單相橋式整流電路課程設(shè)計(jì).doc

湖南工學(xué)院 課程設(shè)計(jì)說明書 課課 題題 單相橋式整流電路的設(shè)計(jì)單相橋式整流電路的設(shè)計(jì) 專專 業(yè)業(yè) 電氣自動(dòng)化電氣自動(dòng)化 班班 級(jí)級(jí) 電氣電氣 0601 班班 姓姓 名名 陳陳 澍澍 學(xué)學(xué) 號(hào) 號(hào) 401060704 指導(dǎo)老師 指導(dǎo)老師 肖肖 文文 英英 前前 言言 隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展 人們對(duì)電路的要求也越來越高 由于在生產(chǎn)實(shí)際 中需要大小可調(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 但是晶雜管相控整流電路中隨著觸發(fā)角 的增大 電 流中諧波分量相應(yīng)增大 因此功率因素很低 把逆變電路中的 SPWM 控制技術(shù) 用于整流電路 就構(gòu)成了 PWM 整流電路 通過對(duì) PWM 整流電路的適當(dāng)控制 可以使其輸入電流非常接近正弦波 且和輸入電壓同相位 功率因素近似為 1 這種整流電路稱為高功率因素整流器 它具有廣泛的應(yīng)用前景 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(shí)現(xiàn)電能和變換和控制 而構(gòu)成 的一門完整的學(xué)科 故其學(xué)習(xí)方法與電子技術(shù)和控制技術(shù)有很多相似之處 因 此要學(xué)好這門課就必須做好實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì) 因而我們進(jìn)行了此次課程設(shè)計(jì) 又因?yàn)檎麟娐窇?yīng)用非常廣泛 而鋸齒波移相觸發(fā)三相晶閘管全控整流電路又 有利于夯實(shí)基礎(chǔ) 故我們單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全控整流電路這一課題 作為這一課程的課程設(shè)計(jì)的課題 目目 錄錄 1 設(shè)計(jì)任務(wù)說明 1 2 方案選擇 2 2 1 器件的介紹 2 2 2 整流電路的比較 5 3 輔助電路的設(shè)計(jì) 7 3 1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 7 3 2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 11 3 3 過壓保護(hù) 12 3 4 電流上升率 電壓上升率的抑制保護(hù) 13 4 主體電路的設(shè)計(jì) 14 4 1 主要電路原理及說明 14 4 2 感性負(fù)載可控整流電路 15 4 3 主電路的設(shè)計(jì) 17 4 5 主要元器件的說明 18 4 5 性能指標(biāo)分析 20 4 6 元器件清單 20 5 設(shè)計(jì)總結(jié) 22 6 參考文獻(xiàn) 23 7 鳴謝 24 1 單相橋式整流電路設(shè)計(jì)任務(wù)書 1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 1 設(shè)計(jì)任務(wù) 1 進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的比較 并選定設(shè)計(jì)方案 2 完成單元電路的設(shè)計(jì)和主要元器件說明 3 完成主電路的原理分析 各主要元器件的選擇 4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 2 設(shè)計(jì)要求 1 單相橋式相控整流的設(shè)計(jì)要求為 1 負(fù)載為感性負(fù)載 L 700mH R 500 歐姆 2 技術(shù)要求 1 電網(wǎng)供電電壓為單相 220V 2 電網(wǎng)電壓波動(dòng)為 5 10 3 輸出電壓為 0 100V 2 2 方案的選擇方案的選擇 單相橋式整流電路可分為單相橋式相控整流電路和單相橋式半控整流電路 它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn) 下面分析兩種單相橋式整流電 路在帶電感性負(fù)載的工作情況 單相半控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是 線路簡單 調(diào)整方便 弱點(diǎn)是 輸出電壓脈動(dòng)沖 大 負(fù)載電流脈沖大 電阻性負(fù)載時(shí) 且整流變壓器二次繞組中存在直流分 量 使鐵心磁化 變壓器不能充分利用 而單相全控式整流電路具有輸出電流脈 動(dòng)小 功率因數(shù)高 變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波 沒有直流磁化問 題 變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn) 單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路 2 倍 在相同的負(fù)載下 流過晶閘管的平均電流減小一半 且功率因數(shù)提高了一半 單相半波相控整流電路因其性能較差 實(shí)際中很少采用 