單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)

PAGE目錄1設(shè)計(jì)方案及原理 11.1原理方框圖 11.2主電路的設(shè)計(jì) 21.3主電路原理說(shuō)明 21.4整流電路參數(shù)的計(jì)算 32元器件的選擇 32.1晶閘管的選取 32.2變壓器的選取 43觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) 53.1對(duì)觸發(fā)電路的要求 53.2KJ004集成觸發(fā)器 54保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 64.1過(guò)電壓保護(hù) 64.1.1過(guò)電壓保護(hù) 64.1.2過(guò)電流保護(hù) 74.1.3電流上升率di/dt的抑制 84.1.4電壓上升率du/dt的抑制 85仿真分析與調(diào)試 85.1建立仿真模型 85.2仿真結(jié)果分析 9心得體會(huì) 12參考文獻(xiàn) 13附錄 14單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)方案及原理1.1原理方框圖系統(tǒng)原理方框圖如1-1所示：觸發(fā)電路觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)電路整流主電路負(fù)載保護(hù)電路圖1-1系統(tǒng)原理方框圖1.2主電路的設(shè)計(jì)主電路原理圖如下圖1-2所示：圖1-2單相橋式全控整流電路原理圖1.3主電路原理說(shuō)明在電源電壓u2正半周期間，VT1、VT4承受正向電壓，若在觸發(fā)角α處給VT1、VT4加觸發(fā)脈沖，VT1、VT4導(dǎo)通，電流從電源a端經(jīng)VT1、負(fù)載、VT4流回電源b端。當(dāng)u2過(guò)零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關(guān)斷。在電源電壓u2負(fù)半周期間，仍在觸發(fā)延遲角α處觸發(fā)VT2和VT3，VT2和VT3導(dǎo)通，電流從電源b端流出，經(jīng)過(guò)VT3、R、VT2流回電源a端。到u2過(guò)零時(shí)，電流又降為零，VT2和VT3關(guān)斷。此后又是VT1和VT4導(dǎo)通，如此循環(huán)的工作下去。該電路的移向范圍是0―π。另外，由于該整流電路帶的是反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載，因而不是正半軸的任意時(shí)刻都能開(kāi)通晶閘管的，要開(kāi)通晶閘管必須在交流電瞬時(shí)值大于E的時(shí)候去觸發(fā)。提前觸發(fā)的話(huà)，晶閘管會(huì)在E的作用下承受反向電壓，無(wú)法導(dǎo)通。1.4整流電路參數(shù)的計(jì)算當(dāng)||>E時(shí)，晶閘管可以開(kāi)通。1）整流輸出電壓的平均值可按下式計(jì)算（1-1）當(dāng)α=0時(shí)，取得最大值90V即=0.9=90V從而得出=100V，α=180o時(shí)，=0。α角的移相范圍為90o。2）整流輸出電壓的有效值為（2-2）3）整流電流的平均值和有效值分別為 （2-3） （2-4） 4)在一個(gè)周期內(nèi)晶閘管VT1、VT4和VT2、VT3輪流導(dǎo)通，流過(guò)晶閘管的電流平均值只有輸出直流電流平均值的一半，即：（2-5）2元器件的選擇2.1晶閘管的選取晶閘管的主要參數(shù)如下：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。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不大于額定電流的有效值,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。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不大于額定電流的有效值,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。將變壓器副邊電壓有效值U2定為200V，則停止導(dǎo)電角δ=8.15°此時(shí)可達(dá)到的最大輸出電壓為0.9U2*cos8.15°=178V>90V，滿(mǎn)足要求。晶閘管承受最大反向電壓為：考慮到安全裕量，故晶閘管額定電壓為：由式2-6知，流過(guò)晶閘管電流有效值最大為：晶閘管額定電流為：通過(guò)以上計(jì)算得知，可以取晶閘管額定電壓為800V，額定電流為30A。2.2變壓器的選取變壓器是一種靜止的裝置，它是依靠磁耦合的作用，將一種等級(jí)的電壓與電流轉(zhuǎn)換為另一種等級(jí)的電壓與電流，起著傳遞電能的作用。