单相桥式全控整流电路设计

课 程 设 计 说 明 书

学生姓名： 学 号： 学 院：

专 业： 自动化 题 目： 单相桥式全控整流电路设计 （纯电阻负载、反电势电阻负载）

指导教师： 职称:

2011年 1 月 10 日

课程设计任务书

10/11 学年第 一 学期

学 院： 专 业： 学 生 姓 名： 学 号

课程设计题目： 单相桥式全控整流电路设计 （纯电阻负载、反电势电阻负载） 起 迄 日 期： 1月 10 日～ 1月 14 日

课程设计地点： 电气工程系实验中心 指 导 教 师：

系 主 任：

下达任务书日期: 2011年 1 月 9 日

课 程 设 计 任 务 书

1．设计目的： 1）培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。 2）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 3）培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。 4）提高学生课程设计报告撰写水平。 2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 设计内容： 1、设计一个单相全控桥式晶闸管整流电路（纯电阻负载） 设计要求： 1）电源电压：交流100V/50Hz； 2）输出功率：500W； 3）移相范围：0°～180°。 2、设计一个单相全控桥式晶闸管整流电路（反电势电阻负载） 设计要求： 1）电源电压：交流100V/50Hz； 2）输出功率：500W； 3）移相范围：30º~150º； 4）反电势： E=70V。 3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计说明书、图纸、实物样品等〕： 设计工作任务及工作量的要求： 1）根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路和触发电路； 2）用Multisim等软件制作主电路和控制电路原理图； 3）撰写课程设计报告——画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理，完成元器件参数计算，元器件选型，说明控制电路的工作原理，用Multisim或EWB等软件绘出主电路典型的输出波形（比较实际波形与理论波形），绘出触发信号（驱动信号）波形，说明设计过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料。

课 程 设 计 任 务 书

4．主要参考文献： 1、樊立萍，王忠庆.电力电子技术.北京:北京大学出版社,2006 2、徐以荣，冷增祥.电力电子技术基础.南京：东南大学出版社，1999 3、王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社,2005 4、童诗白.模拟电子技术.北京:清华大学出版社, 2001 5、阎石.数字电子技术.北京:清华大学出版社, 1998 6、邱关源.电路.北京：高等教育出版社，1999 5．设计成果形式及要求： 1）撰写课程设计报告； 2）用PROTEL或其它软件画出主电路和触发电路原理图； 3）用EWB或其它软件绘出主电路典型波形，触发信号（驱动信号）波形。 6．工作计划及进度： 2011年 1 月 10日 ~ 1月 11 日 收集资料，计算所需参数并选定元器件； 1月12日 ~ 1月13日 完成主电路、控制电路设计；绘出波形图； 1月14日~ 月 日 完成课程设计报告，下午答辩。 系主任审查意见： 签字： 2011年 1 月 9 日

单相桥式全控整流电路的设计

一、

1. 设计方案及原理 1.1 原理方框图

触发电路 驱动电路 整流主电负载 1.2 主电路的设计

电阻负载主电路主电路原理图如下：

VT3aT VT1i2idu1u2udRbVT2VT4

反电势负载主电路原理图如下：

VT1i2aVT3Tidu1u2RudbVT2VT4E

1.3主电路原理说明

1.3.1电阻负载主电路原理

（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=1/2u2。

（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。

1.3.2反电势负载主电路原理

（1）若是感性负载，当u2在正半周时，在ωt＝α处给晶闸管

VT1加触发脉冲，VT1导通后，电流从u2正端→VT1→L→R→VD4→u2负端向负载供电。u2过零变负时，因电感L的作用使电流连续，VT1继续导通。但a点电位低于b点，使电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是经VT1和VD2续流，则ud=0。

（2）在u2负半周ωt＝π+α时刻触发VT3使其导通，则向VT1

加反压使之关断，u2经VT3→L→R→VD2→u2端向负载供电。

u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud

又为零。此后重复以上过程。

1.4整流电路参数的计算 电阻负载的参数计算如下：

（1） 整流输出电压的平均值可按下式计算

Ud=0.45U2（1+cos） （1-1）

Ud取得最大值，当α=0时，即Ud= 0.9 U2，取U2=100V则Ud =90V，

α=180o时，Ud=0。α角的移相范围为180o。

（2） 负载电流平均值为

Id=Ud/R=0.45U2（1+cos）/R (1-2)