在中小功率場合采 用更多的是單相全控橋式整流電路 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路 負(fù)載為阻感 性負(fù)載 2 1 元器件的選擇元器件的選擇 2 1 1 晶閘管的介紹 晶管又稱為晶體閘流管 可控硅整流 Silicon Controlled Rectifier SCR 開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代 20 世紀(jì) 80 年代以來 開 始被性能更好的全控型器件取代 能承受的電壓和電流容量最高 工作可靠 以被廣泛應(yīng)用于相控整流 逆變 交流調(diào)壓 直流變換等領(lǐng)域 成為功率低頻 200Hz 以下 裝置中的主要器件 晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型 普 通晶閘管 廣義上講 晶閘管還包括其許多類型的派生器件 2 1 1 1 晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管是大功率器件 工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱 因此必須安裝散熱器 外行 螺栓型和平板型兩種封裝 引出陽極 A 陰極 K 和門極 或稱柵極 G 三個(gè)聯(lián)接端 對(duì)于螺栓型封裝 通常螺栓是其陽極 能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便 平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 四層三個(gè)結(jié)如圖 2 1 1 1 圖2 1 1 1 晶閘管的外形 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電氣圖形符號(hào)和模塊外形 a 晶閘管外形 b 內(nèi)部結(jié)構(gòu) c 電氣圖形符號(hào) d 模塊外形 2 1 1 2 晶閘管的工作原理圖 晶閘管由四層半導(dǎo)體 P1 N1 P2 N2 組成 形成三個(gè)結(jié) J1 P1N1 J2 N1P2 J3 P2N2 并分別從 P1 P2 N2引入 A G K 三個(gè)電極 如圖 1 2 左 所示 由于具有擴(kuò)散工藝 具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可以等效成 如圖 2 1 1 2 右 所示的兩個(gè)晶閘管 T1 P1 N1 P2 和 N1 P2 N2 組成的等效 電路 圖 2 1 1 2 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路 晶閘管的驅(qū)動(dòng)過程更多的是稱為觸發(fā) 產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流 的電 路稱為門極觸發(fā)電路 也正是由于能過門極只能控制其開通 不能控制其關(guān)斷 晶閘管才被稱為半控型器件 其他幾種可能導(dǎo)通的情況 1 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) 2 陽極電壓上升率 du dt 過高 3 結(jié)溫較高 4 光直接照射硅片 即光觸發(fā) 光控晶閘管 只有門極觸發(fā)是最精確 迅速而可靠的控制手段 2 1 2 可關(guān)斷晶閘管 可關(guān)斷晶閘管簡稱 GTO 它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn) 如耐壓高 電流 大等 同時(shí)它又是全控型器件 即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通 在負(fù)脈沖電 流觸發(fā)下關(guān)斷 2 1 2 1 可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu) GTO 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通晶閘管相同 都是 PNPN 四層結(jié)構(gòu) 外部引出陽 極 陰極 和門極 如圖 1 3 和普通晶閘管不同 GTO 是一種多元胞的功 率集成器件 內(nèi)部包含十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小 GTO 元胞 這些 GTO 元胞 的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起 使器件的功率可以到達(dá)相當(dāng)大的數(shù)值 2 1 2 1 GTO 的結(jié)構(gòu) 等效電路和圖形符號(hào) 2 1 2 2 可關(guān)斷晶閘管的工作原理 GTO 的導(dǎo)通機(jī)理與 SCR 是完全一樣的 GTO 一旦導(dǎo)通之后 門極信號(hào)是 可以撤除的 在制作時(shí)采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和 而不像普 通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài) 這樣可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài) 使其關(guān)斷 