說明單相交流無觸點動力開關(guān)電路

1、 引 言 現(xiàn)如今，開關(guān)在電氣運行控制等方面起著重要作用。一般分為機械開關(guān)和電子開關(guān)。對此，由于機械開關(guān)在斷開負(fù)載電路時往往有電弧產(chǎn)生，觸頭易燒損，動作時間長，具有噪音，壽命短和功耗大等問題，而又由電力電子器件組成的的開關(guān)具有無出頭，開關(guān)速度快，使用壽命長，功耗小等優(yōu)點使電子開關(guān)逐步替代機械開關(guān)。 電子開關(guān)主要指運用電力電子器件實現(xiàn)電路同短的運行單元，至少包括一個可控的電子閥器件。其中電子開關(guān)又分為直流電子開關(guān)、交流電子開關(guān)、微電子開關(guān)等。在電機運行控制過程中，交流電子開關(guān)用的最為普遍，組成交流開關(guān)的電力電子器件可以是單雙向晶閘管及自關(guān)斷器件。所以本次設(shè)計的交流無觸點開由單雙向晶閘管或一些全控型

2、新型電力電子器件構(gòu)成。目 錄引言. 1一、方案選擇 . .31.1固態(tài)開關(guān).31.2可關(guān)斷晶閘管.4二、電路圖設(shè)計以及原理圖分析 .52.1主電路設(shè)計.5 2.2控制電路設(shè)計 .6 2.3控制電路原理分析.6三、元器件的計算選擇 .8 3.1整流晶閘管(可控硅)阻容吸收元件的選擇.83.2雙向晶閘管的選擇 93.3整流二極管的選擇 .103.4三極管V2的選擇.103.5熔斷器的選擇.123.6降壓電阻R5的選擇 143.7晶閘管VT1選用 .143.8.R4的選用.14四、元器件規(guī)格及明細表.15五、設(shè)計總結(jié).16參考文獻 17一、 方案選擇本次設(shè)計是門極可關(guān)斷晶閘管組成的開關(guān)電路與雙向晶閘

3、管組成的固態(tài)開關(guān)作比較。1.1固態(tài)開關(guān)（1）.固態(tài)繼電器與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質(zhì)上相同的功能。SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點開關(guān)元件，他利用電子元器件的電，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應(yīng)管，單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。（2）.固態(tài)繼電器的組成 固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。安輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正負(fù)邏

4、輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應(yīng)管。（3）. 固態(tài)繼電器的優(yōu)點 A、高壽命，高可靠:SSR沒有機械零部件，有固體器件完成觸點功能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高。 B、靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好:固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩

5、沖器或驅(qū)動器。 C、快速轉(zhuǎn)換:固態(tài)繼電器因為采用固體器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。 D、電磁干擾小:固態(tài)繼電器沒有輸入"線圈"，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。1.2可關(guān)斷晶閘管（GTO)（1）.可關(guān)斷晶閘管是晶閘管的派生器件之一，屬于全控型器件。它在兆級以上的大功率場合應(yīng)用較多。如廣泛用于電力機車的逆變器、大功率直流斬波調(diào)速裝置。（2）.根據(jù)可關(guān)斷晶閘管的參數(shù)可知，欲使GTO關(guān)斷，必須從門極抽出相當(dāng)于陽極電流25%到30%的值（3） G

6、TO關(guān)斷期間的不均勻性引起的"擠流效應(yīng)"使其在關(guān)斷期間dv/dt必須限制在5001kV/s。為此，人們不得不使用體積大、昂貴的吸收電路。另外它的門極驅(qū)動電路較復(fù)雜和要求較大的驅(qū)動功率。（4）使用GTO時需要使用較大的門極電流才能使GTO導(dǎo)通，同時GTO的擎住電流比普通晶閘管要大得多，這就要求在電感性負(fù)載時GTO的門極正向觸發(fā)驅(qū)動電路送出的脈沖寬度應(yīng)足夠?qū)?。本次設(shè)計要求是控制單相異步電動機的，同時要求電動機能頻繁起停。故根據(jù)設(shè)計要求，由雙向晶閘管組成的固態(tài)開關(guān)在適用場合，操作性能，經(jīng)濟預(yù)算等方面都比門極可關(guān)斷晶閘管實用性好。由此，本次設(shè)計的交流無觸點動力開關(guān)電路是從固態(tài)開關(guān)開

