单相桥式整流电路_[供]

第1章 设计任务书 1.1 设计任务和要求 1.1.1、设计任务： 1、进行设计方案的比较，并选定设计方案； 2、完成单元电路的设计和主要元器件说明； 3、完成主电路的原理分析,各主要元器件的选择； 4、驱动电路的设计,保护电路的设计； 1.1.2、设计要求 单相桥式全控整流电路的设计要求为： ①负载为感性负载L=700mH,R=500欧姆. ②电网供电电压为单相220V； ③电网电压波动为+5%－-10%； ④输出电压为0～100V.。 第2章 系统原理方框图及主电路设计 2.1、方案的选择。 单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析各种单相相控整流电路在带电阻性负载、电感性负载和反电动势负载时的工作情况。 单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），，且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。   单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。   根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。 2.2、原理说明 当负载由电阻和电感组成时称为阻感性负载。例如各种电机的励磁绕组,整流输出端接有平波电抗器的负载等等。单相桥式整流电路带阻感性负载的电路如图2.1所示。由于电感储能,而且储能不能突变因此电感中的电流不能突变,即电感具有阻碍电流变化的作用。当流过电感中的电流变化时,在电感两端将产生感应电动势,引起电压降UL。 图2.1 2.3系统原理方框图 系统原理方框图如2.2所示： 图2.2系统原理方框图 整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。 根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路接电阻性负载。 2．4主电路设计 2．4．1主电路原理图及其工作波形 图2.3主电路原理图 图2.4 主电路工作波形图 电路如图2.3和图2.4所示。为便于讨论，假设电路已工作于稳态。 (1) 工作原理 在电源电压 正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在 时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在， 过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。 在电源电压 负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在 时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在 时，电压 过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。 值得注意的是，只有当 时，负载电流 才连续，当 时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是 。 2．4．2整流电路参数计算 1）整流输出电压的平均值可按下式计算 = = = （2.1） 当α=0时， 取得最大值100V即 = 0.9 =100V从而得出 =111V，α=90o时， =0。α角的移相范围为90o。 2）整流输出电压的有效值为 = =111V （2.2） 3）整流电流的平均值和有效值分别为 （2.3） （2.4） 4)在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值 和有效值 相等，其波形系数为1。 流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为： （2.5） （2.6） 5)晶闸管在导通时管压降 =0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压 加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于 ;VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整 个电压 加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为 。 2．4．3元器件选取 由于单相桥式全控整流带电感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。 1).晶闸管的主要参数如下： ①额定电压UTn 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，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。 晶闸管的额定电压 UTn ≥（2～3）UTM （2.7） UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 ②额定电流IT(AV) IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。 要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。 在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值ITM ≤ ITn ,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。 