單相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載，變壓器二次電流有效值I2與輸出電流有效值I相等。由式2-4可知，二次側(cè)電流最大為50A，故變壓器容量至少為10000V·A。3觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)3.1對(duì)觸發(fā)電路的要求晶閘管觸發(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:1）、觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。2）、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）。3）、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。4）、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。3.2KJ004集成觸發(fā)器KJ004可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中,作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖,可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線(xiàn)路。KJ004電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低,有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。其管腳圖如下圖3-1所示：圖3-1KJ004管腳圖各引腳說(shuō)明如下表3-1所示：表3-1KJ004引腳說(shuō)明功能輸出空鋸齒波形成-Vee(1kΩ)地同步輸入綜合比較微分阻容封鎖調(diào)制+Vcc引腳號(hào)1、152、6、103、4578911、1213、1416該觸發(fā)電路設(shè)計(jì)中，通過(guò)KJ004集成觸發(fā)器控制晶閘管VT1、VT2、VT3和VT4的導(dǎo)通與截止，使VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通，VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)兩路導(dǎo)通相差180度。KJ004器件恰好輸出兩路相差180度的移相脈沖,可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線(xiàn)路。觸發(fā)電路原理圖參見(jiàn)附錄。4保護(hù)電路的設(shè)計(jì)相對(duì)于電機(jī)和繼電器，接觸器等控制器而言，電力電子器件承受過(guò)電流和過(guò)電壓的能力較差，短時(shí)間的過(guò)電流和過(guò)電壓就會(huì)把器件損壞。但又不能完全根據(jù)裝置運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的暫時(shí)過(guò)電流和過(guò)電壓的數(shù)值來(lái)確定器件參數(shù)，必須充分發(fā)揮器件應(yīng)有的過(guò)載能力。因此，保護(hù)就成為提高電力電子裝置運(yùn)行可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)。4.1過(guò)電壓保護(hù)4.1.1過(guò)電壓保護(hù)電源側(cè)過(guò)電壓電力電子設(shè)備一般都經(jīng)變壓器與交流電網(wǎng)連接，電源變壓器的繞組與繞組、繞組與地中間都存在著分布電容，如圖4-1所示：圖4-1分布電容該電路中變壓器為降壓型，即電源電壓u高于變壓器次級(jí)電壓。電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，初、次級(jí)繞組均無(wú)電壓，繞組間分布電容電壓也為0，當(dāng)電源合閘時(shí)，由于電容兩端電壓不能突變，電源電壓通過(guò)電容加在變壓器次級(jí)，使得變壓器次級(jí)電壓超出正常值，它所連接的電力電子設(shè)備將受到過(guò)電壓的沖擊。在進(jìn)行電源拉閘斷電是也會(huì)造成過(guò)電壓，在通電的狀態(tài)將電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)使激磁電流從一定得數(shù)值迅速下降到0，由于激磁電感的作用電流的劇烈變化將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，因?yàn)殡妷簽長(zhǎng)di/dt，在電感一定得情況下，電流的變換越大，產(chǎn)生的過(guò)電壓也越大。這個(gè)電壓的大小與拉閘瞬間電流的參數(shù)值有關(guān)，在正弦電流的最大值時(shí)斷開(kāi)電源，產(chǎn)生的di/dt最大，過(guò)電壓也就越大?？