電力電子課程設(shè)計全控整流電路

1、 目錄第1章 單相橋式整流電路方案的選擇··············································

2、3;········1 第2章 系統(tǒng)主體電路的設(shè)計·······································&

3、#183;····························32.1系統(tǒng)總設(shè)計框圖···················&#

4、183;·················································&#

5、183;·······32.2系統(tǒng)主體電路原理及說明········································

6、;························32.3 原理圖的分析························

7、··················································

8、·····52.4整流電路參數(shù)計算···········································

9、······························62.5元器件的選取··················&#

10、183;·················································&#

11、183;··········72.6性能指標分析·····································

12、3;·········································7第3章 輔助電路的設(shè)計······

13、3;·················································

14、3;················103.1驅(qū)動電路的設(shè)計·······························

15、3;············································10對觸發(fā)電路的要求····

16、··················································

17、·············10 晶閘管觸發(fā)電路類型···································

18、····························103.2保護電路的設(shè)計····················

19、··················································

20、······12 主電路的過電壓保護設(shè)計·········································

21、3;··············12晶閘管的保護電路··································

22、································143.3 電流上升率、電壓上升率的抑制保護··············&#

23、183;······························17電流上升率di/dt的抑制·················

24、;········································17電壓上升率du/dt的抑制·······&#

25、183;················································17第4章 電路

26、仿真·················································

27、3;·································18 4.1 SIMULINK仿真軟件介紹·············&

28、#183;·················································&

29、#183;·184.2 仿真波形··············································

30、83;······································18課程設(shè)計總結(jié)··········&

31、#183;·················································&

32、#183;·························20參考文獻·······················&

33、#183;·················································&

34、#183;···················21附錄 元器件明細清單····························&

35、#183;············································22第1 章 單相橋式整流電路方案的選擇我們知道，單相整流器的

36、電路形式是各種各樣的，整流的結(jié)構(gòu)也是比較多的。因此在做設(shè)計之前我們主要考慮了以下幾種方案：方案一：單相橋式半控整流電路電路簡圖如下：圖1.1對每個導電回路進行控制，相對于全控橋而言少了一個控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗！如果不加續(xù)流二極管，當突然增大至180°或出發(fā)脈沖丟失時，由于電感儲能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負載電阻上，會發(fā)生一個晶閘管導通而兩個二極管輪流導通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期為ud為零，其平均值保持穩(wěn)定，相當于單相半波不可控整流電路時的波形，即為失控。所以必須加續(xù)流二極管，以免發(fā)生失控現(xiàn)象。方案二：單相橋式全控整流電路

37、電路簡圖如下：圖1.2此電路對每個導電回路進行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會失控現(xiàn)象，負載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中，正負兩個半周電流方向相反且波形對稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率也高。方案三：單相半波可控整流電路：電路簡圖如下：圖1.3此電路只需要一個可控器件，電路比較簡單，VT的a 移相范圍為180°。但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。為使變壓器鐵心不飽和，需增大鐵心截面積，增大了設(shè)備的容量。實際上很少應(yīng)用此種電路。方案四：單相全波可控整流電路：電路簡圖如下：圖1.4此電路

38、變壓器是帶中心抽頭的，結(jié)構(gòu)比較復雜，只要用2個可控器件，單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，因此少了一個管壓降，相應(yīng)地，門極驅(qū)動電路也少2個，但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。不存在直流磁化的問題，適用于輸出低壓的場合作電流脈沖大（電阻性負載時），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點。綜上可知單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單相橋式相控流電路，它們所連接的負載性質(zhì)不同就會有不同的特點。下面分析各種單相相控整流電

39、路在帶電阻性負載、電感性負載和反電動勢負載時的工作情況。 單相半控整流電路的優(yōu)點是：線路簡單、調(diào)整方便。弱點是：輸出電壓脈動沖大，負載電流脈沖大（電阻性負載時），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點。   單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在相同的負載下流過晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。   根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負載為阻感性負載）。 第二章 系統(tǒng)主