GTO 在關(guān)斷機(jī)理上與 SCR 是不同的 門極加負(fù)脈沖即從門極抽出 電流 即抽出飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子 強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān) 斷 2 1 3 晶閘管的派生器件 在晶閘管的家族中 除了最常用的普通型晶閘管之外 根據(jù)不同的的實(shí)際 需要 珩生出了一系列的派生器件 主要有快速晶閘管 FST 雙向晶閘管 TRIAL 可關(guān)斷晶閘管 GTO 逆導(dǎo)晶閘管 RCT 和光控晶閘管 2 2 整流電路 我們知道 單相整流器的電路形式是各種各樣的 整流的結(jié)構(gòu)也是比較多 的 因此在做設(shè)計(jì)之前我們主要考慮了以下幾種方案 方案一方案一 單相橋式半控整流電路 電路簡圖如下 圖 2 2 1 對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制 相對(duì)于全控橋而言少了一個(gè)控制器件 用二極管代 替 有利于降低損耗 如果不加續(xù)流二極管 當(dāng) 突然增大至 180 或出發(fā)脈 沖丟失時(shí) 由于電感儲(chǔ)能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放 只是消耗在負(fù)載電阻上 會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況 這使 ud 成為正弦半波 即半周期 ud 為正弦 另外半周期為 ud 為零 其平均值保持穩(wěn)定 相當(dāng)于單相 半波不可控整流電路時(shí)的波形 即為失控 所以必須加續(xù)流二極管 以免發(fā)生 失控現(xiàn)象 方案二方案二 單相橋式全控整流電路 電路簡圖如下 圖 2 2 2 此電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制 無須用續(xù)流二極管 也不會(huì)失控現(xiàn)象 負(fù)載形式多樣 整流效果好 波形平穩(wěn) 應(yīng)用廣泛 變壓器二次繞組中 正負(fù) 兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱 平均值為零 即直流分量為零 不存在變 壓器直流磁化問題 變壓器的利用率也高 方案三方案三 單相半波可控整流電路 電路簡圖如下 圖 2 2 3 此電路只需要一個(gè)可控器件 電路比較簡單 VT 的 a 移相范圍為 180 但輸出脈動(dòng)大 變壓器二次側(cè)電流中含直流分量 造成變壓器鐵芯直流磁化 為使變壓器鐵心不飽和 需增大鐵心截面積 增大了設(shè)備的容量 實(shí)際上很 少應(yīng)用此種電路 方案四方案四 單相全波可控整流電路 電路簡圖如下 圖 2 2 4 此電路變壓器是帶中心抽頭的 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 只要用 2 個(gè)可控器件 單 相全波只用 2 個(gè)晶閘管 比單相全控橋少 2 個(gè) 因此少了一個(gè)管壓降 相應(yīng)地 門極驅(qū)動(dòng)電路也少 2 個(gè) 但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的 2 倍 不 存在直流磁化的問題 適用于輸出低壓的場合作電流脈沖大 電阻性負(fù)載時(shí) 且整流變壓器二次繞組中存在直流分量 使鐵心磁化 變壓器不能充分利用 而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小 功率因數(shù)高 變壓器二次電流為 兩個(gè)等大反向的半波 沒有直流磁化問題 變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn) 相同的負(fù) 載下流過晶閘管的平單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路 2 倍 在均電流減小一半 且功率因數(shù)提高了一半 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路 負(fù)載為阻感性 負(fù)載 綜上所述 針對(duì)他們的優(yōu)缺點(diǎn) 我們采用方案二 即單相橋式全控整流電路 3 3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 3 13 1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 3 1 1 觸發(fā)電路的論證與選擇觸發(fā)電路的論證與選擇 3 1 1 1 單結(jié)晶體管的工作原理 單結(jié)晶體管原理單結(jié)晶體管 簡稱 UJT 又稱基極二極管 它是一種只有 PN 結(jié)和兩個(gè)電阻接觸電極的半導(dǎo)體器件 它的基片為條狀的高阻 N 型硅片 兩端分別用歐姆接觸引出兩個(gè)基極 b1和 b2 在硅片中間略偏 b2一側(cè)用合金法制 作一個(gè) P 區(qū)作為發(fā)射極 e 其結(jié)構(gòu) 符號(hào)和等效電如圖 3 1 1 1 所示 圖 3 1 1 1 3 1 1 2 單結(jié)晶體管的特性 從圖一可以看出 兩基極 b1和 b2之間的電阻稱為基極電阻 Rbb rb1 rb2 式中 Rb1 