單相全波可控整流器的設計

1、武漢理工大學電力電子技術課程設計說明書課程設計任務書學生姓名：專業(yè)班級：指導教師：周 穎工作單位：自動化學院題目：單相全波可控整流器的設計（阻感負載）設計要求：1、與負載有關的參數(shù)。額定負載電壓 Ud=220V額定負載電流Id=10Ac2、整流器的電源參數(shù)。電網(wǎng)頻率為工頻 50Hz,電網(wǎng)額定電壓U1=380V電網(wǎng)電壓波動士 10%要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體 要求）1、觸發(fā)電路的設計。要求對觸發(fā)電路各器件的導通順序進行說明；2、整流器主電路設計。包括負載電阻 R的選擇，品閘管的選擇（電流參數(shù)的選取和電 壓參數(shù)的選取），負載電抗器的選擇；3、保護電路

2、的設計。保護系統(tǒng)是整流器的重要組成部分，其功能是在線檢測裝置各點 的電流、電壓參數(shù)時，及時發(fā)現(xiàn)并切除故障的進一步擴大。 保護電路設計要求保護過電流、 過電壓和負載短路保護，以及抑制電壓電流上升率；4、參數(shù)的計算和設定；5、應用舉例；6、心得體會。時間安排：月 日-日月 日-日月 日-日月 日-日指導教師簽名：系主任（或責任教師）簽名:查閱資料方案設計饌寫電力電子課程設計報告提交報告，答辯年 月 日il：1、單相全波可控整流器的設計要求及基本分析 31.1 設計要求 31.2 基本原理分析 32、整流器主電路的設計及元件選擇 42.1 整流器主電路的設計 42.2 負載電阻R的選擇 62.3 晶

3、閘管的選擇 72.4 負載電抗器的選擇 83、觸發(fā)電路的設計 84、參數(shù)的設定和計算 94.1 參數(shù)的設定 94.2 參數(shù)的計算 95、保護電路的設計 105.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 105.2 過電流保護 115.3 電流上升率、電壓上升率的抑制保護 125.3.1 電流上升率di/dt的抑制 125.3.2 電壓上升率dv/dt的抑制 136、電路仿真 137、應用舉例 148、心得體會 159、參考文獻 1610單相全波可控整流器設計（阻感負載）1、單相全波可控整流器的設計要求及基本分析1.1 設計要求由課程任務書可知單相全波可控整流器的設計要求如下：1、與負載有關的參數(shù)。額定負載

4、電壓 Ud=220V額定負載電流Id=10A;2、整流器的電源參數(shù)。電網(wǎng)頻率為工頻50Hz,電網(wǎng)額定電壓 U1=380V電網(wǎng)電壓波動土10%1.2 基本原理分析單相全波可控整流電流也是一種實用的單相可控整流電路，又稱單相雙半波可控整流電路。單相全波整流器系統(tǒng)結構圖如圖 1所示：該電路主要由四部分構成，分別為電源，過電保護電路，整流電路和觸發(fā)電路構成。 輸入的信號經(jīng)變壓器變壓后通過過電保護電路，保證電路出現(xiàn)過載或短路故障時，不至于 傷害到品閘管和負載。在電路中還加了防雷擊的保護電路。然后將經(jīng)變壓和保護后的信號 輸入整流電路中。整流電路中的晶閘管在觸發(fā)信號的作用下動作，以發(fā)揮整流電路的整流 作用。

5、在電路中，過電保護部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護，而過壓保護則采用RC電路。這部分的選擇主要考慮到電路的簡單性，所以才這樣的保護電路部分。整流部分 電路則是根據(jù)題目的要求，為單相全波可控整流電路。該電路的結構和工作原理是利用晶 閘管的開關特性實現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ?。觸發(fā)電路采用了單結晶體管直接觸發(fā)電路。 單結晶體管直接觸發(fā)電路的移相范圍變化大，而且由于是直接觸發(fā)電路它的結構比較簡 單。從一方面方便了我們對設計電路中變壓器型號的選擇。過電保護電路觸發(fā)電路整流電路阻感負載單相交流電源圖1系統(tǒng)總體結構框圖2、整流器主電路的設計及元件選擇2.1整流器主電路的設計單相全波可控整流電路的電路圖如

