路来说有过电压保护和过电流保护两种。根据不同的原因要设计不同的保护电路，所以就需要过电压和过电流两种保护电路。在设计电路完成之后，要进行MATLAB的仿真实验来验证所设计的电路是否成功，通过MATLAB仿真实验可以验证设计的电路符合设计要求。
从方案的经济技术论证，在网上查阅相关资料。然后是整流电路的设计，通过对这一学期以来电力电子课程的学习及上学期电动机课程的复习，结合现有成品设计出自己所需的整流电路。
通过计算选择器件的具体型号，在计算时，需要一些不太熟悉的公式，我在查阅相关书籍，并在网络上搜集相关材料。由于推挽型开关稳压电源主电路主要元件是二极管和变压器，所以选取元件时主要考虑二极管和变压器的参数，最终计算出具体数据，并顺利选出所需器件。
绘制相关电路图时，充分运用课上所学的各种绘图，仿真软件，熟练绘制自己所需的图，但也有在网上复制的图片。最后通过电力电子课程设计对于主要器件晶闸管的原理和作用有了很大的提高，从中受益匪浅。
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