電力電子設(shè)計單相全控橋式純電阻負載

1、 電力電子 課 程 設(shè) 計 單相全控橋式晶閘管整流電路設(shè)計 （純電阻負載） 院 別： 機械與電子工程學院 專業(yè)班級： 電氣工程自動化0803姓 名： 徐 浩 學 號： 2008011251指導(dǎo)老師： 施 云 2011年 1 月6日電力電子課程設(shè)計一、設(shè)計課題目 單相全控橋式晶閘管整流電路設(shè)計（純電阻負載）二、設(shè)計要求 1、單相全控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計要求為： 負載為阻性負載.2、技術(shù)要求: (1).電網(wǎng)供電電壓：交流100V/50Hz； (2).輸出功率：500W；(3).移相范圍：0度180度；三、課程設(shè)計的性質(zhì)和目的1、性質(zhì)：是電氣信息專業(yè)的必修實踐環(huán)節(jié)；2、目的：(1).培養(yǎng)學生綜合

2、運用知識解決問題的能力與實際動手能力； (2).加深理解電力電子技術(shù)課程的基本理論；(3).初步掌握電力電子電路的設(shè)計方法。前 言電力電子學,又稱功率電子學(Power Electronics)。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。它既是電子學在強電(高電壓、大電流)或電工領(lǐng)域的一個分支，又是電工學在弱電(低電壓、小電流)或電子領(lǐng)域的一個分支，或者說是強弱電相結(jié)合的新科學。電力電子學是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領(lǐng)域的一個新興工程技術(shù)學科。隨著科學技術(shù)的日益發(fā)展,人們對電路的要求也越來越高,由于在生產(chǎn)實際中需要大小可

3、調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應(yīng)用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而在許多場合，例如電解、蓄電池的充電、直流電動機等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機外，最普遍應(yīng)用的是利用各種半導(dǎo)體元件產(chǎn)生直流電。這個方法中，整流是最基礎(chǔ)的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，把方向和大小交變的電流變換為直流電。整流的基礎(chǔ)是整流電路。由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成各種電力變換電路實現(xiàn)電能

4、和變換和控制，而構(gòu)成的一門完整的學科。第一章 單相橋式整流電路供電方案的選擇1.1 具體供電方案電源電壓：交流100V/ 50Hz第二章 單項全控橋式晶閘管整流電路主電路設(shè)計2.1主電路原理圖單相整流電路中應(yīng)用較多的a 帶電阻負載的工作情況波形分析見上圖及工作原理如下：VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當u2過零時關(guān)斷；VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當u2過零時關(guān)斷。 數(shù)量關(guān)系：a 角的移相范圍為180。向負載輸出的直流平均電流為：晶閘管VT1、VT4 和 VT2、VT3 輪流導(dǎo)電，流過晶閘管的電流平均值只

5、有輸出直流電流平均值的一半，即為選擇晶閘管、變壓器容量、導(dǎo)線截面積等定額，需考慮發(fā)熱等問題，為此需計算電流有效值。流過晶閘管的電流有效值為變壓器二次電流有效值I2與輸出直流電流有效值I相等，為 由上兩式可見 不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量為S=U2I22.2變壓器二次側(cè)電壓的計算電源電壓U1交流100/ 50Hz ，輸出功率：500W ，移相范圍：0度-180度。設(shè)R=5 , =30 P=Ud/R Ud=50v 2.3變壓器一 、二次側(cè)電流的計算P=IdR Id=10A U2= 2Ud/0.9(1+cos30)60VU1/U2=100/60 N1/N2=5/3 I220AI1=I2/(

6、5/3)=7.2A2.4變壓器容量的計算S=U1I1=7100=720 VA 2.5變壓器型號的選擇N1:N2=5/3 ; S=720 VA第三章 電路元件的選擇3.1整流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(shù)及其選取原則。整流元件中電壓、電流最大值的計算1).晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UNVT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定電壓。在選用管子時，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 UNVT （23）U2 （3-1） UNVT ：工作電路中加在管子

7、上的最大瞬時電壓 UNVT=(2-3)U2=169.7V254.6V額定電流INVT通過晶閘管的電流的平均值IdvT IDvt=Id/2=Ud/R=5A整流元件型號的選擇晶閘管的選擇原則：所選晶閘管電流有效值IVT大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。IVT =cos45I2=14A、 選擇時考慮（1.52）倍的安全余量。即Im=(1.52)kIVT =(15.7521)A.在本次設(shè)計中我選用4個型號為：KP20-3的晶閘管.第四章 保護元件的選擇4.1變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護措施。在選擇快熔時應(yīng)考慮：1）電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快

8、熔實際承受的電壓來確定。2）電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。3）快熔的值應(yīng)小于被保護器件的允許值、4）為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性。因為晶閘管的額定電流為10A,快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為15A。4.2晶閘管保護電路的選擇過電流保護當電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)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(cè)短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變失??；以及交流電源電壓過高或過低；均能引起裝置或其他元件

9、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?shù)倪^電流保護。過壓保護設(shè)備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設(shè)備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。因此，必須對電力電子裝置進行適當?shù)倪^電壓保護。4.3保護電路原理圖及工作原理圖4.3 過流保護原理圖圖4.3過電壓保護電路第五章 單項全控橋式晶閘管整流電路的相控觸發(fā)器電路5.1相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理圖5.0單結(jié)晶體管觸發(fā)電路晶閘管觸發(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(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)

10、電壓和觸發(fā)電流）。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，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)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。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路由單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸發(fā)電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強、溫度補償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應(yīng)用。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如圖5.0所示。第六章 單項全控橋式晶閘管整流電路設(shè)計 總設(shè)計結(jié)果6.2總電路的原理框圖 系統(tǒng)原理方框圖如6.2所示：圖6.2系統(tǒng)原理方框圖6.3總電路原理圖6.4總電路工作原理該電路主要由四部分構(gòu)成，分別

11、為電源，過電保護電路，整流電路和觸發(fā)電路構(gòu)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，不至于傷害到晶閘管和負載。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。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，選擇的我們學過的單相橋式整流電路。該電路的結(jié)構(gòu)和工作原理是利用晶閘管的開關(guān)特性實現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ?。觸發(fā)電路是由設(shè)計題目而定的，題目

12、要求了用單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路。單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路的移相范圍變化較大，而且由于是直接觸發(fā)電路它的結(jié)構(gòu)比較簡單。一方面是方便我們對設(shè)計電路中變壓器型號的選擇。6.5繪制輸出波形(即Ud ,i2 波形) 6.6繪制觸發(fā)信號波形總結(jié)：通過單相全控橋式整流電路的設(shè)計，使我加深了對整流電路的理解，讓我對電力電子該課程產(chǎn)生了濃烈的興趣。 對于一個電路的設(shè)計，首先應(yīng)該對它的理論知識很了解，這樣才能設(shè)計出性能好的電路。整流電路中，開關(guān)器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關(guān)鍵的，開關(guān)器件和觸發(fā)電路選擇的好，對整流電路的性能指標影響很大。 在這次課程設(shè)計過程中，碰到的難題就是對晶閘管的相關(guān)參數(shù)的計算，因為在學習中沒能很好的系統(tǒng)的總結(jié)晶閘管相關(guān)知識。在整個課程設(shè)計中貫穿的計算過程沒能很好的把握。在今后的學習中要認真總結(jié)經(jīng)驗，對電力電子課程進行補充。為以后深入