6、下圖所示：HlTR1TRSAT2P3S圖2單相全波可控整流器電路圖上圖中TR為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓Ul變成整流電路要求的輸入交流電壓U2, R、L是系統(tǒng)要求的整流器的負載電阻和電感。在電源電壓Vin正半周期間， 品閘管VTi承受正向電壓，晶閘管 VT2承受反壓，若 在t= a時觸發(fā)，VTi導通，電流經(jīng)VTi、阻感負載和TR1二次側中心抽頭形成回路，但 由于大電感的存在，Vin過零變負時，電感上的感應電動勢使 TRi繼續(xù)導通，直到VT2被 觸發(fā)時，VTi承受反向電壓而截止。輸出電壓的波形出現(xiàn)了負值部分。在電源電壓U2負半周期間，品閘管T2承受正向電壓，在cot=a+九時觸發(fā)，T2

7、導通， Ti反向則截止，負載電流從Ti中換流至T2中。在t=2幾時，電壓Vin過零，T2因電感L 中的感應電動勢一直導通，直到下個周期 Ti導通時，T3、T4因加反向電壓才截止。當負載由電阻和電感組成時稱為阻感性負載。例如各種電機的勵磁繞組、整流輸出端 接有平波電抗器的負載等等。單相全波可控整流電路帶阻感性負載的電路如圖2所示。由于電感儲能，而且儲能不能突變因此電感中的電流不能突變，即電感具有阻礙電流變化的 作用。當流過電感中的電流變化時，在電感兩端將產(chǎn)生感應電動勢引起電壓降UL。負載中電感量的大小不同，整流電路的工作情況及輸出 Ud、Id的波形也不同。當負載 電感量L較小（即負載阻抗角?。?/p>

8、控制角a 小時，負載上的電流斷續(xù)；當電感L增大時， 負載上的電流斷續(xù)的可能性就會減??；當電感 L很大，且LdRd時，這種負載稱為大電 感負載。此時大電感阻止負載中電流的變化，負載電流連續(xù)，可看作一條水平直線。值得注意的是，只有當aWt /2時，負載電流才連續(xù)；當a 九/2時，負載電流斷續(xù)，而且輸出電壓的平均值均接近于零，因此這種電路控制角的移相范圍是0冗/2。各電量的波形圖如圖3所示：50iII- I IL_i_ 0 20CP1p m r:III !6080vin-1200 0200020408080100+3Vd200 0200 020408080100Id記圖3單相全波可控整流電路波形圖圖

9、3中第一個小圖CP1是第一個品閘管的觸發(fā)脈沖，第二圖是經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換后的輸入 電壓Vin,第三個圖是阻感負載的輸出電壓 Vd,第四個圖是流過晶閘管的的電流I2,第五 個圖是負載的輸出電流Id,第六個圖是晶閘管VT1所承受白電壓UvT。2.2 負載電阻R的選擇觸發(fā)角a（00口900）,由設計要求可知：額定負載輸出電壓Ud=220V Id=10A。由于有足夠大的電感的作用，整流器輸出電流連續(xù)。由Ud=Id R可得：負載電阻R=Ud/Id=22Q 。2.3 晶閘管的選擇品閘管的選擇原則：I、所選品閘管電流有效值iTn大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。H、選擇時考慮(1.52)倍的安全余量。即I

10、 Tn =1.57 It(AV) = (1.52) Itm 負載電流連續(xù)時，整流電壓平均值可按下式計算：1小匕丁2 2.八Ud = 2U2Sin -td ( t) =U2 cos - -0.9U2COS：輸出電流波形因電感很大，平波效果很好而呈一條水平線。兩組晶閘管輪流導電，一 個周期中各導電180,且與a無關，變壓器二次繞組中電流i 2的波形是對稱的正、負方 波。負載電流的平均值Id和有效值I相等，其波形系數(shù)為1。在這種情況下：當 a =0 時，Ud=0.9L2;當a =90時，U=0,其移相范圍為90。品閘管承受的最大反壓為2V2L2。又額定負載輸出電壓Ud=220V,由Ud=0.9U2c

