單相全控橋感性負(fù)載畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.doc

目 錄摘要21 前言22主電路設(shè)計(jì)32.1系統(tǒng)流程框圖32.2主電路的設(shè)計(jì)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(jì)算52.3 晶閘管元件的選擇63 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)84 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)115 仿真波形11心得體會(huì)18參考文獻(xiàn)18摘 要整流電路技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用極廣。如調(diào)壓調(diào)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(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路按組成的器件不同，可分為不可控、半控與全控三種，利用晶閘管半導(dǎo)體器件構(gòu)成的主要有半控和全控整流電路；按電路接線(xiàn)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?yàn)檎麟娐酚兄绱藦V泛的應(yīng)用，因此整流電路的研究無(wú)論在是從經(jīng)濟(jì)角度，還是從科學(xué)研究角度上來(lái)講都是很有價(jià)值的。 1前言在電力電子技術(shù)中，可控整流電路是非常重要的內(nèi)容，整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐罚鋺?yīng)用非常廣泛。工業(yè)中大量應(yīng)用的各種直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機(jī)車(chē)、磁懸浮列車(chē)等）、電動(dòng)汽車(chē)、飛機(jī)、船舶、電梯等交通運(yùn)輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術(shù)；各種電子裝置如通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源、大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源都可以利用整流電路構(gòu)成的直流電源供電，可以說(shuō)有電源的地方就有電力電子技術(shù)的設(shè)備。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)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(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)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(lèi)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(fù)載)的設(shè)計(jì)2 主電路的設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)流程框圖根據(jù)方案選擇與設(shè)計(jì)任務(wù)要求，畫(huà)出系統(tǒng)電路的流程框圖如圖5所示。整流電路主要由驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和整流主電路組成。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，在此設(shè)計(jì)中采用單相橋式全控整流電路帶阻感性負(fù)載。輸入過(guò)電流保護(hù)整流主電路過(guò)電壓保護(hù)驅(qū)動(dòng)觸發(fā)電路輸出圖2.12.2主電路的設(shè)計(jì)2.2.1 整流電路及波形圖圖2.2單相橋式全控整流電路圖（阻感負(fù)載）圖 2.3單相橋式全控整流電路圖（阻感負(fù)載，帶反電動(dòng)勢(shì)）2owtowtowtudidi2owtowtuvt1,4owtowtidididididivt2,3ivt1,4u圖2.4單相橋式全控整流電路圖（阻感負(fù)載）時(shí)的波形2.2.2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(shí)觸發(fā)，vt1、vt2導(dǎo)通，電流經(jīng)vt1、負(fù)載、vt2和t二次側(cè)形成回路，但由于大電感的存在，過(guò)零變負(fù)時(shí)，電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使vt1、vt2繼續(xù)導(dǎo)通，直到vt3、vt4被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，vt1、vt2承受反相電壓而截止。輸出電壓的波形出現(xiàn)了負(fù)值部分。在電源電壓負(fù)半周期間，晶閘管vt3、vt4承受正向電壓，在時(shí)觸發(fā)，vt3、vt4導(dǎo)通，vt1、vt2受反相電壓截止，負(fù)載電流從vt1、vt2中換流至vt3、vt4中在時(shí)，電壓過(guò)零，vt3、vt4因電感中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一直導(dǎo)通，直到下個(gè)周期vt1、vt2導(dǎo)通時(shí)，vt3、vt4因加反向電壓才截止。值得注意的是，只有當(dāng)時(shí)，負(fù)載電流才連續(xù)，當(dāng)時(shí)，負(fù)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。2.2.3 整流電路的參數(shù)計(jì)算1）整流輸出電壓的平均值可按下式計(jì)算 = （公式1）當(dāng)=0時(shí)，取得最大值,即= 0.9 。從=100可以而得出=90v，=90o時(shí)，=0。角的移相范圍為90o。2）整流輸出電壓的有效值為=30v （公式2）3）整流電流的平均值和有效值分別為 （公式3） （公式4）4)為保證電流連續(xù)所需電感量l可有下式求出： （公式5）5)在一個(gè)周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通180，兩組輪流導(dǎo)通，變壓器二次電流是正、負(fù)對(duì)稱(chēng)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(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值分別為： （公式6） （公式7）6)晶閘管在導(dǎo)通時(shí)管壓降=0,故其波形為與橫軸重合的直線(xiàn)段；vt1和vt2加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒(méi)到時(shí)，vt3、vt4已導(dǎo)通，把整個(gè)電壓加到vt1或vt2上，則每個(gè)元件承受的最大可能的正向電壓等于;vt1和vt2反向截止時(shí)漏電流為零，只要另一組晶閘管導(dǎo)通，也就把整 個(gè)電壓加到vt1或vt2上，故兩個(gè)晶閘管承受的最大反向電壓也為。