精品】單相全控橋感性負載畢業(yè)論文設計

1、（此文檔為word格式，下載后您可任意編輯修改?。┱?21前言 22主電路設計 32.1系統(tǒng)流程框圖 32.2主電路的設計 32.2.1 整流電路及波形圖 32.2.2 工作原理 42.2.3 整流電路的參數(shù)計算 52.3晶閘管元件的選擇 63觸發(fā)電路的設計 84保護電路的設計 115仿真波形 11心得體會 18參考文獻 1823整流電路技術在工業(yè)生產(chǎn)上應用極廣。 如調壓調速直流電源、電解及電鍍的 直流電源等。整流電路就是把交流電能轉換為直流電能的電路。大多數(shù)整流 電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調速、發(fā) 電機的勵磁調節(jié)、電解、電鍍等領域得到廣泛應用。整流電路按組成的

2、器件 不同，可分為不可控、半控與全控三種，利用晶閘管半導體器件構成的主要有半 控和全控整流電路；按電路接線方式可分為橋式和零式整流電路； 按交流輸入相 數(shù)又可分為單相、多相（主要是三相）整流電路。正是因為整流電路有著如此廣 泛的應用，因此整流電路的研究無論在是從經(jīng)濟角度，還是從科學研究角度上來 講都是很有價值的。1刖言在電力電子技術中，可控整流電路是非常重要的內容， 整流電路是將交流電 變?yōu)橹绷麟姷碾娐?，其應用非常廣泛。工業(yè)中大量應用的各種直流電動機的調速 均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機車、磁懸浮列車等）、電動汽車、飛 機、船舶、電梯等交通運輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術；各種電子

3、裝置如通信設備中的程控交換機所用的直流電源、 大型計算機所需的工作電源、微型 計算機內部的電源都可以利用整流電路構成的直流電源供電，可以說有電源的地方就有電力電子技術的設備。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用 于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定。變 壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與 整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電

4、路、三相橋式全控整流電路等。單相全控橋式晶閘管整流電路 （阻感負載）的設計2主電路的設計2.1系統(tǒng)流程框圖根據(jù)方案選擇與設計任務要求，畫出系統(tǒng)電路的流程框圖如圖5所示。整流 電路主要由驅動電路、保護電路和整流主電路組成。 根據(jù)設計任務，在此設計中 采用單相橋式全控整流電路帶阻感性負載。圖2.12.2主電路的設計2.2.1 整流電路及波形圖TS6010LS3T RAM-2 P2S 2-S0O1OLS3L58-ITX圖2.2單相橋式全控整流電路圖（阻感負載）圖2.3單相橋式全控整流電路圖（阻感負載，帶反電動勢）圖2.4單相橋式全控整流電路圖（阻感負載）時的波形2.2.2工作原理在電源電壓U2正半周

5、期間，VT1、VT2承受正向電壓，若在 “廠 時觸發(fā),VT1 VT2導通，電流經(jīng)VT1、負載、VT2和T二次側形成回路，但由于大電感的存在，u2過零變負時，電感上的感應電動勢使 VT1、VT2繼續(xù)導通，直到VT3 VT4被觸發(fā)導通時，VT1、VT2承受反相電壓而截止。輸出電壓的波形出現(xiàn)了負值 部分。在電源電壓U2負半周期間，晶閘管VT3 VT4承受正向電壓，在7 =二*時 觸發(fā)，VT3 VT4導通，VT1、VT2受反相電壓截止，負載電流從 VT1、VT2中換流 至VT3 VT4中在7=2二時，電壓U2過零，VT3 VT4因電感中的感應電動勢一 直導通，直到下個周期 VT1、VT2導通時，VT3

6、 VT4因加反向電壓才截止。值得注意的是，只有當咗2時，負載電流id才連續(xù)，當2時，負載電流不連續(xù)，而且輸出電壓的平均值均接近零，因此這種電路控制角的移相范圍 是 2。2.2.3整流電路的參數(shù)計算1）整流輸出電壓的平均值可按下式計算Ud =（公式1）1 二:2、233 7d 7 U2CO=0-9U2COS =當a =0寸，Ud取得最大值，即Ud= 0.9 U2。從U2=100可以而得出Ud=90V，a =90時，5=0。a角的移相范圍為90（公式2）（公式3）（公式4）2）整流輸出電壓的有效值為 U 嚴（jUzSin飆2dt）-E=30V V ji 3）整流電流的平均值和有效值分別為UdU2