(3)负载电流有效值，即变压器二次侧绕组电流的有效值为 I2=U2/R(1sin) (1-3) 2(4)流过晶闸管电流有效值为

IVT= I2/2 （1-4）

反电势负载的参数计算如下：

当| u2|>E时，晶闸管可以开通。

（1）当时，如触发脉冲宽度小于，则电路无法工作，如为宽脉冲触发，则总在处触发脉冲起作用，其最大输出平均电压为

UdmE1(2U2sintE)dt22U2(cossin)

（1-5）

（2）整流输出电压的有效值为

U=12U2sinwt2dwt （1-6）

（3）整流电流的平均值和有效值分别为

IdUdR=0.9U2ERcos（1-7）

UI=R12U2sinwtdwtR2 （1-8）

（4)在一个周期内晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导通，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即：

IdvTUE1Id0.452cos （1-9） 2R

（5）停止导电角的计算

二、元器件的选择

晶闸管的选取

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minUDRM,URRM

UTN=（2～3）UTM （2-1） UTM:工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 ②额定电流IT(AV)

IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°和规定的

冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。

在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值不大于额定电流的有效值,散热冷却符合规定，则

晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。

在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值不大于额定电流的有效值,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。 对于电阻负载的单相桥式全控整流电路计算为：

取U2=100V,当α<90° 当

0 o时Ud=100V，P=500W，

由P=U2/R得出R=20

带入（1-2）、（1-3）和（1-4）得， 负载电流I2的有效值，即I2=5A 流过晶闸管的电流有效值IVT=3.53A 额定电流IT(AV) =2.25A

则电流定额为1.5的额定电流为3.37A 对于反电势负载的单相桥式全控整流电路计算为：

将变压器副边电压有效值U2定为100V，则停止导电角δ=29.67°

此时代入（1-5）可得最大输出电压为=101.5V>70V，满足要求。

晶闸管承受最大反向电压为：UTM=√2U2

考虑到安全裕量，故晶闸管额定电压为：UTN=（2～3）UTM =282.8V 流过晶闸管电流有效值最大为：Idmax=P/Udm=500/101.5=4.9A，考虑到安全裕量，故晶闸管额定电流为：I=（1.5～2）Idmax =7.35V9.8A，取10A。

22U2(cossin)

R=( Udm-E)/Idmax =6.4

通过以上计算得知，可以取晶闸管额定电压为400V，额定电流为10A。

三、仿真分析与调试

（1） 电阻负载的单相桥式全控整流仿真电路图：

分析：单相桥式全控整流电路（电阻性负载）是典型单相桥式全控整流电路，共用了四个晶闸管，两只晶闸管接成共阳极，两只晶闸管接成共阴极，每一只晶闸管是一个桥臂，桥式整流电路的工作方式特点是整流元件必须成对以构成回路，负载为电阻性。其中晶闸管的触发需要有触发脉冲，本设计触发脉冲选择频率f为100Hz的触发脉冲，通过调节延迟时间来改变触发延迟角。

波形图分别代表电路输出电压和晶体管VT2上的电压、。下列波形分别是触发延迟角α为0°、36°、144°时的波形变化。

α=0°时的波形为

α=36°时的波形为

α=144°时的波形为

（2）反电势负载的单相桥式全控整流仿真电路图：

分析同电阻负载的单相桥式整流电路一样。

波形图分别代表电路输出电压和晶体管VT4上的电压、。下列波形分别是触发延迟角α=δ，α=72 o 、90 o 、150o时的波形。 当触发角α为δ=30 o 时的波形：

当触发角α为72 o 时的波形：

当触发角α为90 o 时的波形：

当触发角α为150 o 时的波形：

在工业生产中，常常遇到充电的蓄电池和正在运行中的直流电动机之类的负载。它们本身具有一定的直流电势，对于可控整流电路来说是一种反电势性质负载。在分析带反电势负载可控整流电路时，必须充分注意晶闸管导通的条件，那就是只有当直流电压ud瞬时值大于负载电势Ｅ时，整流桥中晶闸管才承受正向阳压而可能被触发导通，电路才有直流电流id输出。

四、心得体会

通过这次对单相桥式全控整流电路的课程设计，让我对整流电路有了更加清晰的认识，同时也对触发电路和保护电路也有了更深刻的认识，这次课程设计应用到multisim软件，设计时借助multisim软件进行系统模型仿真，用该软件对该电路进行分析，大大简化了计算和绘图步骤。书写课程设计说明书时使用WORD软件，使我掌握了许多关于WORD编辑和排版技巧，提高了自身对一些基本软件的应用技能。 总之，这次课程设计不仅增加了我的知识积累，让我有机会将课堂上所学的电力电子理论知识运用到实际中， 这次课程设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。