40、體電路的設(shè)計2.1系統(tǒng)總設(shè)計框圖系統(tǒng)原理方框圖如2.1所示： 圖2.1系統(tǒng)原理方框圖根據(jù)設(shè)計任務(wù)，在此設(shè)計中采用單相橋式全控整流電路接阻感性負載。2.2系統(tǒng)主體電路原理及說明主電路原理圖及其工作波形如下所示： 圖2.2主電路原理圖圖2.3主電路工作波形圖電路如圖2.2和圖2.3所示。為便于討論，假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)。(1) 工作原理 在電源電壓正半周期間，VT1、VT2承受正向電壓，若在時觸發(fā)，VT1、VT2導通，電流經(jīng)VT1、負載、VT2和T二次側(cè)形成回路，但由于大電感的存在，過零變負時，電感上的感應(yīng)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

41、截止。輸出電壓的波形出現(xiàn)了負值部分。在電源電壓負半周期間，晶閘管VT3、VT4承受正向電壓，在時觸發(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中在時，電壓過零，VT3、VT4因電感中的感應(yīng)電動勢一直導通，直到下個周期VT1、VT2導通時，VT3、VT4因加反向電壓才截止。值得注意的是，只有當時，負載電流才連續(xù)，當時，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2.3 原理圖的分析圖2.4該電路主要由四部分構(gòu)成，分別為電源，過電保護電路，整流電路和觸發(fā)電路構(gòu)成。輸入的信號經(jīng)變壓器變壓后通過過電保護電路，保證電

42、路出現(xiàn)過載或短路故障時，不至于傷害到晶閘管和負載。在電路中還加了防雷擊的保護電路。然后將經(jīng)變壓和保護后的信號輸入整流電路中。整流電路中的晶閘管在觸發(fā)信號的作用下動作，以發(fā)揮整流電路的整流作用。在電路中,過電保護部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護,而過壓保護則采用RC電路。這部分的選擇主要考慮到電路的簡單性，所以才這樣的保護電路部分。整流部分電路則是根據(jù)題目的要求，選擇的我們學過的單相橋式整流電路。該電路的結(jié)構(gòu)和工作原理是利用晶閘管的開關(guān)特性實現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ?。觸發(fā)電路是由設(shè)計題目而定的，題目要求了用單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路。單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路的移相范圍變化較大，而且由于是直接觸發(fā)電

43、路它的結(jié)構(gòu)比較簡單。一方面是方便我們對設(shè)計電路中變壓器型號的選擇。2.4整流電路參數(shù)計算1）整流輸出電壓的平均值可按下式計算= （2-1）當=0時，取得最大值100V即= 0.9 =100V從而得出=111V，=90o時，=0。角的移相范圍為90o。2）整流輸出電壓的有效值為= =111V （2-2）3）整流電流的平均值和有效值分別為 （2-3）（2-4）4)在一個周期內(nèi)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，電流的平均值和有效值相等，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： （2-5） （2-6）5)晶閘管在導通時管壓降=0,故其

44、波形為與橫軸重合的直線段；VT1和VT2加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒到時，VT3、VT4已導通，把整個電壓加到VT1或VT2上，則每個元件承受的最大可能的正向電壓等于;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 個電壓加到VT1或VT2上，故兩個晶閘管承受的最大反向電壓也為。2.5元器件的選取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(yīng)為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路

45、的工作安全。晶閘管的額定電壓 UTn（23）UTM （2-7）UTM ：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(jié)溫不超過額定結(jié)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，

46、只要其最大電流有效值ITMITn ,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(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) 、ITMITn 三者之間的關(guān)系： （2-8）（2-9）波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，其有效值與平均值之比稱為該波形的波形系數(shù)，用Kf表示。 （2-10）額定狀態(tài)下， 晶閘管的電流波形系數(shù)（2-11）=（2-12）當=0時，取得最大值100V即= 0.9 =100V從而得出=111V，=90o時，=0。角的移相范圍為90o。晶閘管承受最大電壓為考慮到2倍裕量，取400V.晶閘管的選擇原則：所選晶閘管電流有效值ITn大于元件 在電