7、始著手。二、電路圖設(shè)計以及原理圖分析電路圖設(shè)計概況簡圖如下：單相電源電動機M控制電路軟開關(guān)2.1主電路設(shè)計 為保護電動機在過流過壓等突發(fā)事件中能不被燒壞，故在電動機主系統(tǒng)中加入各種保護。短路保護:在主回路中串入熔斷器。過電流保護：串入熱繼電器。主電路圖設(shè)計如下：2.2控制電路設(shè)計雙向晶閘管保護:采用并接阻容過電壓保護。電氣隔離：高耐壓光電耦合器?？刂齐娐穲D設(shè)計如下：2.3控制電路原理分析1、2為輸入端，相當(dāng)于繼電器或接觸器的線圈；3、4為輸出端，相當(dāng)于繼電器或接觸器的一對觸電，與負(fù)載串聯(lián)后接到交流電源上。輸入端接上控制電壓，使VL中的發(fā)光二極管VD2發(fā)光，光電晶體管V1阻值減少，是原來導(dǎo)通的晶

8、體管V2截止，原來阻斷的晶閘管VT1通過R4被觸發(fā)導(dǎo)通。輸出端交流電源通過負(fù)載，VD3、VT1、VD6以及R5構(gòu)成通路，在電阻R5上產(chǎn)生電壓降作為雙向晶閘管VT2的觸發(fā)信號，使VT2導(dǎo)通，負(fù)載得電。當(dāng)輸入端輸入信號時，其主電路是導(dǎo)通的，無信號時是阻斷狀態(tài)。 其中R6與C是保護雙向晶閘管的；VD3、VD4、VD5、VD6是橋式整流電路。為什么要在晶閘管兩端并聯(lián)阻容網(wǎng)絡(luò)？在實際晶閘管電路中，常在其兩端并聯(lián)RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)常稱為RC阻容吸收電路。 我們知道，晶閘管有一個重要特性參數(shù)斷態(tài)電壓臨界上升率dlv/dlt。它表明晶閘管在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率。若

9、電壓上升率過大，超過了晶閘管的電壓上升率的值，則會在無門極信號的情況下開通。即使此時加于晶閘管的正向電壓低于其陽極峰值電壓，也可能發(fā)生這種情況。因為晶閘管可以看作是由三個PN結(jié)組成。 在晶閘管處于阻斷狀態(tài)下，因各層相距很近，其J2結(jié)結(jié)面相當(dāng)于一個電容C0。當(dāng)晶閘管陽極電壓變化時，便會有充電電流流過電容C0，并通過J3結(jié)，這個電流起了門極觸發(fā)電流作用。如果晶閘管在關(guān)斷時，陽極電壓上升速度太快，則C0的充電電流越大，就有可能造成門極在沒有觸發(fā)信號的情況下，晶閘管誤導(dǎo)通現(xiàn)象，即常說的硬開通，這是不允許的。因此，對加到晶閘管上的陽極電壓上升率應(yīng)有一定的限制。 為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全

10、運行，常在晶閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。因為電路總是存在電感的(變壓器漏感或負(fù)載電感)，所以與電容C串聯(lián)電阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過電壓損壞晶閘管。同時，避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。 由于晶閘管過流過壓能力很差，如果不采取可靠的保護措施是不能正常工作的。RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)就是常用的保護方法之一。三、元器件的計算選擇3.1整流晶閘管(可控硅)阻容吸收元件的選擇 （1） 電容的選擇 C=(2.5-5)×10的負(fù)8次方×If If=0.367Id

