相控桥式整流电路设计

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1、相控整流电路电路设计陈治权，电子 0932（台州职业技术学院，台州，318000）摘要本报告描述单相桥式整流全控电路的设计原理和实现方法。根据全控整流的 工作特性，研究设计了由触发器、保护电路等单元电路实现的单相桥式全控整流 电路。通过 DJDK-1 型电力电子技术集点击控制装置以及 MATLAB 软件仿真进 行对电路调试。关键词单相桥式全控整流电路 触发器 保护电路一、引言： 近年来，随着科学技术的日益发展，人们对电路的要求也越来越高。由于在实 际中需要可调的直流电源，而整流的相位控方式（即相控整流电路）结构简单、 控制方便、性能稳定，得到了人们的广泛应用，不仅应用于一般工业、也广泛用 于交

2、通运输、电力系统、通信系统等其他领域。二、单相桥式半控电路2.1 电阻型负载单相半控桥式电路，两只二极管是共阳连接，（如图 2-1）总是阴极电位低的 二极管导通，因此，在电源 u2 正半周一定是 VD4 正偏，在 u2 负半周一定是 VD3 正偏，所以，在电源正半周是，触发晶闸管 VT1 导通，二极管 VD4 正 偏导通，电流由a端经VT1和负载Rd及VD4,回电源b端，若忽略两管的 正向导通压降，则负载上得到的直流输出电压就是电源电压，在电源负半周， 触发器VT2导通，电源由b端经VT2和负载Rd及VD3,会电源a端输出仍 是 ud=u2图 2-12.2 电路的计算（1） 控制角控制角是指从

3、晶闸管开始承受正向电压，到其加上触发脉冲的这一段时间所对 应的电角度。导通角9 T 导通角是指改变触发脉冲出现的时刻。（3）移相范围 移相范围是指一个周期内触发脉冲的移相范围，他决定了输出电压的变化范 围。1 + cos a2直流输出电压平均值 Ud 为d = (1/ 2兀)U 2U2sintd (et) = J2U空 / 2兀(1 + cos a ) = 0.45U空直流输出电流的平均值Id为” U c ” U 1 + cosaI 二亠二 0.45t-d R R 2 d负载上得到的电压有效值U和电流有效值I分别为U 二 U L + 沁2 2兀4兀U 兀-a sin2aI = d +R计2兀4

4、兀d晶闸管可能承受的正反向峰值电压为U 二迈uTM2功率因素9兀-asin 2a越+当a =0度时cos9最大为0.707, a越大，cos9越小三、单相桥式全控整流电路3.1 电感性负载在电源u2正半周时，在相当于a角时刻给VT1,VT4同时加触发脉冲，则VT1，VT4会导通，输出电压ud=u2，至电源过零点变负时，由于电感自感电动势会使VT1和VT4继续导通，所以出现负电压的输出，直到负半周相当于a角的 时刻，给VT2, VT3同时加触发脉冲，VT2, VT3被触发导通。图3-1图 3-1直流输出电压平均值U为dU =（1/兀）F+Q2U sinetd （t） = j2U / 兀 cos

5、a =0.9U cosada222当a = Oo时，输出Ud最大,Ud0=0.9U2，至a = 9Oo，输出Ud最小，等于零，因此移相范围 00 900 。直流输出电流平均值Id为UUId = d = 0.92 cosaRRd流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为dT=丄IT 丫2 d流过变压器二次侧绕组的电流有效值为I= Id晶闸管可能承受的正向峰值为Utm =、2U2为了扩大移相范围，且去掉书痴电压负值，在负载两端并联续流二极管，接了续 流二极管后， a 的移相范围可以扩大到00 1800 。四、触发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

6、，使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。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 对触发电路的要求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）。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电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

7、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。r-r(a)4/1.2单结晶发电路及波形原理:经DUD整流后的直流电源u *卞h h呱匚飞飞飞N X w管两个基极LJf控制BT的导通、截止;在电容上形成锯齿波振荡电压，在R上得到一系列前3)工作之间；另路通过，一路经R、R加在单结晶体2 1对电容C充电、通过单结晶体管放电。4.1.2 晶闸管触发电路类型1.单结晶体管触发电路1) 特点：由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温 度补偿性能好，脉冲前沿陡等优点，在小容量的晶闸管装置中得到了广泛应用。 利用单结晶体管的负阻特性与 RC 电路的充放电可组成自激

