單相全控橋式晶閘管整流電路設計純電阻負載

1、 1 單相橋式全控整流電路的功能要求及設計方案介紹 1.1 單相橋式全控整流電路設計方案 1.1.1 設計方案 保護電路單相電源輸出觸發(fā)電路整流主電路負載電路圖1設計方案 1.1.2 整流電路的設計 主電路原理圖及其工作波形 圖2 主電路原理圖及工作波形 1 主電路原理說明： （1）在u2正半波的（）區(qū)間，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓，但無觸發(fā)脈沖，晶閘管VT2、VT3承受反向電壓。因此在0區(qū)間，4個晶閘管都不導通。 （2）在u2正半波的（）區(qū)間，在時刻，觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導通。 （3）在u2負半波的（）區(qū)間，在間，晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，因無觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)，晶

2、閘管VT1、VT4承受反向電壓也不導通。 （4）在u2負半波的（）區(qū)間，在時刻，觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其元件導通，負載電流沿bVT3RVT2T的二次繞組b流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負載電阻上，負載上有輸出電壓（ud=-u2）和電流，且波形相位相同。 2 2 觸發(fā)電路的設計 2.1 晶閘管觸發(fā)電路 觸發(fā)電路在變流裝置中所起的基本作用是向晶閘管提供門極電壓和門極電流，使晶閘管在需要導通的時刻可靠導通。根據(jù)控制要求決定晶閘管的導通時刻，對變流裝置的輸出功率進行控制。觸發(fā)電路是變流裝置中的一個重要組成部分，變流裝置是否能正常工作，與觸發(fā)電路有直接關(guān)系，因此，正確合理地選擇設計觸發(fā)電路及其

3、各項技術(shù)指標是保證晶閘管變流裝置安全，可靠，經(jīng)濟運行的前提。 ，開始啟動A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應保持低電平。 2.1.1 晶閘管觸發(fā)電路的要求 晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求: ()觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。 ()觸發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。 ()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。 (5)、為使并聯(lián)晶閘管能同時導通，觸發(fā)電路應能產(chǎn)生強觸發(fā)脈沖。強觸發(fā)電

4、流幅值為出發(fā)電流的倍左右，脈沖前沿的陡度取為 晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求 （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） 所提供的觸發(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(nèi)。 （4）應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及主電路的電氣隔離。

5、3 2.1.2 鋸齒波的觸發(fā)電路 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路圖3 ，也可為單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） 窄脈沖。此外，同步環(huán)節(jié)。脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、三個基本環(huán)節(jié)： 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)： V8起脈沖放大作用。V5組成，V7、 由晶體管V4、uco二次側(cè)輸出，TPV4基極上。電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器 控制電壓加在 集電極電路中。其一次繞組接在V8有R11C3V4導通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù) 脈沖前沿由 關(guān)。 鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)：本電路采如采用自舉式電路、恒流源電路等， 鋸齒波電壓形成的方案較多，

6、 用恒流源電路。R3和RP2VSV1C2V3V2V1 恒流源電路方案由、和等元件組成，其中、4 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(guān)系確定。 鋸齒波是由開關(guān)V2管來控制的，V2開關(guān)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(chǎn)生鋸齒 波鋸齒波起點基本就是同步電壓由正變負的過零點。V2截止狀態(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(nèi)雙脈沖電路：每個觸發(fā)單元的一個周期內(nèi)輸出兩個間隔60?的脈沖的電路。V5、V6構(gòu)成一個“或”門，當V5、V6都導通時，V7、V8都截止，

7、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uco?產(chǎn)生。隔60?對應的控制角的第二個脈沖是由滯后60沖由本相觸發(fā)單元的?相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)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。 最終輸出的脈沖波形為： 圖4 最終輸出的脈沖波形 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。（所以我選取該觸發(fā)器做設計。） 5 3 保護電路的設計 在電力電子電

8、路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動電路設計， 采用合適的過電壓、過電流、du/dt保護和di/dt 保護也是必要的。 3.1 過電壓保護 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(nèi)應過電壓兩類。 外因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： （1）操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起的過電壓，快速直流開關(guān)的切斷等經(jīng)常性操作中的電磁過程引起的過壓。 （2）雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。 內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括： （1）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(jié)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