7、d 一二 0.9 一 cos -RdRdRdRd4）為保證電流連續(xù)所需電感量L可有下式求出：L = 2 2 U2 =2.87 103 =20H（公式 5）W|dmin2 Idmin5）在一個周期內每組晶閘管各導通180，兩組輪流導通，變壓器二次電流是正、 負對稱的方波，電流的平均值Id和有效值I相等，其波形系數(shù)為1。流過每個晶閘管的電流平均值和有效值分別為：1 dVT4ld2 二IdIVTId兀2 二Id1 I2（公式6）（公式7）6）晶閘管在導通時管壓降Ut =0,故其波形為與橫軸重合的直線段；VTi和VT2 加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒到時， VT3、VT4已導通，把整個電壓U2加到VT1或 V

8、T2上，則每個元件承受的最大可能的正向電壓等于 2U2 ;VT1和VT2反向截 止時漏電流為零，只要另一組晶閘管導通，也就把整 個電壓u2加到VT1或VT2 上，故兩個晶閘管承受的最大反向電壓也為 26。2.2晶閘管元件的選擇由于單相橋式全控整流帶電感性負載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。1）.晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UTn通常取UdRM和Urrm中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額 定電壓。在選用管子時，額定電壓應為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路 的工作安全。晶閘管的額定電壓 UTn mi nUDRMURRM*（公式8）UTn（

9、2 3） UtmUtm :工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓額定電流It（av）It（av）又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫 40和規(guī)定的冷卻條件下, 元件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170的電路中，結溫不超過額定結溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的 電流等級即為晶閘管的額定電流。要注意的是若晶閘管的導通時間遠小于正弦波的半個周期，即使正向電流值 沒超過額定值，但峰值電流將非常大，可能會超過管子所能提供的極限，使管子 由于過熱而損壞。在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導通角多大，只要其最大電流 有效值ITM 1 Tn,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶

10、閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范 圍。iTn :額定電流有效值，根據(jù)管子的It（AV）換算出，It（AV）、ItM iTn二者之間的關系：i 2 2TT2|iTn = J1/2二（Im sin，t）2U 2 sin td t = U2cos： =0.9U 2cos-d（，t） = m（公式 9）（公式10）兀i mIt（av）=1/2兀imsintd（t）= v 2波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，其有效值It與平均值iTd之比稱為該波形 的波形系數(shù)，用Kf表示。Kf 匕（公式11）1 Td額定狀態(tài)下，晶閘管的電流波形系數(shù)Kfi Tn= 1.111T（AV ）2imji（公式12）Ud =（公

11、式13）晶閘管承受最大電壓為Utm = 2U2 2 100V =141V考慮到2倍裕量，取 300V。晶閘管的選擇原則：I、所選晶閘管電流有效值iTn大于元件 在電路中可能流過的最大電流有效 值。n選擇時考慮（1.52）倍的安全余量。即1帀=0.707It（av）=（1.52）Itm（公式14）“2）軋因為lT二I / . 2 ,則晶閘管的額定電流為I T AV =10A（輸出電流的有效值為最 小值，所以該額定電流也為最小值）考慮到2倍裕量，取20A.即晶閘管的額定電 流至少應大于20A.在本次設計中我選用4個KP20-4的晶閘管.川、若散熱條件不符合規(guī)定要求時，則元件的額定電流應降低使用。

12、通態(tài)平均管壓降Ut（av）。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導通的正 弦波半個周期內陽極與陰極電壓的平均值，一般在 0.41.2V。 維持電流Ih o指在常溫門極開路時，晶閘管從較大的通態(tài)電流降到剛好能 保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般Ih值從幾十到幾百毫安，由晶閘管 電流容量大小而定。 門極觸發(fā)電流lg。在常溫下，陽極電壓為6V時，使晶閘管能完全導通所需 的門極電流，一般為毫安級。 斷態(tài)電壓臨界上升率dudt。在額定結溫和門極開路的情況下，不會導致晶閘 管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。 通態(tài)電流臨界上升率didt。在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流 上升

13、率。若晶閘管導通時電流上升太快， 則會在晶閘管剛開通時，有很大的電流 集中在門極附近的小區(qū)域內，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。3觸發(fā)電路的設計晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其 產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求： 觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。 觸發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。由閘管的門極伏安特性曲線可知，同一型號的晶閘管的門極伏安特性的分散 性很大，所以規(guī)定晶閘管元件的門極阻值在某高阻和低阻之間，才可能算是合格的產(chǎn)品。晶閘管器件出廠時，所標注的門極觸發(fā)電流Igt、門極觸發(fā)電壓U是指該型號的所有合格器件都能被觸發(fā)導通的最小門極電流、電壓值，所以在接近坐標原點

