(完整版)三相桥式全控整流电路课程设计

第1章 课程设计目的与要求

1.1课程设计目的

“电力电子技术”课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。因此，通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：

1）培养综合应用所学知识，并设计出具有电压可调功能的直流电源系统的能力；

2）较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌整流电路设计的基本方法。

3）培养独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；

4）培养分析、总结及撰写技术报告的能力。

1.2课程设计的预备知识

熟悉电力电子技术课程、电机学课程的相关知识。

1.3 课程设计要求

1、单相桥式相控整流的设计要求为：

负载为感性负载,L=700mH,R=500欧姆.

2、技术要求:

1)、电源电压：交流100V/50Hz

2)、输出功率：500W

3)、移相范围0º~90º

按课程设计指导书提供的课题，根据基本要求及参数独立完成设计。

第2章 课程设计方案的选择 2 / 17 2.1整流电路

单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。而负载性质又分为带电阻性负载、电阻-电感性负载和反电动势负载时的工作情况。

单相桥式全控整流电路（电阻-电感性负载）

电路简图如下：

TiiLRuuu(a)

图2.1

此电路对每个导电回路进行控制，与单相桥式半控整流电路相比，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。

单相全控桥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。

单相全控桥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。

根据以上的分析，我选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为电阻-电感性负载）。

2.2元器件的选择

2.2.1晶闸管

晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier--

SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以 3 / 17 来，开始被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。

1）晶闸管的结构

晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。

内部结构:四层三个结如图2.2

2）晶闸管的工作原理图

晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极，如图1.2(左)所示。由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图2.3（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。

图2.2晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形

a)晶闸管外形 b)内部结构 c)电气图形符号 d)模块外形

图2.3 晶闸管的内部结构和等效电路 4 / 17 3）晶闸管的门极触发条件

（1）: 晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；

（2）：晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；

（3）：晶闸管一旦导通门极就失去控制作用；

（4）：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下。

晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流ＩＧ的电路称为门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

2.2.2 可关断晶闸管

可关断晶闸管简称GTO

1） 可关断晶闸管的工作原理

图1.3 GTO的结构、等效电路和图形符号

GTO的导通机理与SCR是完全一样的。 GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。 GTO在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。

晶闸管具有驱动简单

第3章 主电路的设计 5 / 17 3.1系统总设计框图

系统原理方框图如3.1所示：

图3.1系统原理方框图

3.2系统主体电路原理及说明

Ti2iLRudVTVTVTVTuu(a)

图3.2阻感性负载电路（a）工作波形（b）

假设 ，工作于稳定状态，负载电流连续，近似为一平直的直线。

(1) 工作原理

在电源电压2u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，2u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。 单相电源输出 驱动电路 负载电路 保护电路

RL整流电路 6 / 17 在电源电压2u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2t时，电压2u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di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20。

（1） 输出电压平均值dU和输出电流平均值dI

(3-2-1) (3-2-2)

（2）晶闸管的电流平均值dTI和有效值TI (3-2-3)

(3-2-4)

（3）输出电流有效值I和变压器二次电流有效值2I

(3-2-5)

（4）晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压均为 ddT21IIdIII222Ucos9.0cosπ22dsin2π1222dUUttUURUIdddT21II 7 / 17 3.3原理图的分析

TiiLRuVTVTVTVTuu单结晶闸管触发电路1单结晶闸管触发电路2单结晶闸管触发电路3单结晶闸管触发电路4

该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。在电路中还加了防雷击的保护电路。然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。

在电路中,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护,而过压保护则采用RC电路。这部分的选择主要考虑到电路的简单性，所以才这样的保护电路部分。整流部分电路则是根据题目的要求，选择的我们学过的单相桥式整流电路。该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能。触发电路是由设计题目而定的，题目要求了用单结晶体管直接触发电路。单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大，而且由于是直接触发电路它的结构比较简单。一方面是方便我们对设计电路中变压器型号的选择。

第4章 辅助电路的设计

4.1驱动电路的设计

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。驱动电路亦称触发电路。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 8 / 17 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。

4.1.1触发电路

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。触发电路对其产生的触发脉冲要求：

① 触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

② 触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

由闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散性很大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流Igt、门极触发电压U是指该型号的所有合格器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通，对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为0.5~1MS，相当于50HZ、18度电度角。为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在 触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。

③ 触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。

④ 触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。

例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，要求触发脉冲的移项范围是0度~180度，带大电感负载时，要求移项范围是0度~90度；三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是0度~90度。

⑤触发脉冲与主电路电源必须同步。