9、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(chǎn)生過電壓。 （2）關(guān)斷過電壓：全控型器件在較高的頻率下工作，當器件關(guān)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(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到定電壓值時，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(guān)器件上，保護了電力電子器件。 為了達到保護效果，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

10、性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護電路如圖5所示。 圖5 過電壓保護電路 6 3.2過電流保護 晶閘管承受過電流的能力很低，若過電流數(shù)值較大且時間較長，則晶閘管會因熱容量小而產(chǎn)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(cè)自動開關(guān)或直流側(cè)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。（1）直流快速開關(guān) 對于大容量高功率經(jīng)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(guān)。它的斷弧時間僅有2530ms，裝在直流側(cè)可

11、有效的用于直流側(cè)的過載保護與短路保護。它經(jīng)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(guān)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。 （2）交流短路器 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(cè)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。 （3）進線電抗器 進線電抗器串接在變流裝置的交流進線側(cè)，以限制過電流。其缺點是有負載時會產(chǎn)生較大的壓降，增加了線路損耗。 （4）電流繼電器 在發(fā)

12、生過過電流繼電器可安裝在直流側(cè)或交流側(cè)，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，能很快的熔斷，20ms器，簡稱快熔。其熔斷時間小于 達到保護晶閘管的目的。不小于線路正U快熔的選擇：快熔的額定電壓RN應按它所常工作電壓的均方根值；快熔的額定電流IRN保護的原件實際流過的電流的均方根值來選擇，而不是 來選擇，一般小于被根據(jù)元件型號上標出的額定電流I 快熔接法 圖6 T 6?？烊劢臃ㄈ鐖D保護晶閘管的額定有效值1.57I所示： T其中交流側(cè)接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側(cè)短路起保護作用，這樣對元件但要求正常工作時，快速熔斷器電流定額要大于

13、晶閘管的電流定額，的短路故障所起的保護作用較差。直流側(cè)接快速熔斷器只對負載短路起保護作只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對元件的保護作用最對元件無保護作用。用，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，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。 7 元件參數(shù)計算選取與總電路圖4 4.1整流電路參數(shù)計算 2。 和 由圖知晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為 U2U2 22 整流電壓平均值為： ?cosU11?cos?122?2U90d(t)U?U2sin.t 2d2?22?(1) 時，U。180?=0?？?/p>

14、見，a角的移相范圍為。 U=0a時，Ud=0.9U=180?dd02 向負載輸出的直流電流平均值為： ?Ucos?U1122U?cosd229.I?0? d?(2) 2R2RR ： 流過晶閘管的電流平均值 ?U1?cos1245.II?0?(3) ddT22R 流過晶閘管的電流有效值為： ?U112U?2? 22?2t)sin?t)(d(sinI?T?22RR2?(4) 相等，為I與輸出直流電流有效值變壓器二次側(cè)電流有效值I2 ?U2U?11?2?22?sin)t2d(t)?(?II?sin(5) 2?2RR? 1II? 有上兩式得(6) T2 。U不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量為S=

15、I22 8 4.2 晶閘管基本參數(shù)及選型 4.2.1 晶閘管基本參數(shù) 由于單相橋式全控整流帶電阻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(shù)及其選取原則。 1.晶閘管的主要參數(shù)如下： （1）額定電壓U Tn通常取U和U中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定RRMDRM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。 ?UU?,minU ：晶閘管的額定電壓 RRMDRMTn U （23）U TM Tn U：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓 TM （2）額定電流I T(AV)I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

16、件T(AV) 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(jié)溫不超過額定結(jié)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。 （3）通態(tài)平均管壓降 U 。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導通T(AV)的正弦波半個周期內(nèi)陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.41.2V。 （4）維持電流I 。指在常溫門極開路時，晶閘管從較大的通態(tài)電流降到剛H好能保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般I值從

17、幾十到幾百毫安，由晶閘管H電流容量大小而定。 （5）門極觸發(fā)電流I 。在常溫下，陽極電壓為6V時，使晶閘管能完全導g通所需的門極電流，一般為毫安級。 （6）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)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(zhuǎn)換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。 （7）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(nèi)，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。 9 4.2.2 晶閘管選型0 的交流電，的時候，輸入電壓為100V，1.晶閘管承受最大的電壓是在=050H

