单相桥式全控整流电路纯电阻性负载课程设计

1 绪论

电力电子技术又称为功率电子技术，他是用于电能变换和功率控制的电子技术。电力电子技术是弱电控制强电的方法和手段，是当代高新技术发展的重要内容，也是支持电力系统技术革命发展的重要基础，并节能降耗、增产节约提高生产效能的重要技术手段。微电子技术、计算机技术以及大功率电力电子技术的快速发展，极大地推动了电工技术、电气工程和电力系统的技术发展和进步。

电力电子器件是电力电子技术发展的基础。正是大功率晶闸管的发明，使得半导体变流技术从电子学中分离出来，发展成为电力电子技术这一专门的学科。而二十世纪九十年代各种全控型大功率半导体器件的发明，进一步拓展了电力电子技术应用和覆盖的领域和范围。电力电子技术的应用领域已经深入到国民经济的各个部门，包括钢铁、冶金、化工、电力、石油、汽车、运输以及人们的日常生活。功率范围大到几千兆瓦的高压直流输电，小到一瓦的手机充电器，电力电子技术随处可见。 电力电子技术在电力系统中的应用中也有了长足的发展，电力电子装置与传统的机械式开关操作设备相比有动态响应快，控制方便，灵活的特点，能够显著地改善电力系统的特性，在提高系统稳定、降低运行风险、节约运行成本方面有很大潜力。

随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电，整流的基础是整流电路。

2 设计任务

2.1 设计目的

第 1 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

1．加深理解《电力电子技术》课程的基本理论。

2．掌握电力电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力。 3．学习MATLAB仿真软件及各模块参数的确定。 2.2 设计内容和要求 设计条件：

1．电源电压：交流100V/50Hz 2．输出功率：500W 3．触发角90 4．纯电阻负载

根据课程设计题目和设计条件，说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。 设计内容包括：

1．整流变压器额定参数的计算 2．晶闸管电流、电压额定参数选择 3．触发电路的设计

2.3 设计工作内容及工作量的要求

1．根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定各器件参数，设计电路原理图。

2．利用MATLAB仿真软件绘制主电路结构模型图，设置相应的参数。 3.仿真用示波器模块观察和记录电源电压、触发信号、晶闸管电流和电压，负载电流和电压的波形图。

3 设计内容

3.1 设计方案的选择

第 2 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

单相全控桥式纯电阻负载整流电路可分为单相桥式带阻感负载相控整流电路和单相桥式带阻感负载半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。 单相半控桥式整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，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。 单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。 根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。 3.2 整流电路设计

T VT1i2aVT3idu1u2udRbVT2VT4

图3.2单相桥式全控整流电路（纯电阻性负载）

单相桥式全控整流电路是由交流电源、整流变压器、晶闸管、负载以及触发电路组成。

其工作原理如下：

第 3 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

1）在u2正半波的（0～α）区间，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，但无触发脉冲，晶闸管VT2、VT3承受反向电压。因此在0～α区间，4个晶闸管都不导通。假如4个晶闸管的漏电阻相等，则Ut1、4= Ut2、3=1/2*u2。

2）在u2正半波的（α～π）区间，在ωｔ＝α时刻，触发晶闸管VT1、VT4使其导通。

3）在u2负半波的（π～π＋α）区间，在π～π＋α区间，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，因无触发脉冲而处于关断状态，晶闸管VT1、VT4承受反向电压也不导通。

4）在u2负半波的（π＋α～２π）区间，在ωｔ＝π＋α时刻，触发晶闸管VT2、VT3使其元件导通，负载电流沿b→VT3→R→VT2→α→T的二次绕组→b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压（ud=-u2）和电流，且波形相位相同。 3.3 元器件的选择 3.3.1 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。

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）、

第 4 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极。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3.3.1（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3.3.1 晶闸管的内部结构和等效电路

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。 3.3.2 晶闸管电流、电压额定值的选择

22晶闸管所能承受的最大正向电压和反向电压分别为

U2和2U2。

为选择晶闸管、变压器容量、导线面积等定额，需要考虑发热问题，为此需要计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为

第 5 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

Ivt12（2U2Rsint）dt2U22R12sin2-

变压器二次电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为

12U2RUsintdt2R2I=I2120sin2-

由上面两式可得出：

IVT12I

不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为SU2I2。

4 单相桥式全控整流电路纯电阻性负载电路设计

4.1 单相桥式全控整流电路纯电阻性负载工作原理 4.1.1 单相桥式全控整流电路纯电阻性负载工作原理图

T VT1i2aVT3idu1u2udRbVT2VT4 图4.1.1 单相桥式全控整流电路纯电阻性负载工作原理图 4.1.2 工作原理说明

晶闸管V1和V4组成一对桥臂，V2和V3组成另一对桥臂。当变压器二次电压U2

为正半周时（a端为正，b端为负），相当于控制角a的瞬间给V1和V4以触发脉冲，

第 6 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

V1和V4即导通，这时电流从电源a端经V1、R、V4流回到电源b端。这期间V2和

V3均承受反压而截止。当电源电压过零时，电流也降到零，V1和V4即关断。

在电源电压的负半周期，仍在控制角为a处触发晶闸管V2和V3，则V2和V3导通。电流从电源b端经V3、R、V2流回电源a端。到一周期结束时电压过零，电流亦降至零，V2和V3关断。在电源电压的负半周期，V1和V4均承受反向电压而截止。很显然上述两组触发脉冲在相位上相差180°。以后又是V1和V4导通，如此循环工作下去。 4.2 基本参数计算