11、os可 以得到：U2=U(/0.9 cosa =244.44/ cosa?？紤]到安全裕量，因此所選晶閘管的的額定電壓為：Un= (2-3) *2 2 U2流過晶閘管的電流有效值為IVT=Id/72=10/72A=7.07A 因此所選品閘管額定電流 電流：I N= (1.5 2) *7.07A=10.605 14.14A。考慮到電網(wǎng)電壓的10%勺波動，Ud最大為220*(1+10%)=242V,則U2=268.89/cosa V , WJ Un=1521.07/ cosa 2281.6/ cosa。取 口 = 0。時，Un 最小取為 1521.7 2281.6V。2.4 負載電抗器的選擇為了克服

12、整流器輸出的電流斷續(xù)以及減少電流的脈動和延長晶閘管的導通時間，電路 中申入了一個平波電抗器 L。為保證電流的連續(xù)，電感必須要足夠的大。為保證電流連續(xù) 所需的電感量L可由下式求出：L=2 2 U2/nw I d min =2.87x 10,U2/ 1dmin =81mH3、觸發(fā)電路的設計為了保證品閘管電路能正常、可靠的工作，觸發(fā)電路必須滿足以下要求：觸發(fā)脈沖應有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓和電流應大于晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定 的裕量。根據(jù)任務要求，由于整流器采用的是晶閘管，因此采用晶體管直接觸發(fā)電路。此電路是同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路，輸出可為一個寬脈沖，也可為雙窄脈沖，以適用 于有兩個晶閘管

13、同時導通的電路，例如三相全控橋。本設計采用單窄脈沖，電路可分為三個基本環(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，電路中還有強觸發(fā)和雙窄脈沖的形成環(huán)節(jié)?，F(xiàn)重點介紹脈 沖形成，脈沖移相，同步等環(huán)節(jié)。移相觸發(fā)是早期觸發(fā)可控硅的觸發(fā)器。它是通過調(diào)速電阻值來改變電容的充放電時間 再來改變單結晶管的振蕩頻率，實際改變控制可控硅的觸發(fā)角。早期可控硅是依靠這樣改 變阻容移相線路來控制。所為移相就是改變可控硅的觸發(fā)角大小，也叫改變可控硅的初相 角，故稱為移相觸發(fā)線路，有可能用于：(1)消除尖峰脈沖干擾，減少誤觸發(fā)；(2)調(diào)整觸發(fā)時間，符合電路需要；(3)其他應用。本設計采用單結晶體管移相

14、觸發(fā)電路，如圖 2所示。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 VI、R7V2進行削波，從而得到梯形波電壓，具過零點與電源電壓的過零點同步，梯形波通過及等效可變電阻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(shù)很小，C1兩端的電壓很快下降到單結晶體管的谷點電壓，使 V6關斷，C1再次充電，周而復始，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。在一個梯形波周期內(nèi)，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

15、電時間常數(shù)由電容 C1和等效電阻等決定，調(diào)節(jié)RP1改變C1的充電的時間，控制第一個尖脈沖的出現(xiàn)時刻，圖4晶體管移相觸發(fā)電路圖及各點輸出波形實現(xiàn)脈沖的移相控制。電位器RP1已裝在面板上，同步信號已 在內(nèi)部接好，所有的測試信號都在面板上引出。單結晶體管觸 發(fā)電路的各點波形如圖所示：4.1 參數(shù)的設定設定觸發(fā)角a =45, L足包大,分不考慮漏感LB和考慮漏感兩種情況分析4.2 參數(shù)的計算(1)沒有漏感時，由Ud = 0.9U2COSa，額定負載電壓Ud=220V得：變壓器二次側輸入電壓U2=345.7V。所以變壓器的變比為：N1/N2=U1/U2=380/345.7=1.1。因為 Id=10A,則

16、一次側電流 I1=Id/1.1 =9.09A.所以變壓器的容量為S=U1 I1=380X9.09W=3454.2W有功功率 P=Ud Id=220*10W=2200W/功率因數(shù)入=P/S=2200/3454.2=63.7%。由2.3中的分析可知，晶閘管的電流有效值為iVT=Id/ 72=10/V2 A=7.07A。品閘管的的額定電壓為：Un=(23)*2 V2U2=1382.76/cosa 2074.14/ cosa所以 V=1955.522933.28V品閘管額定電流：In = (1.5 2) *7.07A=10.605 14.14A。(2)有漏感時，Ud = 0.9U2cost - Ud，