18、z2 R= U/P=10000/500=20，利用功率P=500W?。 流過晶閘管的電流有效值：2. ?112UU?2?22?)?(sint)2d(sinI?tT ?22RR2? 。（100/1.414*20）*1=3.54A= 變壓器二次電流有效值與輸出直流電流有效值為：3. ?U112U?2?22?)I?I?2d(sint)sint2 ?2RR? =100/20*1=5A。 4.這時整流電壓平均值為：?U22cos1cos1?1? ?2?Ut)?(d?0.U?2Usin9t 2d2?22? =0.9*100*1=90V。 5.向負載輸出的平均電流值為：?Ucos?22U1?cosU1 d2

19、29I?0. d?2R2RR =90/20=4.5A。00 -180。角的移相范圍為06.（因為一個周期內(nèi)每個晶7.流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半 閘管只有半個周期導通），即：?cosU1?1 245?I?I0. ddT2R2 =0.5*4.5=2.25A。 。I=2.25*2=4.5A28.考慮倍的裕量，那么額定電流 2U2U= =141V =70.7V U9. U= 22DRMRRM2U=70.7V*3=210V TN綜上所述：選擇20?的電阻，選擇額定電壓為210V，額定電流為4.5A,型號為KP的晶閘管。 10 4.3 電路總接線圖 8 圖電路總接線圖 仿真及結(jié)果分析5

20、 11 電阻負載的單相橋式全控整流仿真電路圖：5.1 8 仿真及結(jié)果分析圖電阻加電感上上的電壓、上的電流、晶體管VT波形圖分別代表晶體管1.VT 150、時的波形變化。0、30、90的電壓。下列波形分別是延遲角為第一個的波形表示的是晶閘管的由上面仿真圖可以知道，在五個波形中，2. ，uvt，第三個表示的是負載電阻上的電流idivt電流，第二個是晶閘管的電壓ud i2第四個表示的是二次側(cè)繞組的電流，第五個是負載電阻上的電壓 5.2 仿真模塊參數(shù)設置 12 1.交流電源 交流電源參數(shù)設置圖14 對交流電，電壓“Peak amplitude”為100V，“Phase”為0d，其頻率“Frequenc

21、y”設置為50Hz，周期T=1/f=1/50=0.02s。 2.電流測量 15圖電流測量參數(shù)設置 “Output signal”設置為complex。 3.電壓測量 13 16 電壓測量圖 4.脈沖信號發(fā)生器 脈沖信號發(fā)生器參數(shù)設置17 圖 ，”設置為Time basedpulse type“ ，Use simulation time“Time”設置為 ，1.0Amplitude“”設置為 14 “Period”設置為0.02， “Pulse Width”設置為10， Pulse 參數(shù)對話框，其中相位延遲Phase delay的設置，按關(guān)系t=T/360計算。 1.對交流電T=0.02s，當=

22、0仿真時，pulse1，t=0s，對pulse2，t=0.01,。 2.當=30仿真時，對pulse1，t=0.00167s，對pulse2，相位延遲設置為0.01+0.00167=0.01167s。 3.當=90仿真時，對Pulse1，相位延遲Phase delay設置為t=T/360=0.005s，對pulse2，相位延遲設置為0.01+0.005=0.015s； 4.當對=150仿真時，對Pulse1，相位延遲Phase delay設置為t=T/360=0.00833s，對pulse2，相位延遲設置為0.01+0.00833=0.01833s。 5.3仿真輸出圖形 =0時的波形為 圖9 =0時的波形 =30時的波形為 15 =30時的波形圖10 時的波形為=60 =60時的波形11 圖 時的波形為=90 16 =90時的波形圖12 時的波形為=150 =150時的波形13 圖 17 參考文獻 1 王兆安.電力電子技術(shù)(第五版).北京：機械工業(yè)出版社，2004.01 Wang Zhao An.Power Electronic Technology(5rd edition).Beijing: Machinery industr