第一基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻 其數(shù)值隨發(fā)射極電流 ie而變化 rb2為第二基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻 其數(shù)值與 ie無關(guān) 發(fā)射結(jié)是 PN 結(jié) 與二 極管等效 若在兩面三刀基極 b2 b1間加上正電壓 Vbb 則 A 點(diǎn)電壓為 VA rb1 rb1 rb2 vbb rb1 rbb vbb Vbb 式中 稱為分壓比 其值一般在 0 3 0 85 之間 如果發(fā)射極電壓 VE由零 逐漸增加 就可測得單結(jié)晶體管的伏安特性 見圖二 圖 3 1 1 2 單結(jié)晶體管的伏安特性 1 當(dāng) Ve Vbb時(shí) 發(fā)射結(jié)處于反向偏置 管子截止 發(fā)射極只有很小的 漏電流 Iceo 2 當(dāng) Ve Vbb VD VD 為二極管正向壓降 約為 0 7V PN 結(jié)正向?qū)?Ie顯著增加 rb1阻值迅速減小 Ve相應(yīng)下降 這種電壓隨電流增加反而下降的 特性 稱為負(fù)阻特性 管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的臨界 P 稱為峰點(diǎn) 與其對(duì)應(yīng) 的發(fā)射極電壓和電流 分別稱為峰點(diǎn)電壓 Ip和峰點(diǎn)電流 Ip Ip是正向漏電流 它是使單結(jié)晶體管導(dǎo)通所需的最小電流 顯然 Vp Vbb 3 隨著發(fā)射極電流 Ie的不斷上升 Ve不斷下降 降到 V 點(diǎn)后 Ve不再下降 了 這點(diǎn) V 稱為谷點(diǎn) 與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流 稱為谷點(diǎn)電壓 Vv和谷 點(diǎn)電流 Iv 4 過了 V 后 發(fā)射極與第一基極間半導(dǎo)體內(nèi)的載流子達(dá)到了飽和狀態(tài) 所 以 uc繼續(xù)增加時(shí) ie便緩慢的上升 顯然 Vv是維持單結(jié)晶體管導(dǎo)通的最小發(fā)射 極電壓 如果 Ve Vv 管子重新截止 單結(jié)晶體管的主要參數(shù) 1 基極間電阻 Rbb發(fā)射極開路時(shí) 基極 b1 b2之間的電阻 一般為 2 10 千 歐 其數(shù)值隨溫度的上升而增大 2 分壓比 由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的參數(shù) 一般為 0 3 0 85 3 eb1間反向電壓 Vcb1 b2開路 在額定反向電壓 Vcb2 下 基極 b1 與發(fā)射 極 e 之間的反向耐壓 4 反向電流 Ieo b1開路 在額定反向電壓 Vcb2下 eb2間的反向電流 5 發(fā)射極飽和壓降 Veo在最大發(fā)射極額定電流時(shí) eb1間的壓降 6 峰點(diǎn)電流 Ip單結(jié)晶體管剛開始導(dǎo)通時(shí) 發(fā)射極電壓為峰點(diǎn)電壓時(shí)的發(fā)射極 電流 3 1 2 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(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 陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通 4 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 3 1 2 1 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(qiáng) 溫度補(bǔ)償 性能好 脈沖前沿徒等優(yōu)點(diǎn) 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 3 1 2 2 a 所示 3 1 2 2 單結(jié)晶體管自激震蕩電路 利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性與 RC 電路的充放電可組成自激振蕩電路 產(chǎn) 生頻率可變的脈沖 從圖 3 1 2 2 a 可知 經(jīng) D1 D2整流后的直流電源 UZ 一路徑 R2 R1加 在單結(jié)晶體管兩個(gè)基極 b1 b2之間 另一路通過 Re 對(duì)電容 C 充電 發(fā)射極電 壓 ue uc按指數(shù)規(guī)律上升 Uc剛沖點(diǎn)到大于峰點(diǎn)轉(zhuǎn)折電壓 Up的瞬間 管子 e b1 間的電阻突然變小 開始導(dǎo)通 電容 C 開始通過管子 e b1迅速向 R1放電 由 于放電回路電阻很小 故放電時(shí)間很短 隨著電容 C 放電 電壓 Ue小于一定值 管子 BT 又由導(dǎo)通轉(zhuǎn)入截止 然后電源又重新對(duì)電容 C 充電 上述過程不斷重 復(fù) 在電容上形成鋸齒波震蕩電壓 在 R1上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖脈沖 us 如圖 3 1 2 2 b 所示 其震蕩頻率為 f 1 T 1 ReCLn 1 1 式中 0 3 0 9 是單結(jié)晶體管的分壓比 即調(diào)節(jié) Re 可調(diào)節(jié)振蕩頻率 