17、其中 Ud為換相壓降。對于單相全波電路：4Ud = XB1d/冗，其中Xb=w Lb為變壓器的漏感。 取定XB = 0.3。則：U2 = Ud + Ud/0.9cosa =冗 Ud + XB 1d/0.9兀 cosa =347.2V。又因為： cos： - cos(:) = IdXB/ 2 u2即有：cos(a +) = 0.695,則換相重疊角0 0 0.9735、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)選擇合適、驅(qū)動電路設計良好外，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。5.1 過電壓的產(chǎn)生及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

18、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、合閘等開關操作引起的過電壓，快速直流開關的切斷等經(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武漢理工大學電力電子技術課程設計說明書內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關過程，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(chǎn)生過電壓。2）關斷過電

19、壓：全控型器件在較高的頻率下工作，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(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到一定電壓 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 RC阻容過電壓保護

20、電路圖5.2 過電流保護當電力電子電路運行不正常或者發(fā)生故障時， 可能會發(fā)生過電流。當器件擊穿或短路、 觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失 敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過 載能力相對較差，必須對變換器進行適當?shù)倪^流保護。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種的過流保護措施。過電流保護電路如下圖所示：ii武漢理工大學電力電子技術課程設計說明書變壓器電流互感器快速熔斷器變流器直流快速熔斷器;1 / /交魄斷路器電流檢測過電前. 維疆短路器開關電路f觸發(fā)電路動作電流整定值電子保護電路17圖6過電

21、流保護電路圖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品閘管的電流定額，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 閘管直接申接快速熔斷器才對元件的保護作用最好，因為它們流過同一個電流。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部分區(qū)段的保護，直流快速斷 路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。5.3 電流上升率、電壓上升率的抑制保護5.3.1 電流上升率di/dt的抑制品閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的

22、區(qū)域，局部電流密度很大，然 后以0.1mm/心的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，若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合適的范圍內(nèi)。其有效辦法 是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如下圖 7所示：圖7串聯(lián)電感抑制回路5.3.2 電壓上升率dv/dt的抑制加在品閘管上的正向電壓上升率 dv/dt如果t過大，由于晶閘管結電容的存在而產(chǎn)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8所示:6、電路仿真仿真電路圖如圖9所示:仿

23、真波形圖如圖10所示:圖10仿真波形圖如上圖所示，可知仿真出來的結果和理論上的波形基本形同，同時各所測電量的數(shù)值 符合題目要求。7、應用舉例單相全波可控整流電路存在著兩個明顯的缺點：其一，單相全波整流電路中的變壓器 帶有中心抽頭，結構復雜，而且變壓器的利用率較低；其二，品閘管所承受的的最大反壓 是單相全控橋式整流電路的兩倍。因此應用不是很廣泛，但是有利于在低輸出電壓的場合 應用。直流穩(wěn)壓電源是一種將 220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要 變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成，如下圖 11所示：電源變壓器 整流電路 渡波電路穩(wěn)壓電路圖11 直流穩(wěn)壓電源的組成圖在直流穩(wěn)壓電源

24、的設計中也可以應用單相全波可控整流器，整流器把電網(wǎng)輸入交流電 變?yōu)橹绷麟姡俳?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流變?yōu)樗璧姆€(wěn)定直流，從而構成一個 直流穩(wěn)壓電源。 在直流穩(wěn)壓電源的設計中，整流器主要是用來把高壓交流輸入整流輸出 為脈動的低壓直流輸入。8、心得體會本次電力電子技術課程設計，讓我們有機會將課堂上所學的理論知識運用到實際中。 并通過對知識的綜合利用，進行必要的分析，比較。從而進一步驗證了所學的理論知識。 同時，本次課程設計也為我們以后的學習打下了良好的基礎。指導我們在以后的學習，多 動腦的同時，要善于自己去發(fā)現(xiàn)并解決問題。這次的課程設計，還讓我知道了最重要的是 心態(tài)，在你拿到題目時會覺得困難，但是只要充滿信心，就肯定會完成的。通過本次電力電子技術課程設計，我不僅加深了對課本專業(yè)知識的理解，同時增強了 自己的自學能力。因為平時上課時只知道被動地學習理論知識，而在此次課程設計中，讓 我們