單相橋式可控整流電路設計

1、電力電子技術課程設計報告單相橋式可控整流電路設計姓 名 學 號年 級 專 業(yè) 系院 指導教師 2012年 1月 1日單相橋式可控整流電路設計引言1、什么是整流電路整流電路是電力電子中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄绷饔秒娫O備。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。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交流成分。變壓器設置與否是具體情況而定。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

2、隔離?？梢詮母鞣N角度對整流電路進行分類，主要的分類方法有：按組成的期間可分為不可控，半控，全控三種；按電路的結構可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入詳述分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側的方向是單向還是雙向，又可分為單拍電路和雙拍電路。2、整流電路的開展與應用電力電子器件的開展對電力電子的開展起著決定性的作用。1947年美國貝爾實驗室創(chuàng)造了晶體管，引發(fā)了電子技術的一場革命；70年代后期，以門極可關斷晶閘管GTO.電力雙極型晶體管BJT和電力場效應晶體管power-MOSFET為代表的全控型器件開展迅速，把電力電子技術推上一個全新的階段；80年代后期，以絕緣極雙極型晶體管IGBT為代表的復合

3、型器件異軍突起，成為了現(xiàn)代電力電子技術的主導器件。另外，采用全控型器件的電路的主要控制方式為PWM脈寬調制式，后來，又把驅動，控制，保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路PIC，隨著全控型電力電子器件的開展，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。同時，電力電子器件的開關損耗也隨之增大，為了減小開關損耗，軟開關技術應運而生，零電壓開關ZVS和零電流開關ZCS把電力電子技術和整流電路的開展推向了新的高潮。3、本設計的研究意義盡管隨著IGBT在整流電路的應用，本設計中用到的晶閘管已不常見，但是電力電子技術的概念和根底就是由于晶閘管及晶閘管變流技術的開展而確立的，所以研究晶閘管有利于夯實根底以及加

4、強對電力電子技術這本書整體的理解，我選定單相橋式可控整流電路作為本次課程設計的主題。設計任務1、任務本次設計的任務是為直流小功率電機電源設計一個單項橋式全控整流電路。確定設計總體方案，通過總體設計方案來設計各個單元電路，如觸發(fā)電路.保護電路等；根據(jù)要求計算參數(shù)，包括觸發(fā)角的選擇，輸出平均電壓，輸出平均電流，輸出有功功率計算；器件額定參數(shù)確定等。2、要求單項橋式全控整流電路的設計要求為：為直流小功率電機提供電源電網(wǎng)供電電壓為單項220V；變壓器二次側電壓為110V；輸出電壓連續(xù)可調，為0100V；帶阻感性負載三、設計方案選擇及論證方案一：單相橋式半控整流電路方案二：單相橋式全控整流電路單相橋式可

5、控整流電路可分為單相橋式全控整流電路和單相橋式半控整流電路，下面分析兩種橋式整流電路在帶電感性負載的工作情況。單相半控整流電路的優(yōu)點是：線路簡單.調整方便。弱點是：輸出電壓脈沖大，負載電壓脈沖大，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，變壓器利用高的優(yōu)點。根據(jù)以上比擬分析因此選擇的方案為方案二：單相全控整流電路四、總體電路設計流電路組成。根據(jù)設計任務，在此設計中采用單相橋式全控整流電路接阻感性負載。保護電路單相電源輸入驅動電路單相橋式全控整流電路負載電路五、各功

6、能模塊電路設計1、晶閘管的觸發(fā)電路管觸發(fā)電路(1)由V1、V2構成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM和附屬電路構成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩局部組成。(2)當V1、V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。(3)VD1和R3是為了V1、V2由導通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設的。 (4)為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強脈沖局部，還需適當附加其它電路環(huán)節(jié)。 晶閘管觸發(fā)電路應滿足以下要求：(1)觸發(fā)脈沖的寬度應該保證晶閘管的可靠導通，對感性和反電動勢負載的變流器采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)，對變流器的啟動，雙星型帶平衡電抗器電路的觸發(fā)脈沖應該寬于30，三相全控橋式電路應小于60或采用相隔

7、60的雙窄脈沖。(2)脈沖觸發(fā)應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增大為器件最大觸發(fā)電流的35倍，脈沖前沿的陡度也要增加。一般需達1-2A/us(3)的觸發(fā)脈沖不應超過晶閘管門極的電壓、電流和額定功率，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內。(4)好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及主電路的電氣隔離。鋸齒波的觸發(fā)電路 電路輸出可為雙窄脈沖適用于有兩個晶閘管同時導通的電路，也可為單窄脈沖。三個根本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。此外，還有強觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。脈沖形成環(huán)節(jié)：由晶體管V4、V5組成，V7、V8起脈沖放大作用?？刂齐妷簎co加在V4基極上。電路的觸發(fā)脈沖