8、振荡电路，产生频率 可变的脉冲。2) 组成：由自激振荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成如图4.1.2 所示：& -220 VO-T-(b)沿很陡的触发尖脉冲U，如图3.2(b)所示，其振荡频率为:g(4-1-2)T1T R C ln（）e 1上式中n = 0.30.9是单结晶体管的分压比，即调节R，可调节振荡频e率。4）同步电源同步电压由变压器 TB 获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步 电压与主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管 D 削波为梯 w形波u ,而削波后的最大值U既是同步信号，又是触发电路电源。当uDW W DW过零时，电容C经e-b、R迅速放电到零电压。

9、这就是说，每半周开始，电11容 C 都从零开始充电。进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的 时刻（即控制角a ） 致，实现了同步。5）移相控制当R增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压u的时间增大，第一个脉 ep冲出现的时刻推迟，即控制角a增大，实现了移相。锯齿波形成电路由T、T、l2T和C等元件组成，其中T、D、R 和R为一恒流源电路。T截止时，32l W W2 32恒 流 源 电 流 I 对 电 容 C 充 电 ， 所 以 C 两 端 电 压 u 为 ：1c 2 2 cu J I dt ic tc C 1cC4.2保护电路的设计相对于电机和继电器，接触器等控制器而言，电力电子器件承

10、受过电流和过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。但又不能完全根据装置 运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，必须充分发挥器 件应有的过载能力。因此，保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的 重要环节。4.2.1 主电路的过电压保护设计所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压，其电路图见图4.2.1 (a)图 4.2.1(a)产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电 磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷 器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断

11、电感回路电流时电磁感应所引 起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍单相桥 式全控整流主电路的电压保护方法。1).交流侧过电压保护过电压产生过程：电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然 切断，铁芯中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高 的瞬时电压。保护方法：阻容保护2).直流侧过电压保护过电压产生过程：当某一桥臂的晶闸管在导通状态突然因果载使快速 熔断器熔断时，由于直流住电路电感中储存能量的释放，会在电路的输出端 产生过电压。保护方法：阻容保护4.2.2晶闸管的保护电路1.晶闸管过电压保护过电流保护第一种是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输

12、入电流，当输出电压 或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆 变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。第二种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、 快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。我们这次的课程设计采用的是第二种保护电路。(1) 晶闸管变流装置的过电流保护晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流，过电流分 过载和短路两种情况，由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热器的传导途 径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别在瞬时短路电 流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，晶闸管承受过载或短路电流的 能力

13、主要受结温的限制。可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器，直流快速 熔断器和过电流继电器等。在此我们采用快速熔断器措施来进行过电流保护。如 图 4.2.2(a):图 4.2.2（a） 过电流保护采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一 般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流 母线中。3）快熔的121值应小于被保护器件的允许121值、4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。因为晶闸管

14、的额定电流为10A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额 定电流，所以快速熔断器的熔断电流为 15A。（2）晶闸管变流装置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因过电压两类。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，内因过电压主要来 自电力电子装置内部器件的开关过程，过电压保护有避雷器保护，利用非线 性过电压保护元件保护，利用储能元件保护，利用引入电压检测的电子保护 电路作过电压保护。在此我们采用储能元件保护即阻容保护。如图 4.2.2（b）:单相阻容保护的计算公式如下：厂U2|U %R 2.3 2 k - S卫i %04-2-2）（4-2-3）S:变压

15、器每相平均计算容量（VA）U ：变压器副边相电压有效值 （ V）2i %: 变压器激磁电流百分值0U %：变压器的短路电压百分值。k 当变压器的容量 在（ 10700） KVA 里面取值时 i %=（ 410）在0里面取值，U %= （510）里面取值。k电容C的单位为U F,电阻的单位为欧姆，电容C的交流耐压21.5UeU ：正常工作时阻容两端交流电压有效值。e根据公式算得电容值为4.8F,交流耐压为165V，电阻值为12.86Q， 在设计中我们取电容为5p F,电阻值为13Q。4.3电流上升率、电压上升率的抑制保护4.3.1 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/s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