47、路中可能流過的最大電流有效值。、 選擇時考慮（1.52）倍的安全余量。即ITn 0.707IT(AV) （1.52）ITM（2-13） 因為,則晶閘管的額定電流為=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應(yīng)大于20A.在本次設(shè)計中我選用4個KP20-4的晶閘管.、 若散熱條件不符合規(guī)定要求時，則元件的額定電流應(yīng)降低使用。 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(nèi)陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.41.2V。 維持電流IH。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)

48、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Ig。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du/dt。在額定結(jié)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(zhuǎn)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di/dt。在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。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(nèi)，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。2)變壓器的選取根據(jù)參數(shù)計算可知:變壓器應(yīng)選變比為2,容量至少為24.2V·A。2.6

49、性能指標分析整流電路的性能常用兩個技術(shù)指標來衡量：一個是反映轉(zhuǎn)換關(guān)系的用整流輸出電壓的平均值表示；另一個是反映輸出直流電壓平滑程度的，稱為紋波系數(shù)。1)整流輸出電壓平均值= （2-14）2)紋波系數(shù)紋波系數(shù)用來表示直流輸出電壓中相對紋波電壓的大小，即 （2-15）第三章 輔助電路的設(shè)計3.1 驅(qū)動電路的設(shè)計對于使用晶閘管的電路，在晶閘管陽極加正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加觸發(fā)電壓，使晶閘管在需要導通的時刻可靠導通。驅(qū)動電路亦稱觸發(fā)電路。根據(jù)控制要求決定晶閘管的導通時刻，對變流裝置的輸出功率進行控制。觸發(fā)電路是變流裝置中的一個重要組成部分，變流裝置是否能正常工作，與觸發(fā)電路有直接關(guān)系，因此

50、，正確合理地選擇設(shè)計觸發(fā)電路及其各項技術(shù)指標是保證晶閘管變流裝置安全，可靠，經(jīng)濟運行的前提。對觸發(fā)電路的要求晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求:1）觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。2）觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。3）觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。4）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。圖3.1 強觸發(fā)電流波形晶閘管觸發(fā)電路類型1.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1）特點：由單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸發(fā)電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強、溫度補償性能

51、好，脈沖前沿陡等優(yōu)點，在小容量的晶閘管裝置中得到了廣泛應(yīng)用。利用單結(jié)晶體管的負阻特性與RC電路的充放電可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可變的脈沖。2)組成：由自激振蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成如圖3.2（a）所示：圖3.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形3)工作原理：經(jīng)整流后的直流電源，一路經(jīng)、加在單結(jié)晶體管兩個基極、之間；另一路通過對電容C充電、通過單結(jié)晶體管放電?？刂艬T的導通、截止；在電容上形成鋸齒波振蕩電壓，在上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖脈沖，如圖3.2(b)所示，其振蕩頻率為： (3-1)上式中是單結(jié)晶體管的分壓比，即調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)振蕩頻率。4)同步電源同步電壓由變壓器TB獲得，而同步變

52、壓器與主電路接至同一電源，故同步電壓與主電壓同相位、同頻率。同步電壓經(jīng)橋式整流、穩(wěn)壓管削波為梯形波，而削波后的最大值既是同步信號，又是觸發(fā)電路電源。當過零時，電容C經(jīng)e-、迅速放電到零電壓。這就是說，每半周開始，電容C都從零開始充電。進而保證每周期觸發(fā)電路送出第一個脈沖距離過零的時刻（即控制角）一致，實現(xiàn)了同步。5)移相控制當增大時，單結(jié)晶體管發(fā)射極充電到峰點電壓的時間增大，第一個脈沖出現(xiàn)的時刻推遲，即控制角增大，實現(xiàn)了移相。鋸齒波形成電路由、和等元件組成，其中、和為一恒流源電路。截止時，恒流源電流對電容充電，所以兩端電壓為：3.2保護電路的設(shè)計相對于電機和繼電器，接觸器等控制器而言，電力電子