ITn ：额定电流有效值，根据管子的IT(AV) 换算出， IT(AV) 、ITM ITn 三者之间的关系： （2.8） （2.9） 波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值 与平均值 之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。 （2.10） 额定状态下， 晶闸管的电流波形系数 （2.11） = = = （2.12） 当α=0时， 取得最大值100V即 = 0.9 =100V从而得出 =111V，α=90o时， =0。α角的移相范围为90o。 晶闸管承受最大电压为 考虑到2倍裕量，取400V. 晶闸管的选择原则： Ⅰ、所选晶闸管电流有效值ITn 大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。 Ⅱ、 选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。即ITn ＝0.707IT(AV) ＝（1.5～2）ITM （2.13） 因为 ,则晶闸管的额定电流为 =10A(输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至少应大于20A. 在本次设计中我选用4个KP20-4的晶闸管. Ⅲ、 若散热条件不符合规定要求时，则元件的额定电流应降低使用。 ③ 通态平均管压降 UT(AV) 。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.4～1.2V。 ④ 维持电流IH 。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般IH值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。 ⑤ 门极触发电流Ig 。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。 ⑥ 断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。 ⑦ 通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。 2)、变压器的选取 根据参数计算可知:变压器应选变比为2,容量至少为24.2V·A。 2．4．4性能指标分析： 整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的用整流输出电压的平均值表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的，称为纹波系数。 1)整流输出电压平均值 = = = （2.14） 2)纹波系数 纹波系数 用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即 第3章​ 驱动电路的设计 对于使用晶闸管的电路，在晶闸管阳极加正向电压后，还必须在门极与阴极之间加触发电压，使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。驱动电路亦称触发电路。根据控制要求决定晶闸管的导通时刻，对变流装置的输出功率进行控制。触发电路是变流装置中的一个重要组成部分，变流装置是否能正常工作，与触发电路有直接关系，因此，正确合理地选择设计触发电路及其各项技术指标是保证晶闸管变流装置安全，可靠，经济运行的前提。 3.1 对触发电路的要求 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。 图3.1 强触发电流波形 3.2 晶闸管触发电路类型 3.2.13.2.1单结晶体管触发电路 1）特点：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，脉冲前沿陡等优点，在小容量的晶闸管装置中得到了广泛应用。 利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。 2)组成：由自激振荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成如图3.2 a）所示： 图3.2单结晶体管触发电路及波形 3)工作原理： 经 整流后的直流电源 ，一路经 、 加在单结晶体管两个基极 、 之间；另一路通过 对电容C充电、通过单结晶体管放电。控制BT的导通、截止； 在电容上形成锯齿波振荡电压，在 上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲 ， 如图3.2.1(b)所示，其振荡频率为： (3.1) 上式中 是单结晶体管的分压比，即调节 ，可调节振荡频率。 4)同步电源 同步电压由变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步 电压与主电压同相位、同频率。 同步电压经桥式整流、稳压管 削波为梯形波 ，而削波后的最大值 既是同步信号，又是触发电路电源。 当 过零时，电容C经e- 、 迅速放电到零电压。这就是说，每半周 开始，电容C都从零开始充电。进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过 零的时刻（即控制角α）一致，实现了同步。 5)移相控制 当 增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压 的时间增大，第一个脉 冲出现的时刻推迟，即控制角α增大，实现了移相。 锯齿波形成电路由 、 、 和 等元件组成，其中 、 、 和 为一恒流源电路。 截止时，恒流源电流 对电容 充电， 所以 两端电压 为： 图3.3同步信号为锯齿波的触发电路 当 导通时，由于 阻值很小，所以 迅速放电，使 电位迅速降压。当 周期性地导通和关断时， 便形成一锯齿波，同样 也是一个锯齿波电压，射极跟随器 的作用是减小控制回路的电流对锯齿波电压的影响。调节电位器 ，即改变 的恒定充电电流 ，可调节锯齿波斜率。 同步移相环节初始位， 基极电位由锯齿波电压 、控制电压 、直流偏移电压 三者共同决定。 