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(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)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 （23）utm （公式8）utm ：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓 額定電流it(av) it(av) 又稱(chēng)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(fù)載流過(guò)正弦半波、導(dǎo)通角不小于170的電路中，結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級(jí)即為晶閘管的額定電流。要注意的是若晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正弦波的半個(gè)周期，即使正向電流值沒(méi)超過(guò)額定值，但峰值電流將非常大，可能會(huì)超過(guò)管子所能提供的極限，使管子由于過(guò)熱而損壞。在實(shí)際使用時(shí)不論流過(guò)管子的電流波形如何、導(dǎo)通角多大，只要其最大電流有效值itm itn ,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) 、itm itn 三者之間的關(guān)系： （公式9） （公式10）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(chēng)為該波形的波形系數(shù)，用kf表示。 （公式11）額定狀態(tài)下， 晶閘管的電流波形系數(shù) （公式12）= （公式13）晶閘管承受最大電壓為考慮到2倍裕量，取300v。晶閘管的選擇原則：、所選晶閘管電流有效值itn 大于元件 在電路中可能流過(guò)的最大電流有效值。、 選擇時(shí)考慮（1.52）倍的安全余量。即itn 0.707it(av) （1.52）itm （公式14）因?yàn)?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少應(yīng)大于20a.在本次設(shè)計(jì)中我選用4個(gè)kp20-4的晶閘管.、 若散熱條件不符合規(guī)定要求時(shí)，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(dǎo)通的正弦波半個(gè)周期內(nèi)陽(yáng)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(mén)極開(kāi)路時(shí)，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(mén)極觸發(fā)電流ig 。在常溫下，陽(yáng)極電壓為6v時(shí)，使晶閘管能完全導(dǎo)通所需的門(mén)極電流，一般為毫安級(jí)。 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不會(huì)導(dǎo)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(dǎo)通時(shí)電流上升太快，則會(huì)在晶閘管剛開(kāi)通時(shí)，有很大的電流集中在門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而損壞晶閘管。3 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過(guò)零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對(duì)其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求： 觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。 觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。由閘管的門(mén)極伏安特性曲線(xiàn)可知，同一型號(hào)的晶閘管的門(mén)極伏安特性的分散性很大，所以規(guī)定晶閘管元件的門(mén)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(shí)，所標(biāo)注的門(mén)極觸發(fā)電流igt、門(mén)極觸發(fā)電壓u是指該型號(hào)的所有合格器件都能被觸發(fā)導(dǎo)通的最小門(mén)極電流、電壓值，所以在接近坐標(biāo)原點(diǎn)處以觸發(fā)脈沖應(yīng)一定的寬度且脈沖前沿應(yīng)盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個(gè)過(guò)程的，也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時(shí)間。只有當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，所以觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導(dǎo)通，對(duì)于電感性負(fù)載，脈沖的寬度要寬些，一般為0.5-1ms，相當(dāng)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(gè)觸發(fā)脈沖。 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(dǎo)通后，陽(yáng)極電流能迅速上升超過(guò)掣住電流而維持導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導(dǎo)通后才能撤掉，晶閘管對(duì)觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門(mén)極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應(yīng)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(chǎng)合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通。 