8、由脈沖變壓器TP二次側輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。脈沖前沿由V4導通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù)R11C3有關。鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)： 鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等，本電路采用恒流源電路。恒流源電路方案由V1、V2、V3和C2等元件組成，其中V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路同步環(huán)節(jié)：觸發(fā)電路與主電路的同步是指要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關系確定。 鋸齒波是由開關V2管來控制的，V2開關的頻率就是鋸齒波的頻率由同步變壓器所接的交流電壓決定。V2由導通變截止期間產生鋸齒波鋸齒波起點根本就是同步電壓由正變負的過零點。V2截

9、止狀態(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度取決于充電時間常數(shù)R1C1。雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)：內雙脈沖電路：每個觸發(fā)單元的一個周期內輸出兩個間隔60的脈沖的電路。V5、V6構成一個“或門，當V5、V6都導通時，V7、V8都截止，沒有脈沖輸出。只要V5、V6有一個截止，都會使V7、V8導通，有脈沖輸出。 第一個脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對應的控制角a產生。隔60的第二個脈沖是由滯后60相位的后一相觸發(fā)單元產生通過V6。在三相橋式全控整流電路中，器件的導通次序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此間隔60，相鄰器件成雙接通，所以某個器件導通的同時，觸發(fā)單元需要給前一個導通的器件補送一個脈沖。 最終

10、輸出的脈沖波形為： 鋸齒波同步觸發(fā)脈沖不受電網(wǎng)電壓波動與波形畸變的直接影響，抗干擾能力強，而且移相范圍寬。1.3 KJ004集成觸發(fā)電路16151314111291076543218集成觸發(fā)器具有可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便等特點。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。 所以我選擇KJ004作為觸發(fā)電路，原因兩點：1可防止鋸齒波觸發(fā)電路的繁瑣電路結構，防止了大量的選型和組裝時間。2 KJ004可直接購置。2、保護電路的設計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇適宜、驅動電路設計采用適宜的過電壓、過電流、du/dt保護和di/dt 保護也是必要的。 過電壓

11、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應過電壓兩類。外應過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓，快速直流開關的切斷等經常性操作中的電磁過程引起的過壓。雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括換相過電壓：由于晶閘管或者全控器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷能力，因而有較大的反向電流流過，使殘存的載流子恢復，當其恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極之間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產生過電壓。關斷過電壓：全控型器件在

12、較高的頻率下工作，當器件關斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。過壓保護要根據(jù)電路中過壓產生的不同部位，參加不同的保護電路，當?shù)竭_定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上，保護了電力電子器件。為了到達保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉局部過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產生振蕩，過電壓保護電路如圖5所示。晶閘管承受過電流的能力很低，假設過電流數(shù)值較大且時間較

13、長，那么晶閘管會因熱容量小而產生熱擊穿損壞。為了使晶閘管不受損壞，必須設置過流保護，使晶交流側自動開關或直流側接觸器跳閘。其動作時間約為100200ms，因此只能保護因機械過負載而引起的過電流，或在短路電流不大時，對晶閘管起保護作用。直流快速開關對于大容量高功率經常容易短路的場合，可采用動作時間只有2ms的直流快速開關。它的斷弧時間僅有2530ms，裝在直流側可有效的用于直流側的過載保護與短路保護。它經特殊的設計，可以先于快速熔斷器熔斷而保護晶閘管。但此開關昂貴復雜，使用不多。快速熔斷器閘管在被損壞之前就迅速切斷電流，并斷開橋臂中的故障元件，以保護其他元件。晶閘管過流保護措施有以下幾種。交流短

14、路器交流短路器的作用是當過電流超過其整定值時動作，切斷變壓器一次側交流電路，使變壓器退出運行。短路器動作時間較長，約為100200ms。晶閘管不能在這樣長的時間里承受過電流，故它只能作為變流裝置的后備保護。進線電抗器進線電抗器串接在變流裝置的交流進線側，以限制過電流。其缺點是有負載時會產生較大的壓降，增加了線路損耗。 過電流繼電器過電流繼電器可安裝在直流側或交流側，在發(fā)生過電流時動作，使熔斷器是最簡單有效的且應用普遍的過流保護器件。針對晶閘管的特點，專門設計了快速熔斷器，簡稱快熔。其熔斷時間小于20ms，能很快的熔斷，到達保護晶閘管的目的。快熔的選擇：快熔的額定電壓URN不小于線路正常工作電壓