如果 =0， 为负值时， 点的波形由 + 确定。 当 为正值时， 点的波形由 + + 确定。 电压等于0.7V后， 导通， 经过M点时使电路输出脉冲。之后一直被钳位在0.7V。M点是 由截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿。 因此当 为某固定值时，改变 便可改变M点的时间坐标，即改变了脉冲产生的时刻，脉冲被移相。可见，加 的目的是为了确定控制电压 =0时脉冲的初始相位。 3.2.2 KC04集成移相触发器 KC04集成移相触发器 可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成，脉冲输出等几部分电路。 图3.4 同步电路由晶体管 等元件组成。正弦波同步电压 经限流电阻加到 、 基极。 在 正半周， 截止， 导通， 导通， 得不到足够的基极电压而截止。 在 的负半周， 截止， 、 导通， 导通， 同样得不到足够的基极电压而截止。 在上述 的正、负半周内，当| |<0.7V时， 、 、 均截止， 、 也截止，于是 从电源+15V经 、 获得足够的基极电流而饱和导通，形成上图所示的与正弦波同步电压 同步的脉冲 。 图3.5KC04组成的移相式触发电路及各点电压波形图 （1）​ 主电路 主电路为图3.2.2同步触发电路，且移相范围要求180°.因为锯齿波底宽为 240°，考虑到两端的非线性，故取30°～210°作为 0°～180°的移相区间。以A相晶闸管Tl为例时，触发电路产生的触发脉冲应对准相电压自然换流点，即对准相电压为30°时刻。这说明，锯齿波的起点正好是相电压的上升过零点，即控制锯齿波电路的同步电压应与晶闸管阳极电压相位上相差180°。 3.3触发电路工作原理 为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管频率始终是一致的。 触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。只有根据各晶闸管供电电压的相位正确决定各触发电路同步电压uTS的相位，才能保证各晶闸管有相同的控制角α，相同的输出电压波形。正确选择同步电压相位，叫做晶闸管电路的同步或定相，它是变流装置设计、安装、调整、维护中的重要问题。锯齿波同步触发电路的同步电压uTS 和晶闸管的供电电压之间的相位关系分析如下：晶闸管的供电电压如图3.4.1所示，据单相电路要求移相范围00～1800，即要求触发电路在正半波范围内发出脉冲。因此，正半波范围内应存在锯齿波的上升段，锯齿波的宽度为2400，见图3.4.2所示。 图3.6晶闸管的供电电压 图3.7晶闸管的同步电压 由上分析可见，为保证触发电路与主电路的同步，其晶闸管的供电电压和触发电路的同步电压uTS相位差1800。 第4章 保护电路的设计 相对于电机和继电器，接触器等控制器而言，电力电子器件承受过电流和过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。但又不能完全根据装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，必须充分发挥器件应有的过载能力。因此，保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的重要环节。 4.1 主电路的过电压保护 所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压，其电路图见图4.1.1 图4.1 产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍单相桥式全控整流主电路的电压保护方法。 4.1.1交流侧过电压保护 过电压产生过程：电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁芯中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时电压。 保护方法：阻容保护 4.1.2直流侧过电压保护 过电压产生过程：当某一桥臂的晶闸管在导通状态突然因果载使快速熔断器熔断时，由于直流住电路电感中储存能量的释放，会在电路的输出端产生过电压。 保护方法：阻容保护 图4.2主电路的过电压保护 4．2晶闸管的保护电路 4．2．1晶闸管过电压保护过电流保护 第一种是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。 第二种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。 我们这次的课程设计采用的是第二种保护电路。 （1） 晶闸管变流装置的过电流保护 晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流，过电流分过载和短路两种情况，由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热器的传导途径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别在瞬时短路电流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，晶闸管承受过载或短路电流的能力主要受结温的限制。可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器，直流快速熔断器和过电流继电器等。在此我们采用快速熔断器来进行过电流保护。 图4.3过电流保护 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 值应小于被保护器件的允许 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10A,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15A。 （2）晶闸管变流装置的过电压保护 电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，过电压保护有避雷器保护，利用非线性过电压保护元件保护，利用储能元件保护，利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护。在此我们采用储能元件保护即阻容保护。 图4.4晶闸管的过电压保护 单相阻容保护的计算公式如下： （4.1） （4.2） S:变压器每相平均计算容量（VA） U ：变压器副边相电压有效值 （V） i %:变压器激磁电流百分值 U %：变压器的短路电压百分值。 当变压器的容量 在（10----1000）KVA里面取值时i %=（4----10）在里面取值，U %=（5----10）里面取值。 电容C的单位为μF，电阻的单位为欧姆 电容C的交流耐压≥1.5U U ：正常工作时阻容两端交流电压有效值。 根据公式算得电容值为4.8μF,交流耐压为165V，电阻值为12.86Ω， 在设计中我们取电容为5μF，电阻值为13Ω。 4.2.2电流上升率di/dt的抑制 晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密很大，然后以0.1mm/μs的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图: 图4.5串联电感抑制回路 4.2.3电压上升率du/dt的抑制 加在晶闸管上的正向电压上升率du/dt也应有所限制,如果du/dt过大 由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。 为抑制du/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如下图： 图4.6 并联R-C阻容吸收回路 第5章 系统原理电路图及调试 5.1 系统原理电路图 图5.1系统原理电路图 5．2系统的调试 5.2.1触发电路的调试 （1）将DJK01电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧使输出线电压为200V,用两根导线将200V交流电压接到DJK03-1的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DJK03-1的电源开关，用双踪示波器观察“Tca785锯齿波移相触发电路”各观察孔的波形。 （2）锯齿波移相触发电路的调试：锯齿波斜率由电位器RP1调节，RP2电位器调节晶闸管的触发角，将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，RP2电位器顺时针转到底，α= 。 5.2.2单相桥式全控整流电路的调试 按原理图接线，主电路接电阻R和电感L，将电阻器调到最大阻值位置，按下“启动”按钮，用示波器观察负载电压 和晶闸管两端电压 的波形，调节锯齿波移相触发电路上的移相控制电位器RP2，观察并在不同α角时 和 的波形，测量相应电源电压 和负载电压 的数值。 第6章​ 心得体会 这次的课程设计是我收获最大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但还是被我逐步解决了。每次做课程设计我都感觉比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的，尽管如此，我还是迎难而上了，首先把设计任务搞清，不能盲目地去做，你连任务都不清楚从何做起呢，接下来就是找相关资料，我每天除了上图书馆就是在网上找资料，然后对资料进行整理，找资料说起来好像很简单，但真正做起来是需要耐心的，不是你所找的就一定是有用的，所以这个过程中要花费一些时间做看似无用功的事，其实不尽然，这其中也拓展了你的知识面。 通过这次课程设计我对于文档的编排有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了一部分，当然没有全部。总之，这次的课程设计带给我的收获是没有预料到的，我也从中体会到了学习的快乐，当你每次解决了一个问题后，那种愉悦的心情是无法比拟的，你会觉得此刻世界上就你最幸福。 当然每次的课程设计都离不开老师平时的耐心教导，没有他们灌输给我们的知识，我们根本就无从动手，是老师的教导和我们自己的努力才能一次次地顺利完成课程设计。 谢词 在这次课程设计过程中，和我一组的各位宿舍里兄弟，大家一起齐心协力，共同完成了这次设计。当然，还应该感谢班上那些给予我建议和帮助的同学，没有你们良好的建议和无私的帮助，我们也不可能这么顺利的就完成这次课程设计。 当然，在此次课程设计中，除了大家的帮助外，还有就是一位虚拟的人物“网络”，它给我提供了大量的资料。在我所设计的电路当中，有用到的芯片，它的一些详细资料不知道，大部分都是在网络上下载了解的，因此我应该感谢它。 通过此次课程设计，使我了解了和学到了许多书本所没有的东西，扩充了自己的知识，开发了自己的思考能力，提高了自己在制作实物过程中的动手能力。感谢老师给我们提供了这次宝贵的实习机会，希望老师以后能够多给我们提供一些这样的实习机会。 总之，在这次课程设计当中，我要感谢各位老师和同学的指导和帮助。谢谢你们！ 附件 元器件 元器件清单 元器件 备注 数量 整流变压器 变比为2，容量至少为2.464kv·A 1个 晶闸管 KP20-4 4个 电阻 其中主电路负载电阻最大为500Ω， 若干个 电感 主电路负载700mH 1个 电位器 SW-SPDT 2个 二极管 14个 同步变压器 1个 芯片 TCA785 1块 熔断器 熔断电流为15A 4个 电容 若干个 脉冲变压器 2个 参考文献 [1]、王兆安、黄俊主编、电力电子技术、机械工业出版社 [2]、曲永印主编、电力电子变流技术、冶金工业出版社 [3]、曾方主编、电力电子技术、西安电子科技大学出版社 [4]、苏玉刚、陈渝光主编、电力电子技术、重庆大学出版社 [5]、杨威、张金栋主编、电力电子技术、重庆大学出版社 [6]、林辉、王辉主编、电力电子技术、武汉理工大学出版社