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿(mǎn)足電路要求。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)，要求觸發(fā)脈沖的移項(xiàng)范圍是0度-180度，帶大電感負(fù)載時(shí)，要求移項(xiàng)范圍是0度-90度；三相半波可控整流電路電阻性負(fù)載時(shí)，要求移項(xiàng)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(gè)周期都以相同的控制角被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應(yīng)該相同，而且要有固定的相位關(guān)系，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(shí)受控于電壓uc與同步電壓us控制。這里我們選用“ 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路”利用單結(jié)晶體管(又稱(chēng)雙基極二極管)的負(fù)阻特性和rc的充放電特性，可組成頻率可調(diào)的自激振蕩電路，如圖所示。圖中v6為單結(jié)晶體管，其常用的型號(hào)有bt33和bt35兩種，由等效電阻v5和c1組成組成rc充電回路，由c1-v6-脈沖變壓器組成電容放電回路，調(diào)節(jié)rp1即可改變c1充電回路中的等效電阻。圖3.1 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路原理圖工作原理簡(jiǎn)述如下：由同步變壓器副邊輸出60v的交流同步電壓，經(jīng)vd1半波整流，再由穩(wěn)壓管v1、v2進(jìn)行削波，從而得到梯形波電壓，其過(guò)零點(diǎn)與電源電壓的過(guò)零點(diǎn)同步，梯形波通過(guò)r7及等效可變電阻v5向電容c1充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到單結(jié)晶體管的峰值電壓up時(shí)，單結(jié)晶體管v6導(dǎo)通，電容通過(guò)脈沖變壓器原邊放電，脈沖變壓器副邊輸出脈沖。同時(shí)由于放電時(shí)間常數(shù)很小，c1兩端的電壓很快下降到單結(jié)晶體管的谷點(diǎn)電壓uv，使v6關(guān)斷，c1再次充電，周而復(fù)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(gè)梯形波周期內(nèi)，v6可能導(dǎo)通、關(guān)斷多次，但只有輸出的第一個(gè)觸發(fā)脈沖對(duì)晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻起作用。充電時(shí)間常數(shù)由電容c1和等效電阻等決定，調(diào)節(jié)rp1改變c1的充電的時(shí)間，控制第一個(gè)尖脈沖的出現(xiàn)時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)脈沖的移相控制4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)發(fā)生過(guò)流、過(guò)壓，造成開(kāi)關(guān)器件的永久性損壞。過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)方面。檢測(cè)開(kāi)關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開(kāi)關(guān)器件，防止過(guò)流、過(guò)壓損壞開(kāi)關(guān)器件。檢測(cè)系統(tǒng)電源輸入、輸出及負(fù)載的電流、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)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(hù)電路，檢測(cè)設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過(guò)允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過(guò)電壓或過(guò)電流的數(shù)值。過(guò)流保護(hù)：當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動(dòng)、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負(fù)載過(guò)載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生逆變失??；以及交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低；均能引起裝置或其他元件的電流超過(guò)正常工作電流，即出現(xiàn)過(guò)電流。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)電流保護(hù)。采用快速熔斷器作過(guò)電流保護(hù)，其接線(xiàn)圖。熔斷器是最簡(jiǎn)單的過(guò)電流保護(hù)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(méi)有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過(guò)電流可及時(shí)熔斷起到保護(hù)作用。最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過(guò)快熔電流和晶閘管的電流相同，所以對(duì)元件的保護(hù)作用最好，這里就應(yīng)用這一方法快熔抑制過(guò)電流電路過(guò)壓保護(hù)：設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過(guò)電壓和雷擊過(guò)電壓的侵襲。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過(guò)電壓出現(xiàn)。過(guò)電壓保護(hù)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(xiàn)性元件加以抑制。5 仿真波形圖5.1仿真電路圖（有反電動(dòng)勢(shì)）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(hào)波形；通道五為vt2,vt3的觸發(fā)信號(hào)波形