梢?jiàn)，合閘時(shí)出現(xiàn)的過(guò)電壓和拉閘時(shí)出現(xiàn)的過(guò)電壓其產(chǎn)生的機(jī)理是完全不同的。對(duì)于以上過(guò)電壓，我們可以采用阻容保護(hù)，保護(hù)電路如下圖4-2所示：圖4-2過(guò)電壓保護(hù)同理晶閘管過(guò)電壓保護(hù)，也可采用阻容式保護(hù)方法，給每個(gè)晶閘管并聯(lián)一個(gè)RC串聯(lián)回路。4.1.2過(guò)電流保護(hù)電力電子電路中的電流瞬時(shí)值超過(guò)設(shè)計(jì)的最大允許值，即為過(guò)電流。過(guò)電流有過(guò)載和短路兩種情況。在該電路的過(guò)電流保護(hù)中均采用熔斷器，給每個(gè)晶閘管串連一個(gè)熔斷器。雖然這樣所用熔斷器較多，但由于流過(guò)晶閘管的電流有效值相對(duì)于負(fù)載電流有效值和電源二次側(cè)電流有效值來(lái)說(shuō)較小，等價(jià)條件下產(chǎn)生熱量最少，同時(shí)熔斷器價(jià)格很便宜，故這樣設(shè)計(jì)過(guò)電流保護(hù)電路比較經(jīng)濟(jì)。電路原理圖如下圖4-3所示：圖4-3過(guò)電流保護(hù)4.1.3電流上升率di/dt的抑制晶閘管初開(kāi)通時(shí)電流集中在靠近門(mén)極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密很大，然后以0.1mm/μs的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面，若晶閘管開(kāi)通時(shí)電流上升率di/dt過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)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(yáng)極回路串聯(lián)入電感。4.1.4電壓上升率du/dt的抑制加在晶閘管上的正向電壓上升率du/dt也應(yīng)有所限制,如果du/dt過(guò)大。由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實(shí)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(yán)重時(shí)引起晶閘管誤導(dǎo)通。該電路中采用進(jìn)線(xiàn)電抗器，在輸入交流側(cè)串聯(lián)電感來(lái)抑制電壓變化率。5仿真分析與調(diào)試5.1建立仿真模型在電力電子設(shè)計(jì)過(guò)程中利用MATLAB來(lái)進(jìn)行仿真建模分析有很大的好處，它不但非常方便而且能夠在很大程度范圍內(nèi)減少因設(shè)計(jì)問(wèn)題而造成的浪費(fèi)。這里的仿真主要是運(yùn)用MATLAB軟件中的simulink工具。先從simulink的元件庫(kù)中找到需要用的元件，然后搭建相應(yīng)的主電路，設(shè)置好參數(shù)后即可進(jìn)行仿真。仿真電路圖如下圖所示.圖5-1單相橋式全控整流電路系統(tǒng)模型仿真電路中，用虛擬的示波器監(jiān)控整流電路輸出電壓與輸出電流的波形，觸發(fā)信號(hào)波形。由于是要觸發(fā)晶閘管，故把觸發(fā)面沖寬度設(shè)置為3%。這里是首先指定電源為200V的工頻交流電。根據(jù)題目要求反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載為40V，負(fù)載電阻1歐，負(fù)載電感20mH。設(shè)定好元器件的參數(shù)之后,還需要設(shè)置仿真算法和仿真時(shí)間。我設(shè)定了0.5S的仿真時(shí)間。設(shè)置的仿真算法是ode45。5.2仿真結(jié)果分析觸發(fā)角為0時(shí)的波形：圖5-2觸發(fā)角為0時(shí)的波形觸發(fā)角為60時(shí)的波形如下圖所示： 圖5-3觸發(fā)角為60時(shí)的波形如圖所示，當(dāng)觸發(fā)角為0時(shí)，進(jìn)閘管始終處于斷開(kāi)狀態(tài)，同時(shí)ＶＤ也是阻斷的。負(fù)載電流為０。但由于是反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載故還會(huì)有４０Ｖ的電壓。當(dāng)觸發(fā)角為６０°時(shí)，Ud=0.9U2*cos60°=90V。另外當(dāng)觸發(fā)角為77.16°時(shí)，Ud=0.9U2*cos60°=40V=E,此時(shí)兩邊電動(dòng)勢(shì)抵消，負(fù)載電流為0，也就是電流斷續(xù)的臨界點(diǎn)。綜合上述仿真與理論分析可知，觸發(fā)角在77.16°到60°變化時(shí)，可以保障整流輸出的連續(xù)可調(diào)。心得體會(huì)通過(guò)這次對(duì)