圖 3 1 2 2 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形 3 1 3 同步電源 步電壓又變壓器 TB 獲得 而同步變壓器與主電路接至同一電源 故同步 電壓于主電壓同相位 同頻率 同步電壓經(jīng)橋式整流 穩(wěn)壓管 DZ削波為梯形波 uDZ 而削波后的最大值 UZ既是同步信號(hào) 又是觸發(fā)電路電源 當(dāng) UDZ過零時(shí) 電容 C 經(jīng) e b1 R1迅速放電到零電壓 這就是說 每半周開始 電容 C 都從零開始充電 進(jìn)而保證每周期觸發(fā)電路送出第一個(gè)脈沖距離過零的時(shí)刻 即控制角 一致 實(shí) 現(xiàn)同步 1 1 ln 11 CR T f e 1 1 ln 11 CR T f e 3 1 4 移相控制 當(dāng) Re增大時(shí) 單結(jié)晶體管發(fā)射極充電到峰點(diǎn)電壓 Up的時(shí)間增大 第一個(gè) 脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻推遲 即控制角 增大 實(shí)現(xiàn)了移相 3 1 5 脈沖輸出 觸發(fā)脈沖 ug由 1直接取出 這種方法簡單 經(jīng)濟(jì) 但觸發(fā)電路與主電路 有直接的電聯(lián)系 不安全 對(duì)于晶閘管串聯(lián)接法的全控橋電路無法工作 所以 一般采用脈沖變壓器輸出 3 23 2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 3 2 1 保護(hù)電路的論證與選擇 電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)發(fā)生過流 過壓 造成開關(guān)器件的永久 性損壞 過流 過壓保護(hù)包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)方面 檢測開關(guān)器件的 電流 電壓 保護(hù)主電路中的開關(guān)器件 防止過流 過壓損壞開關(guān)器件 檢測 系統(tǒng)電源輸入 輸出及負(fù)載的電流 電壓 實(shí)時(shí)保護(hù)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 壓敏電阻或硒堆 等 再一種則是采用電子保護(hù)電路 檢測設(shè)備的輸出電壓或輸入電流 當(dāng)輸出 電壓或輸入電流超過允許值時(shí) 借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)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(shù)值 3 2 2 過電流保護(hù) 當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路 驅(qū)動(dòng) 觸發(fā)電路或控制 電路發(fā)生故障 外部出現(xiàn)負(fù)載過載 直流側(cè)短路 可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)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(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù) 采用快速熔斷器作過電流保護(hù) 其接線圖 見圖 3 2 2 熔斷器是最簡單的過 電流保護(hù)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(shí)熔斷起到保護(hù)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(duì)元件的保護(hù)作用最好 這里就應(yīng)用這一方法 快熔抑制過電流電路圖如下圖所示 圖 3 2 2 快速熔短器的接入方法 A 型熔斷器 特點(diǎn) 是熔斷器與每一個(gè)元件串連 能可靠的保護(hù)每一個(gè)元件 B 型熔斷器 特點(diǎn) 能在交流 直流和元件短路時(shí)起保護(hù)作用 其可靠性稍有降低 C 型熔斷器 特點(diǎn) 直流負(fù)載側(cè)有故障時(shí)動(dòng)作 元件內(nèi)部短路時(shí)不能起保護(hù)作用 對(duì)于第二類過流 即整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過電流 則應(yīng)當(dāng)采用 電子電路進(jìn)行保護(hù) 常見的電子保護(hù)原理圖如 6 2 3 所示 圖 3 2 3 過流保護(hù)原理圖 3 3 過壓保護(hù) 設(shè)備在運(yùn)行過程中 會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電 壓的侵襲 同時(shí) 設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn) 過電壓保護(hù)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 見圖 3 3 1 和圖 3 3 2 圖 3 3 1 阻容三角抑制過電壓 圖 3 3 2 壓敏電阻過壓 過電壓保護(hù)的第二種方法是采用電子電路進(jìn)行保護(hù) 常見的電子保護(hù)原理圖 如圖 3 