单相双半波可控整流电路

中北大学课程设计

说明书

单相双半波可控 整流电路的设计

学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化

学生姓名： 闫强 学号： 1205044115 成绩

指导教师： 王忠庆

2015年 1 月

I

中北大学课程设计

任务书

学 院： 专 业： 学 生 姓 名： 课程设计题目： 起 迄 日 期: 课程设计地点: 指 导 教 师: 学科部副主任：

闫强

计算机与控制工程学院 电气工程及其自动化

学 号： 1205044115

2014~2015 学年第 一 学期

单相双半波可控整流电路的设计 1月 4 日 ~ 1 月 16 日

德怀楼 王忠庆 刘天野

下达任务书日期: 2015 年 1 月 4 日

II

课 程 设 计 任 务 书

1．课程设计教学目的： 1）加深电力电子技术内容的理解。 2）锻炼学生的分析问题，解决问题，查阅资料，以及综合应用知识的能力。 2．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 单相双半波可控整流电路设计 技术要求：1）输出直流电压3-30V可调，最大输出直流电流30A 2）电路可适应用于电阻负载、阻感负载、反电势负载 3）由降压变压器供电 要求完成：1. 主电路选择，触发电路的选择 2. 元器件选择 3. 变压器选择 4. 绘制完整的设计电路图 3．课程设计成果形式及要求〔课程设计说明书、图纸、实物样品等〕： 深刻理解可控整流电路的内涵；根据所学知识完成各功能模块的设计；最终完成完整的电路实现；用A4手写完成 “电力电子技术课程设计”报告，报告应包含电路，器件的选择理由即整个设计过程。

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4．主要参考文献篇数及书写要求： 1 徐以荣，冷增祥，电力电子技术基础.南京：东南大学出版社，1995 2 樊立萍，王忠庆，电力电子技术。北京：北京大学出版社，2006 3 王远，模拟电子技术。北京：北京理工大学出版社，1991 5．设计成果形式及要求： 设计说明书一份（包括设计过程，完整的原理电路，有条件的给出仿真结果）。 6．工作计划及进度： 2015年1月4日 ~ 1月16日上午 完成设计 1月16日下午 答辩 学科部副主任审查意见： 签字： 年 月 日

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目 录

1 引言............................................ 错误！未定义书签。 2 概述............................................................. 2

2.1 题目意义 ................................................... 2 2.2 个人工作 ................................................... 2 2.3 系统主要功能 ............................................... 2 3 硬件电路设计及描述............................................... 2

3.1 工作原理 ................................................... 2 3.1.1 总电路框图 ............................................ 2 3.1.2 主电路原理图 .......................................... 3 3.1.3 晶闸管触发电路原理图及工作原理 ........................ 4 3.1.4 保护电路原理图及工作原理 .............................. 5 3.1.5 总电路原理图 .......................................... 6 3.2 参数计算 ................................................... 6 3.2.1 晶闸管参数的计算 ...................................... 6 3.2.2变压器参数的计算........................................ 7 3.3 元件选择 ................................................... 7 3.3.1 整流元件的选择 ........................................ 7 3.3.2 保护元件的选择 ........................................ 8 4 软件设计流程及描述.............................. 错误！未定义书签。

4.1 绘制电路图 ............................................... XII

4.1.1 主电路图............................. 错误！未定义书签。 4.1.2 触发电路图........................... 错误！未定义书签。 4.1.3 保护电路图........................................... 10 4.1.4 负载电路图........................................... 11 4.2 仿真波形图 ................................................ 13

4.2.1 电阻负载............................................. 13 4.2.2 阻感负载............................................. 14 4.2.3 反电势负载........................................... 15

心得体会.......................................................... XXI 参考文献........................................... 错误！未定义书签。

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1 引言

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。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。

由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好课程设计，从而提高我们设计电路实例的能力，更好的巩固所学知识，也可以利用仿真软件进行修正改善我们的设计。因为整流电路应用非常广泛，而单相全波整流电路又有利于夯实基础，有单相桥式全控整流电路和单相双半波可控整流电路。而前者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。并且单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，功率因素高的特点。但是，电路中需要四只晶闸管，且触发电路要分时触发一对晶闸管，电路复杂，两两晶闸管导通的时间差用分立元件电路难以控制。而单相双半波可控整流电路又称单相全波可控整流电路。此电路变压器是带中心抽头的，在u2正半周T1工作，变压器二次绕组上半部分流过电流。u2负半周，VT2工作，变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流。单相全波可控整流电路的U d波形与单相全控桥的一样，交流输入端电流波形一样，变压器也不存在直流磁化的问题。当接其他负载时，也有相同的结论。因此，单相全波与单相全控桥从直流输入端或者从交流输入端看均是一致的。故我们将单相全波可控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。