1） 由变压器容量S=U2I2=500W、变压器二次侧电压U2可得到 变压器二次电流有效值I2=

SU25001005A

输出直流电流有效值I=I25A

U2R122）根据I=I2U2I212sin2-=5A可得到负载电阻值

R=

sin2-20 3）整流电压平均值：

1cos21cos902oUd0.9U20.910045V

4） 输出电流平均值：

IdUdR0.9U21cosR20.9100201cos902o=2.25A

5） 晶闸管的电流平均值：

第 7 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

IdVT12Id0.45U21cos2R=0.45100201cos902o=1.125A

4） 流过晶闸管的电流有效值：

IvtU22R12sin2-=

10020212sin-2=3.536A

5） 晶闸管所承受的最大正向电压

22U2=

22100V=70.71V

最大反向电压为2U2=141.42V 6） 晶闸管的额定电压：

UN(2~3)2U2(2~3)2100V282.84V～424.26V

8） 晶闸管的额定电流： IN=(1.5~2)4.3建模

在MATLAB新建一个Model，命名为untitled.mdl，同时模型建立如下图所示：

IVT1.57(1.5~2)3.5361.573.378A~4.504A

第 8 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

图4.3.1 在matlab中建立的单相桥式全控整流电路电阻性负载电路图

在此电路中，输入电压的电压设置为141,4V，频率设置为50Hz，电阻阻值设置为20欧姆，电感设置为1e-5H，脉冲输入的电压设置为1V，周期设置为0.02（与输入电压一致周期），占空比设置为10%，触发角设置为90°因为4个晶闸管在对应时刻不断地周期性交替导通，关断，所以脉冲出发周期应相差180°。 a.交流电源参数

第 9 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

图4.3.1 交流电源Us的参数设定

b.同步脉冲信号发生器参数

第 10 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

图4.3.2 VT1、VT4触发脉冲的设置

第 11 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

图4.3.3 VT2、VT3触发脉冲的设置

见图4.3.2和图4.3.3，幅值均为1V，即大于晶闸管的门槛0.8V，周期为0.02s，也就是50Hz，脉宽均为10，延迟时间分别为0.005s和0.015s。

按照关系式t=

T360o，控制角=90o，周期T=0.02s，则第一个脉冲在t1=

0.005s时到来。互补的两套管在一个周期内各导通一次，所以第二个脉冲在t2=0.01+t1=0.015s。 c.负载电阻的参数

第 12 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

图4.3.4 纯电阻性负载的设置

4.4 仿真结果

图4.4.1 示波器所示仿真结果

第 13 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

示波器显示内容：第一行U：VT1、和VT2、的触发脉冲；第二行U2：二次侧交43流电压值；第三行ivt:晶闸管电流；第四行uvt：晶闸管电压；第五行id：流过负载的电流；第六行Ud：负载两端的电压。

5 总结

这次电力电子技术课程设计，我完成的是单相桥式全控整流电路纯电阻性负载。通过实际仿真操作，我明白了很多关于电力电子仿真技术方面的知识，尤其是在课本中没有完全介绍的有关matlab的软件知识。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。在这次课程设计过程中，碰到的难题就是对相关参数的计算，因为在学习中没能很好的系统的总结相关知识。在整个课程设计中贯穿的计算过程没能很好的把握。在今后的学习中要认真总结经验，对电力电子课程进行补充，为以后深入的学习专业知识做铺垫。

设计过程中，我明白了整流电路，尤其是单相桥式全控整流电路的作用以及整流电路设计方法的多样性。另外通过这次课程设计，我对文档的编排也有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程。

这是我第一次完成整个课程设计，通过这次的经历我加深了对《电力电子技术》这门课程的基本理论的理解，掌握了电力电子电路的一种设计方法， 也学习MATLAB仿真软件及各模块参数的确定。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。

第 14 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

参 考 文 献

[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009

[2].李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.2005

[3].洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.2006 [4].钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010

第 15 页 共 16 页

电子技术课程设计说明书

致 谢

能够顺利完成这次的课程设计任务，首先要感谢高老师在上课时的细致讲解，尤其在第3章中的重点讲得非常认真到位，这对我作设计电路时起了基础性的作用，也是至关重要的作用。其次要感谢学校提供给我们这次独立完成课程设计的机会，感谢帮助我们完成课程设计任务的老师，再次感谢在这次课程设计中所有帮助过我的老师、同学，谢谢你们！

第 16 页 共 16 页