15、的均方根值；快熔的額定電流IRN應按它所保護的原件實際流過的電流的均方根值來選擇，而不是根據(jù)元件型號上標出的額定電流IT來選擇，一般小于被保護晶閘管的額定有效值1.57IT?？烊劢臃ㄈ鐖D： 其中交流側接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側短路起保護作用，但要求正常工作時，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對元件的短路故障所起的保護作用較差。直流側接快速熔斷器只對負載短路起保護作用，對元件無保護作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對元件的保護作用最好，因為它們流過同個電流因而被廣泛使用。電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的局部區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實

16、現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。3、電流上升率、電壓上升率的抑制保護3.1電流上升率di/dt的抑制晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極外表較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以/s的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，假設晶閘管開通時電流上升率di/dt過大，會導致PN結擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在適宜的范圍內。其有效方法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如以下圖:圖3.9 串聯(lián)電感抑制回路電壓上升率dv/dt的抑制加在晶閘管上的正向電壓上升率dv/dt也應有所限制,如果dv/dt過大，由于晶閘管結電容的存在而產生較大的位移電流，該電流可以實際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷

17、能力下降，嚴重時引起晶閘管誤導通。為抑制dv/dt的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。如圖：圖3.10 并聯(lián)R-C阻容吸收回4整流電路參數(shù)計算 純電阻負載時：由圖知晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為 和 整流電壓平均值為：=0時，Ud=Ud02。=180時，Ud=0?？梢?，角的移相范圍為180。向負載輸出的直流電流平均值為： 流過晶閘管的電流平均值 ： 流過晶閘管的電流有效值為： 變壓器二次側電流有效值I2與輸出直流電流有效值I相等，為有上兩式得：不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量為S=U2I2。4.2阻感負載時整流電壓平均值為：當a=0時，Ud02。a=90時，Ud=0

18、。晶閘管移相范圍為90。晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。 晶閘管導通角q與a無關，均為180，其電流平均值和有效值分別為： 和 變壓器二次側電流i2的波形為正負各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。 因為設計此整流電路要為直流電動機供電，所以要帶2阻感負載的公式。整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次側電流有效值I2分別為Ud0.9 U2 cosa110cos0100V晶閘管承受的最大正反向電壓為：U= U2=110*1.414=155.6(V) cosa=110*0.9=100(V)Idvt=1/2Id=1/2*20=10(A)流過每個晶閘管的電流的有效值為：IvtId

19、 A故晶閘管的額定電壓為：UN2400V按2-3倍裕量晶閘管的額定電流為：IN18A按2倍裕量經查資料可知：選擇KP20-4 四個變壓器的選擇：4.4熔斷器的選擇 IRN=20A經查資料知：可選用RT14-20型號的。其額定電壓500V，額定電流20A。過壓保護計算主電路C6i%STM/U Ra/STM 經計算得：Ra=25器件列表元器件備注數(shù)量整流變壓器A1個晶閘管KP20-44個電阻假設干個電感主電路負載700mH1個電位器SW-SPDT2個二極管14個同步變壓器1個芯片JK0041塊熔斷器熔斷電流為20A，RT14-204個電容假設干個脈沖變壓器3個六、總體電路系統(tǒng)的電路圖由主電路、觸發(fā)

20、電路、保護電路組成，其電路原理圖如下所示：此處添加整流變壓器一個七、總結本次課程設計共花費兩周時間,由圖書館內搬運至宿舍也不是省力之過程,畢竟長途跋涉.第5.6兩天瀏覽了借閱的書籍,對于設計的大體方向稍有了解,但收獲不大,所借書籍對于電力電子技術設計應用方面的介紹大都是淺嘗而止,所介紹內容根本趨于理論,與課本上的大都套路相同.第7天開始正式在電腦上設計,但是感覺毫無方向,一時不知從何下手,甚為惱怒,有放棄之感.冷靜下來,總該有始有終,毫無方向就拜人為師吧,正所謂聞道有先后,術業(yè)有專攻.決定從網(wǎng)上搜索本專業(yè)學長們的成果,通讀了他們設計的根本步驟,心里逐漸有了大概.但是不得不成認,網(wǎng)上課程設計的質量實在是良莠不齊.想起自己在做電機學實驗的時候,最先應用的就是直流電機實驗,于是準備以解決實驗室中小功率直流電機電源為目標的設計.開