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2 概述

2.1 题目意义

由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用

半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好课程设计，从而提高我们设计电路实例的能力，更好的巩固所学知识，也可以利用仿真软件进行修正改善我们的设计。因为整流电路应用非常广泛，而单相全波整流电路又有利于夯实基础。 2.2 个人工作

本人主要进行了资料查阅，用来软件仿真（Multisim）对主电路、触发电路都进行了全参数仿真，同时对电阻负载、阻感负载、反电势负载都分别进行了仿真，并绘制出其相应波形图以供数据分析。从而了解了整个电路的运行工作情况。 2.3 系统主要功能

将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电。

3 硬件电路设计及描述

3.1 工作原理 3.1.1 总电路框图

触发电路 单相交流电源 变 压 器 整流 主 电路 负载电路 图3.1.1总电路的原理框图

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

VII

后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。

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。整流部分电路则是根据题目的要求，我们选择学过的单相全波整流电路。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。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。

3.1.2 主电路原理图

单相全波整流电路如图3.1.2所示，波形图如图3.2所示。

图3.1.2 单相全波整流电路

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图3.1.3 单相全波整流波形图

3.1.3 晶闸管触发电路原理图及工作原理

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，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

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。 单结晶体管触发电路：

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，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如图3.1.4所示。

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图3.1.4 相控触发电路原理图

注：仿真中采用脉冲电压代替触发电路

3.1.4 保护电路原理图及工作原理

1)过电流保护

当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。 2)过电压保护

设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，因此，必须对电力电子装置进行适当的过电压保护，如图3.1.5所示。

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图3.1.5 过流、过电压保护电路

3.1.5 总电路原理图

图3.1.6 总电路原理图

3.2 参数计算

3.2.1 晶闸管参数的计算

输出直流电压3-30V可调，最大输出直流电流30A 输出最大功率P=UI=900W

1π22输出平均电压为： U0?UL=?2U2sinωtd(ωt)=U2=0.9 U2

0ππ XI

流过负载的平均电流为： IL=

22U20.9 U2= RLπRL晶闸管所承受的最大反向电压为：UR max=2U2 脉动系数S=

42U23π22U22==0.67 3π电源电压交流220V/50Hz ，输出功率：900W ，移相范围：0°~180°。 设外电阻Rd=1.25Ω

为了计算参数且能符合要求，设触发角α=0°，由公式 P=Ud2/R 可算得Ud=Uo=30V。U2=30V/0.9=33.33V

晶闸管所承受的最大反向电压为：UR max=2U2=47.14V 晶闸管的选择UVT=(2~3)U2=66V~99V,取UVT=80V 3.2.2 变压器参数的计算 变压器一 、二次侧电流的计算

P=Id2R Id =30A U1/Ud=220/35 N1/N2=6.28 N2/N1=0.159 I1=Id/4=4.78 A 变压器容量的计算S=U1I1=220×4.78=1.05kVA 变压器型号的选择N1:N2=6.28：1 ; S=1.05kVA 3.3 元件选择 3.3.1 整流元件的选择

由于单相双半波整流带阻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。

晶闸管的主要参数如下： （1）额定电压UNVT

① 断态重复峰值电压UDRM

断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的峰值电压。

②反向重复峰值电压URRM

反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

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，额定电压要留有一定裕量，应为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

XII

晶闸管的额定电压 UNVT??minUDRM,URRM?

UNVT ≥（2～3）22U2 UNVT ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 UNVT =(2--3)22U2=（141.4-212.1）V 通过晶闸管的电流的平均值IvT(AV) （2）额定电流INVT

Ivt(AV)=Id/2=15A

Im=πIVt(AV)=47.1A

晶闸管的选择原则：

1.所选晶闸管电流有效值IVT大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。 2.选择时考虑（1.5～2）倍的安全裕量。即

INVT?(1.5~2)IVT/1.57=（28.65-38.25）A INVT =30A 则晶闸管的额定电流为INVT=30A. 在本次设计中选用2个KP30-2的晶闸管. 3.3.2 保护元件的选择 变压器二次侧熔断器的选择