11、Id-直流電流值C=（2.55）*If*10-8=5501100微法電容耐壓值U=（23）*220=440660V故電容應(yīng)選CYY-500-560 （2）電阻的選擇：R的選?。盒」β蔬x金屬膜或RX21線繞或水泥電阻；大功率選RX21線繞或水泥電阻。R=(2-4) ×535)If=2.4千歐4.8千歐電阻功率P=2*u2 /R=20W故電阻選擇RT-25-3.9看保護對象來區(qū)分：接觸器線圈的阻尼吸收和小于10A電流的可控硅的阻尼吸收列入小功率范疇；接觸器觸點和大于10A以上的可控硅的阻尼吸收列入大功率范疇。3.2雙向晶閘管的選擇由于雙向晶閘管兩端接在220V上，且電動機額定電流為6A，

12、故雙向晶閘管的額定電壓U=（23）* U瞬間最大電壓=（23）*220*21/2622933V雙向晶閘管的額定電流I（1.52）*668A故雙向晶閘管選擇KS10-83.3整流二極管的選擇在整流電路中，要選用整流二極管。選用前要先了解整流電路的輸入電壓、輸出電流。整流電路的形式及各項參數(shù)值等。然后根據(jù)電路的具體要求選用合適的整流二極管。在串聯(lián)型電源電路中可選用一般的整流二極管。只要有足夠大的整流電流和反向工作電壓就可以選用。在低壓整流電路中，所選用的整流二極管的正向電壓應(yīng)盡量小。在選用彩色電視機行掃描電路中整流二極管時，除了考慮最高反向電壓、最大整流電流、最大功耗等參數(shù)外，還要重點考慮二極管的

13、開關(guān)時間，不能用普通整流二極管。一般可選用FR200、FR206以及FR300307系列整流管，它們的開關(guān)時間小于0.85uS。在電視機的穩(wěn)壓電源中，一般為開關(guān)型穩(wěn)壓電源，應(yīng)選用反向恢復(fù)時間短的快速恢復(fù)整流二極管?？蛇x用PFR150157系列，其反向恢復(fù)時間為0.85uS。在收音機、收錄機的電源部分用于整流的二極管，可選用硅塑封的普通整流二極管，比如2CE系列，1N4000系列，1N5200系列。1N4001型（2CZ85B）整流二極管的額定正向整流電流為1A。4、常用的1N4000系列二極管耐壓比較如下： 型號 1N4001 1N4002 1N4003 1N4004 1N4005 1N400

14、6 1N4007 耐壓（V） 50 100 200 400 600 800 1000 電流（A） 均為1故整流二極管應(yīng)選擇1N40033.4三極管V2的選擇一般小功率三極管的選用 小功率三極管在電子電路中的應(yīng)用最多。主要用作小信號的放大、控制或振蕩器。選用三極管時首先要搞清楚電子電路的工作(工作總結(jié))頻率大概是多少。如中波收音機振蕩器的最高頻率是2MHz左右；而調(diào)頻收音機的最高振蕩頻率為120MHz左右；電視機中VHF頻段的最高振蕩頻率為250MHz左右； UHF頻段的最高振蕩頻率接近1000MHz左右。工程設(shè)計中一般要求三極管的fT大于3倍的實際工作(工作總結(jié))頻率。所以可按照此要求來選擇三

15、極管的特征頻率 fT。由于硅材料高頻三極管的fT一般不低于50MHz，所以在音頻電子電路中使用這類管子可不考慮fT這個參數(shù)。 小功率三極管BVCEO的選擇可以根據(jù)電路的電源電壓來決定，一般情況下只要三極管的BVCEO大于電路中電源的最高電壓即可。當(dāng)三極管的負(fù)載是感性負(fù)載時，如變壓器、線圈等時BVCEO數(shù)值的選擇要慎重，感性負(fù)載上的感應(yīng)電壓可能達到電源電壓的28倍(如節(jié)能燈中的升壓三極管)。一般小功率三極管的BVCEO都不低于15V，所以在無電感元件的低電壓電路中也不用考慮這個參數(shù)。 一般小功率三極管的ICM在3050mA之間，對于小信號電路一般可以不予考慮。但對于驅(qū)動繼電器及推動大功率音箱的管

