单相全控桥式晶闸管整流电路的设计(阻感性负载)
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目 录
摘要 1
1 前言 1
2 系统方案及主电路设计 2
2.1 方案选择 2
2.2 系统流程框图 4
2.3 主电路的设计 4
2.3.1 整流电路及波形图 4
2.3.2 工作原理 5
2.3.3 整流电路的参数计算 6
2.4 晶闸管元件的选择 7
2.5 性能指标分析 9
3 触发电路的设计 9
4 保护电路的设计 10
4.1 保护电路的论证与选择 11
4.2 过流保护 11
4.3 过压保护 13
心得体会 16
参考文献 17
致谢 18
单相全控桥式晶闸管整流电路的设计
摘要：整流电路技术在工业生产上应用极广。如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路按组成的器件不同，可分为不可控、半控与全控三种，利用晶闸管半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路；按电路接线方式可分为桥式和零式整流电路；按交流输入相数又可分为单相、多相（主要是三相）整流电路。正是因为整流电路有着如此广泛的应用，因此整流电路的研究无论在是从经济角度，还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。
关键词：整流电路 变压 全控 晶闸管
1前言
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。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；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；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。
整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。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等。
2 系统方案及主电路设计
2.1 方案选择
我们知道，单相整流电路形式是各种各样的，可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，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几种方案：
方案一：单相桥式半控整流电路
电路简图如下：
图1 单相桥式半控整流电路
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
成为正弦半波，即半周期
为正弦，另外半周期为
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。
方案二：单相桥式全控整流电路
电路简图如下：
图 2单相桥式全控整流电路
此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。
方案三：单相半波可控整流电路：
电路简图如下：
图 3 单相半波可控整流电路
此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a 移相范围为1800。但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。实际上很少应用此种电路。
方案四：单相全波可控整流电路：
电路简图如下：
图 4 单相全波可控整流电路
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。相同的负载下流过晶闸管的平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。
2.2 系统流程框图
根据方案选择与设计任务要求，画出系统电路的流程框图如图5所示。整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路带阻感性负载。
图 5 系统流程框图
2.3 主电路的设计
2.3.1 整流电路及波形图
图 6 单相桥式全控整流电路图（阻感负载）
图 7 单相全控桥式整流电路阻感负载时的波形
2.3.2工作原理：
在电源电压
正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在
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，
过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到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
负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在
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
时，电压
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
时，负载电流
才连续，当
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
。
2.3.3整流电路的参数计算
1）整流输出电压的平均值可按下式计算
=
=
=
（公式1）
当α=0时，
取得最大值,即
= 0.9
。从
=100可以而得出
=90V，α=90o时，
=0。α角的移相范围为90o。
2）整流输出电压的有效值为
=
=100V （公式2）
3）整流电流的平均值和有效值分别为
（公式3）
（公式4）
4)在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值
和有效值
相等，其波形系数为1。
流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为：
（公式5）
（公式6）
5)晶闸管在导通时管压降
=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压
加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于
;VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整 个电压
加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为
。
2.4晶闸管元件的选择
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。
1).晶闸管的主要参数如下：
①额定电压UTn
通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。
晶闸管的额定电压
UTn ≥（2～3）UTM （公式7）