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I2t值应小于被保护器件的允许I2t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。 因为晶闸管的额定电流为20A,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30A。 相控触发芯片的选择

相控触发电路芯片选择KJ004集成触发电路芯片构成的集成触发器KJ004可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉

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冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。 芯片引脚功能

功 能 引线脚号 输出 空 锯齿波形成 3 4 -Vee(1kΩ) 空 地 同步输综合比入 8 较 9 空 微分阻容 封锁调制 输出 +Vcc 1 2 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 4 软件电路设计及描述

4.1 绘制电路图 4.1.1 主电路图

图4.1.1 主电路仿真图

4.1.2 触发电路图

由于multisim中没有直接的KJ004芯片，所以触发电路用脉冲发生器来代替，如图4.1.2，其中调节触发延迟脚只需调节delay time，如α=30°，则delay time为20*（30/360）=1.667ms。

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图4.1.2 触发电路仿真图

图4.1.3 脉冲发生器参数设置图

4.1.3 保护电路图

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图4.1.4 保护电路仿真图

4.1.4 负载电路图

如图4.1.5为负载电路图，由上至下分别为电阻负载、阻感负载、反电势负载。

图4.1.5 负载电路仿真图

XVI

4.1.5 总电路图

图4.1.5 总电路仿真图

图4.1.6 示波器设置图

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4.2 仿真波形图 4.2.1 电阻负载

α=30°，delay time=1.667ms

α=90°，delay time=5ms

α=150°，delay time=8.333ms

XVIII

4.2.1 阻感负载

α=30°，delay time=1.667ms

α=90°，delay time=5ms

α=150°，delay time=8.333ms

XIX

4.2.1 反电势负载

α=30°，delay time=1.667ms

α=90°，delay time=5ms

α=150°，delay time=8.333ms

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心得体会

这次课程设计是一个加强我动手、思考和解决问题能力的好机会，回顾搞课程设计的这些日子里，我似乎又感受到了当年高考前夕的那种紧张的气氛，这既让我身心俱疲——又让我心里充实的许多，实在是很奇妙。我想，也许今后我们走人社会，或许这段经历会给我们带来不一样的感受。

对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，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，碰到的难题就是对晶闸管的相关参数的计算，因为在学习中没能很好的系统的总结晶闸管相关知识。在整个课程设计中贯穿的计算过程没能很好的把握。在今后要认真学习，对电力电子课程进行补充。为以后的工作做铺垫，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子技术这门课程，把以前一些没弄懂的问题基本掌握了。

通过本次课程设计单相全波整流电路，让我有很多感受和体会，深切的感受到了电子技术在日常生活中的广泛应用，更加理解理论联系实际的意义，为以后的工作、学习奠定了基础。

本次课程设计中主要还是通过查阅课本、图书馆相关资料并上网查有关芯片的引脚图才得以顺利完成。在同学的帮助下设计出了电路，通过MATLAB仿真成功，同时也意识到了自己的一些不足之处，对课本非重点知识理解不够深入，比如KJ004，不知道具体如何使用，以后应该加强对课本知识的理解，不能局限于考试的内容。 设计过程中不仅要参考书本上知识，还要有些自己的东西加进去，设计出电路以后可以考虑从另一个方面着手再设计一个方案，看可行性如何，尽可能的将各种方案的优点集中到一个方案上来。 完成了本次课程设计，有种如释重负的感觉，同时也感到一点点自豪，可以用学到的知识完成一个看似平常但却包含很多知识的器件，大大提高了学习电子技术的积极性。这不仅仅是个人的成功，还得多亏同学们的帮助才能顺利完成本次设计。以后的学习生活中，大家更要相互帮助、学习，集思才能广益，才能创作出好的作品。希望以后会有更多的让自己动手实践的机会来提高自己的实践能力。同时，在平时要要求自己多看书，多查阅相关资料，完备自己的知识体系，相信在以后的实践活动中会做出更好的作品。

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参考文献

[1]王兆安 刘进军.电力电子技术.第五版.北京：机械工业出版社.2003 [2]邱关 罗先觉.电路.第五版.北京：高等教育出版社.2006

[3]冷增祥 徐以荣 电子电子技术基础.第三版.南京：东南大学出版社.2012.2 [4]康华光.电子技术基础数.字部分.第四版.北京：高等教育出版.2000 [5]陈大欣.模拟电子技术基础.第四版.北京：高等教育出版社.2004

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