16、子要認(rèn)真計算一下。當(dāng)然首先要了解繼電器的吸合電流是多少毫安，以此來確定三極管的ICM。 當(dāng)我們估算了電路中三極管的工作(工作總結(jié))電流(即集電極電流)，又知道了三極管集電極到發(fā)射極之間的電壓后，就可根據(jù)P=U×I來計算三極管的集電極最大允許耗散功率PCM。 國產(chǎn)及國外生產(chǎn)的小功率三極管的型號極多，它們的參數(shù)有一部分是相同的，有一部分是不同的。只要你根據(jù)以上分析的使用條件，本著“大能代小”的原則(即 BVCEO高的三極管可以代替BVCEO低的三極管；ICM大的三極管可以代替ICM小的三極管等），就可對三極管應(yīng)用自如了。 三極管的型號常用的PNP型三極管有：A92、9015等型號；NPN

17、型三極管有：A42、9014、9018、 9013、9012等型號。故V2型號90143.5熔斷器的選擇熔斷器額定電流選擇原則由于各種電氣設(shè)備都具有一定的過載能力，允許在一定條件下較長時間運行；而當(dāng)負(fù)載超過允許值時，就要求保護熔體在一定時間內(nèi)熔斷。還有一些設(shè)備起動電流很大，但起動時間很短，所以要求這些設(shè)備的保護特性要適應(yīng)設(shè)備運行的需要，要求熔斷器在電機起動時不熔斷，在短路電流作用下和超過允許過負(fù)荷電流時，能可靠熔斷，起到保護作用。熔體額定電流選擇偏大，負(fù)載在短路或長期過負(fù)荷時不能及時熔斷；選擇過小，可能在正常負(fù)載電流作用下就會熔斷，影響正常運行，為保證設(shè)備正常運行，必須根據(jù)負(fù)載性質(zhì)合理地選擇熔

18、體額定電流。 (1)照明電路熔體額定電流被保護電路上所有照明電器工作電流之和。 (2) 電動機： 單臺直接起動電動機熔體額定電流(1.52.5)×電動機額定電流。 多臺直接起動電動機總保護熔體額定電流(1.52.5)×各臺電動機電流之和。 降壓起動電動機熔體額定電流(1.52)×電動機額定電流。 繞線式電動機熔體額定電流(1.21.5)×電動機額定電流。 (3)配電變壓器低壓側(cè)熔體額定電流(1.01.5)×變壓器低壓側(cè)額定電流。 (4)并聯(lián)電容器組熔體額定電流(1.431.55)×電容器組額定電流。 (5)電焊機熔體額定電流 (1.5

19、2.5)×負(fù)荷電流。 (6)電子整流元件熔體額定電流1.57×整流元件額定電流。熔斷器的選擇 主要依據(jù)負(fù)載的保護特性和短路電流的大小選擇熔斷器的類型。對于容量小的電動機和照明支線，常采用熔斷器作為過載及短路保護，因而希望熔體的熔化系數(shù)適當(dāng)小些。通常選用鉛錫合金熔體的RQA系列熔斷器。對于較大容量的電動機和照明干線，則應(yīng)著重考慮短路保護和分?jǐn)嗄芰?。通常選用具有較高分?jǐn)嗄芰Φ腞M10和RL1系列的熔斷器；當(dāng)短路電流很大時，宜采用具有限流作用的RT0和RTl2系列的熔斷器 假定電動機功率1.2KW,對于單臺頻繁啟停的電動機來說：電動機的額定電流=P/U/cosa=6A熔斷器溶體的

20、額定電流I=（33.5）X電動機的額定電流I÷=（1821）A故熔斷器選擇RL96-253.6降壓電阻R5的選擇R5的選擇要根據(jù)VT2觸發(fā)信號電壓電流選擇R=200/20mA=10千歐3.7晶閘管VT1選用經(jīng)過橋式整流后,流入控制電路的電壓平均值U=2*0.45*220=200VVT1的額定電壓U=(23)*21/2*200=570850VVT1的額定電流要根據(jù)VT2的觸發(fā)信號電流VT1的額定電流I=(1.52)*0.1/1.57=95127mA故晶閘管VT1選用3CT033.8 R4的選用R4=（1-0.8）/0.001A=200歐四、元器件規(guī)格及明細表器件名稱型號數(shù)量備注電容CCYY-500-5601電阻R6RT-25-3.91VT2KS10-81R5110千歐整流二極管1N40034晶閘管VT13