14、處以觸發(fā)脈沖應一定的寬度且脈沖前沿應盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的，也就是晶閘管的導通需要一定的時間。 只有當晶閘管的陽極電流 即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時，晶閘管才能導通，所以觸發(fā)信號應有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導通，對于電感性負載，脈沖的寬度要寬些，一般為0.5-1MS,相當于50HZ 18度電度角。為了可靠地、快速 地觸發(fā)大功率晶閘管，常常在 觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個觸發(fā)脈沖。 觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通 后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導通后才能撤掉， 晶閘管對觸發(fā)脈

15、沖 的幅值要求是：在門極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應大于產(chǎn)品提出的數(shù)據(jù)， 但 也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場合，觸發(fā)脈沖的前沿 越陡越有利于晶閘管的同時觸發(fā)導通。 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要 求。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負載時，要求觸發(fā)脈沖的移項范圍是0度-180度，帶大電感負載時，要求移項范圍是0度-90度；三相半波可控整流電 路電阻性負載時，要求移項范圍是 0度-90度。 觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個周期都以相同的控制角 -被觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖必須 與電源同步，兩者的頻率應該相同，而且要有固定的相位關系

16、，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時受控于電壓Uc與同步電壓Us控制這里我們選用“單結晶體管觸發(fā)電路”利用單結晶體管（又稱雙基極二極管）的負阻特性和RC勺充放電特性，可組成 頻率可調的自激振蕩電路，如圖所示。圖中V6為單結晶體管，其常用的型號有BT33和BT35兩種，由等效電阻V5和C1 組成組成R（充電回路，由C1-V6-脈沖變壓器組成電容放電回路，調節(jié) RP即可改 變C1充電回路中的等效電阻。圖3.1單結晶體管觸發(fā)電路原理圖工作原理簡述如下：由同步變壓器副邊輸出60V勺交流同步電壓，經(jīng)VD半波整流，再由穩(wěn)壓管VI、 V2進行削波，從而得到梯形波電壓，其過零點與電源電壓的過零點

17、同步， 梯形波 通過R7及等效可變電阻V5向電容C1充電，當充電電壓達到單結晶體管的峰值電壓 UP寸，單結晶體管V6導通，電容通過脈沖變壓器原邊放電，脈沖變壓器副邊輸出 脈沖。同時由于放電時間常數(shù)很小，C倆端的電壓很快下降到單結晶體管的谷點電 壓Uv,使V6關斷，C1再次充電，周而復始，在電容C1兩端呈現(xiàn)鋸齒波形，在脈沖 變壓器副邊輸出尖脈沖。在一個梯形波周期內，V6可能導通、關斷多次，但只有輸出的第一個觸發(fā)脈沖對晶閘管的觸發(fā)時刻起作用。充電時間常數(shù)由電容C1和等效電阻等決定，調節(jié)RP1改變C1的充電的時間，控制第一個尖脈沖的出現(xiàn)時刻，實現(xiàn)脈沖的移相控制4保護電路的設計電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時

18、可能會發(fā)生過流、過壓，造成開關器件的永久性損壞。過流、過壓保護包括器件保護和系統(tǒng)保護兩個方面。 檢測開關器件的電流、 電壓，保護主電路中的開關器件，防止過流、過壓損壞開關器件。檢測系統(tǒng)電源 輸入、輸出及負載的電流、電壓，實時保護系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。例 如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則 是采用電子保護電路，檢測設備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流 超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內工作于有源逆變工作狀 態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。過流保護：當電力電子變流裝置內部某些器件被擊穿或短路；驅動、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；

19、外部出現(xiàn)負載過載；直流側短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆 變失??；以及交流電源電壓過高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超過正 常工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必須對電力電子裝置進行適當?shù)倪^電流保護。 采用快速熔斷器作過電流保護，其接線圖。熔斷器是最簡單的過電流保護元件， 但最普通的熔斷器由于熔斷特性不合適，很可能在晶閘管燒壞后熔斷器還沒有熔 斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過電流可及時熔斷起到保護作 用。最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔， 因流過快熔電流和晶閘管的電流相 同，所以對元件的保護作用最好，這里就應用這一方法快熔抑制過電流電路過壓保護：設備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)

20、進入的操作過電壓和 雷擊過電壓的侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。 過電壓保護的第一種方法是并接 R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非 線性元件加以抑制。5仿真波形ITit I 1L 1-344IhAC Vokagc SourceVotafe FsaufenieillScopeRjise GeneratorDelaitd Tly istonRinGe-ciaor1Co nil nu cd4圖5.1仿真電路圖（有反電動勢）其中通道一為交流源波形（輸入電壓波形）；通道二為輸出電壓波形；通道三為輸出電流波形；通道四為VT1,VT4的觸發(fā)信號波形；通道五為VT2,VT3的觸發(fā)信號波