單相全控橋感性負載畢業(yè)設計論文

1、目 錄摘要21 前言22主電路設計32.1系統(tǒng)流程框圖32.2主電路的設計32.2.1 整流電路及波形圖32.2.2 工作原理42.2.3 整流電路的參數計算52.3 晶閘管元件的選擇63 觸發(fā)電路的設計84 保護電路的設計115 仿真波形11心得體會18參考文獻18摘 要整流電路技術在工業(yè)生產上應用極廣。如調壓調速直流電源、電解及電鍍的直流電源等。整流電路就是把交流電能轉換為直流電能的電路。大多數整流電路由變壓器、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。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，利用晶閘管半導體器件構成的主

2、要有半控和全控整流電路；按電路接線方式可分為橋式和零式整流電路；按交流輸入相數又可分為單相、多相（主要是三相）整流電路。正是因為整流電路有著如此廣泛的應用，因此整流電路的研究無論在是從經濟角度，還是從科學研究角度上來講都是很有價值的。 1前言在電力電子技術中，可控整流電路是非常重要的內容，整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?，其應用非常廣泛。工業(yè)中大量應用的各種直流電動機的調速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機車、磁懸浮列車等）、電動汽車、飛機、船舶、電梯等交通運輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術；各種電子裝置如通信設備中的程控交換機所用的直流電源、大型計算機所需的工作電源、微型計算機內部的

3、電源都可以利用整流電路構成的直流電源供電，可以說有電源的地方就有電力電子技術的設備。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。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的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定。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與整流電路之間的電隔離（可減小電網與電路間的電干擾和故障影響）。整流電路的種類有很多，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(阻感負載)的設計2 主電路的設計2.1系

4、統(tǒng)流程框圖根據方案選擇與設計任務要求，畫出系統(tǒng)電路的流程框圖如圖5所示。整流電路主要由驅動電路、保護電路和整流主電路組成。根據設計任務，在此設計中采用單相橋式全控整流電路帶阻感性負載。輸入過電流保護整流主電路過電壓保護驅動觸發(fā)電路輸出圖2.12.2主電路的設計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（阻感負載）圖 2.3單相橋式全控整流電路圖（阻感負載，帶反電動勢）2owtowtowtudidi2owtowtuvt1,4owtowtidididididivt2,3ivt1,4u圖2.4單相橋式全控整流電路圖（阻感負載）時的波形2.2.2工作原理在電源電壓正半周期間，vt1、v

5、t2承受正向電壓，若在時觸發(fā)，vt1、vt2導通，電流經vt1、負載、vt2和t二次側形成回路，但由于大電感的存在，過零變負時，電感上的感應電動勢使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)，

6、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。2.2.3 整流電路的參數計算1）整流輸出電壓的平均值可按下式計算 = （公式1）當=0時，取得最大值,即= 0.9 。從=100可以而得出=90v，=90o時，=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)在一個周期內每組晶閘管各導通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，其波形系數為1。流過每個晶閘管的電流平均值和有效值分

7、別為： （公式6） （公式7）6)晶閘管在導通時管壓降=0,故其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。2.2 晶閘管元件的選擇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及其選取原則。1).晶閘管的主要參數如下：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

8、定電壓。在選用管子時，額定電壓應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，結溫不超過額定結溫時，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。

9、在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導通角多大，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，根據管子的it(av) 換算出，it(av) 、itm itn 三者之間的關系： （公式9） （公式10）波形系數：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，用kf表示。 （公式11）額定狀態(tài)下， 晶閘管的電流波形系數 （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 在電路中可能流過的最大電流有效值。、 選擇時考慮

10、（1.52）倍的安全余量。即itn 0.707it(av) （1.52）itm （公式14）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少應大于20a.在本次設計中我選用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)所需要的最小通態(tài)電流。一般ih值從幾十到

11、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，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。3 觸發(fā)電路的設計晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產生的觸發(fā)脈沖要求： 觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖

12、電壓。 觸發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。由閘管的門極伏安特性曲線可知，同一型號的晶閘管的門極伏安特性的分散性很大，所以規(guī)定晶閘管元件的門極阻值在某高阻和低阻之間，才可能算是合格的產品。晶閘管器件出廠時，所標注的門極觸發(fā)電流igt、門極觸發(fā)電壓u是指該型號的所有合格器件都能被觸發(fā)導通的最小門極電流、電壓值，所以在接近坐標原點處以觸發(fā)脈沖應一定的寬度且脈沖前沿應盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的，也就是晶閘管的導通需要一定的時間。只有當晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時，晶閘管才能導通，所以觸發(fā)信號應有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導通，對于電感性

13、負載，脈沖的寬度要寬些，一般為0.5-1ms，相當于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觸發(fā)脈沖。 觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導通后才能撤掉，晶閘管對觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應大于產品提出的數據，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發(fā)導通。 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。例如單相全控橋式整流電路帶電

14、阻性負載時，要求觸發(fā)脈沖的移項范圍是0度-180度，帶大電感負載時，要求移項范圍是0度-90度；三相半波可控整流電路電阻性負載時，要求移項范圍是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周期都以相同的控制角被觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應該相同，而且要有固定的相位關系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時受控于電壓uc與同步電壓us控制。這里我們選用“ 單結晶體管觸發(fā)電路”利用單結晶體管(又稱雙基極二極管)的負阻特性和rc的充放電特性，可組成頻率可調的自激振蕩電路，如圖所示。圖中v6為單結晶體管，其常用的型號有bt33和bt35兩種，由等效電阻

15、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，調節(jié)rp1即可改變c1充電回路中的等效電阻。圖3.1 單結晶體管觸發(fā)電路原理圖工作原理簡述如下：由同步變壓器副邊輸出60v的交流同步電壓，經vd1半波整流，再由穩(wěn)壓管v1、v2進行削波，從而得到梯形波電壓，其過零點與電源電壓的過零點同步，梯形波通過r7及等效可變電阻v5向電容c1充電，當充電電壓達到單結晶體管的峰值電壓up時，單結晶體管v6導通，電容通過脈沖變壓器原邊放電，脈沖變壓器副邊輸出脈沖。同時由于放電時間常數很小，c1兩端的電壓很快下降到單結晶體管的谷點電壓uv，使v6關斷，c1再次充電，周而復始，在電容c1兩端

16、呈現(xiàn)鋸齒波形，在脈沖變壓器副邊輸出尖脈沖。在一個梯形波周期內，v6可能導通、關斷多次，但只有輸出的第一個觸發(fā)脈沖對晶閘管的觸發(fā)時刻起作用。充電時間常數由電容c1和等效電阻等決定，調節(jié)rp1改變c1的充電的時間，控制第一個尖脈沖的出現(xiàn)時刻，實現(xiàn)脈沖的移相控制4 保護電路的設計電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時可能會發(fā)生過流、過壓，造成開關器件的永久性損壞。過流、過壓保護包括器件保護和系統(tǒng)保護兩個方面。檢測開關器件的電流、電壓，保護主電路中的開關器件，防止過流、過壓損壞開關器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出及負載的電流、電壓，實時保護系統(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

17、敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護電路，檢測設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時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內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值。過流保護：當電力電子變流裝置內部某些器件被擊穿或短路；驅動、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負載過載；直流側短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產生逆變失敗；以及交流電源電壓過高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必須對電力電子裝置進行適當的過電流保護。采用快速熔斷器作過電流保護，其接線圖。熔斷器是最簡單的過電流保護元件，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

18、熔斷器還沒有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過電流可及時熔斷起到保護作用。最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過快熔電流和晶閘管的電流相同，所以對元件的保護作用最好，這里就應用這一方法快熔抑制過電流電路過壓保護：設備在運行過程中，會受到由交流供電電網進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。過電壓保護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性元件加以抑制。5 仿真波形圖5.1仿真電路圖（有反電動勢）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)信號波形；通道五為vt2,vt3的觸發(fā)信號波形