53、器件承受過電流和過電壓的能力較差，短時間的過電流和過電壓就會把器件損壞。但又不能完全根據(jù)裝置運行時可能出現(xiàn)的暫時過電流和過電壓的數(shù)值來確定器件參數(shù)，必須充分發(fā)揮器件應(yīng)有的過載能力。因此，保護就成為提高電力電子裝置運行可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)。 主電路的過電壓保護設(shè)計所謂過壓保護，即指流過晶閘管兩端的電壓值超過晶閘管在正常工作時所能承受的最大峰值電壓Um都稱為過電壓，其電路圖見圖3.3圖3.3產(chǎn)生過電壓的原因一般由靜電感應(yīng)、雷擊或突然切斷電感回路電流時電磁感應(yīng)所引起。其中，對雷擊產(chǎn)生的過電壓，需在變壓器的初級側(cè)接上避雷器，以保護變壓器本身的安全；而對突然切斷電感回路電流時電磁感應(yīng)所引起的過電壓，

54、一般發(fā)生在交流側(cè)、直流側(cè)和器件上，因而，下面介紹單相橋式全控整流主電路的電壓保護方法。1.交流側(cè)過電壓保護過電壓產(chǎn)生過程：電源變壓器初級側(cè)突然拉閘，使變壓器的勵磁電流突然切斷，鐵芯中的磁通在短時間內(nèi)變化很大，因而在變壓器的次級感應(yīng)出很高的瞬時電壓。保護方法：阻容保護2.直流側(cè)過電壓保護過電壓產(chǎn)生過程：當某一橋臂的晶閘管在導通狀態(tài)突然因果載使快速熔斷器熔斷時，由于直流住電路電感中儲存能量的釋放，會在電路的輸出端產(chǎn)生過電壓。保護方法：阻容保護圖3.4主電路的過電壓保護晶閘管的保護電路1.晶閘管過電壓保護過電流保護第一種是采用電子保護電路，檢測設(shè)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

55、時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(nèi)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。第二種是在適當?shù)牡胤桨惭b保護器件，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。我們這次的課程設(shè)計采用的是第二種保護電路。（1）晶閘管變流裝置的過電流保護晶閘管變流裝置運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流，過電流分過載和短路兩種情況，由于晶閘管的熱容量較小，以及從管心到散熱器的傳導途徑中要遭受到一系列熱阻，所以一旦過電流，結(jié)溫上升很快，特別在瞬時短路電流通過時，內(nèi)部熱量來不及傳導，結(jié)溫上升更快，晶閘管承受過載或短路電流的能力主要受結(jié)溫的限制?？捎米鬟^電流保護電路的主要有快速熔斷

56、器，直流快速熔斷器和過電流繼電器等。在此我們采用快速熔斷器措施來進行過電流保護。圖3.5過電流保護采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護措施。在選擇快熔時應(yīng)考慮：1）電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。2）電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊垡话闩c電力半導體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。3）快熔的值應(yīng)小于被保護器件的允許值、4）為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性。因為晶閘管的額定電流為10A,快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為15A。（2）晶閘管變流裝置的過電壓保護電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，過電壓保護有避雷器保護，利用非線性過電壓保護元件保護，利用儲能元件保護，利用引入電壓檢測的電子保護電路作過電壓保護。在此我們采用儲能元件保護即阻容保護。圖3.6晶閘管的過電壓保護單相阻容保護的計算公式如下： （3-2） （3-3）S:變壓器每相平均計算容量（VA）U：變壓器副邊相電壓有效值（V）i%:變壓器激磁電流百分值U%：變壓器的短路電壓百分值。當變壓器的容