3 3 所示 圖 3 3 3 過電壓保護(hù)電路 3 4 電流上升率 電壓上升率的抑制保護(hù) 1 電流上升率 di dt 的抑制 晶閘管初開通時(shí)電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域 局部電流密 度很大 然后以 0 1mm s 的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面 若晶閘管開通 時(shí)電流上升率 di dt 過大 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極回路串聯(lián)入電感 如下圖 3 4 所示 圖 3 4 串聯(lián)電感抑制回路 2 電壓上升率 dv dt 的抑制 加在晶閘管上的正向電壓上升率 dv dt 也應(yīng)有所限制 如果 dv dt 過大 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 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 6 5 所示 圖 6 5 并聯(lián) R C 阻容吸收回 4 主體電路的設(shè)計(jì)主體電路的設(shè)計(jì) 4 1 主要電路原理及說明主要電路原理及說明 當(dāng)負(fù)載由電阻和電感組成時(shí)稱為阻感性負(fù)載 例如各種電機(jī)的勵(lì)磁繞組 整 流輸出端接有平波電抗器的負(fù)載等等 單相橋式整流電路帶阻感性負(fù)載的電路 如圖 5 1 所示 由于電感儲(chǔ)能 而且儲(chǔ)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(dāng)流過電感中的電流變化時(shí) 在電感兩端將產(chǎn)生 感應(yīng)電動(dòng)勢 引起電壓降 UL 負(fù)載中電感量的大小不同 整流電路的工作情況及輸出 Ud id 的波形具有不同 的特點(diǎn) 當(dāng)負(fù)載電感量 L 較小 即負(fù)載阻抗角 控制角 時(shí) 負(fù)載上 的電流不連續(xù) 當(dāng)電感 L 增大時(shí) 負(fù)載上的電流不連續(xù)的可能性就會(huì)減小 當(dāng) 電感 L 很大 且 Ld Rd示時(shí) 這種負(fù)載稱為大電感負(fù)載 此時(shí)大電感阻止負(fù) 載中電流的變化 負(fù)載電流連續(xù) 可看作一條水平直線 各電量的波形圖如圖 5 1 所示 在電源電壓 u2 正半周期間 晶閘管 T1 T2 承受正向電壓 若在 t 時(shí) 觸發(fā) T1 T2 導(dǎo)通 電流經(jīng) T1 負(fù)載 T2 和 Tr二次形成回路 但由于大電 感的存在 u2 過零變負(fù)時(shí) 電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢使 T1 T2 繼續(xù)導(dǎo)通 直到 T3 T4 被觸發(fā)時(shí) T1 T2 承受反向電壓而截止 輸出電壓的波形出現(xiàn)了負(fù) 值部分 在電源電壓 u2 負(fù)半周期間 晶閘管 T3 T4 承受正向電壓 在 t 時(shí)觸 發(fā) T3 T4 導(dǎo)通 T1 T2 反向則制 負(fù)載電流從 T1 T2 中換流至 T3 T4中 在 t 2 時(shí) 電壓 u2過零 T3 T4因電感中的感應(yīng)電動(dòng)勢一直導(dǎo) 通 直到下個(gè)周期 T1 T2 導(dǎo)通時(shí) T3 T4因加反向電壓才截止 值得注意的是 只有當(dāng) 2 時(shí) 負(fù)載電流才連續(xù) 當(dāng) 2 時(shí) 負(fù) 載電流不連續(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 2 4 24 2 電感負(fù)載可控整流電路電感負(fù)載可控整流電路 4 2 14 2 1 單相全控橋式整流電路單相全控橋式整流電路 在生產(chǎn)實(shí)踐中 除了電阻性負(fù)載外 最常見的負(fù)載還有電感性負(fù)載 如 電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組 整流電路中串入的濾波電抗器等 為了便于分析和計(jì)算 在電路圖中將電阻和電感分開表示 當(dāng)整流電路帶電感性負(fù)載時(shí) 整流工作的物理過程和電壓 電流波形都與 帶電阻性負(fù)載時(shí)不同 因?yàn)殡姼袑?duì)電流的變化有阻礙作用 即電感元件中的電 流 圖 4 2 1 單相全控橋式整流電路電感性負(fù)載及其波形 a 電路 b 電源電壓 c 觸發(fā)脈沖 d 輸出電壓 e 輸出電流 f 晶閘管 V 1 V 4 上的電流 g 晶閘管 V 2 V 3 上的電流 h 變壓器副邊電流 i 晶閘管 V 1 V 4 上的電壓 不能突變 當(dāng)電流變化時(shí)電感要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢而阻礙其變化 所以 電 路電流的變化總是滯后于電壓的變化 負(fù)載電流連續(xù)時(shí) 整流電壓平均值可按下式計(jì)算 T u2 u1 i2 V2V1 V4V3 ud id R a b c d e f L g h i u2 0 t ug 0 t1 t2 t ud 0 t 0 id t iV1 4 0 iV2 3 0 t t i2 0 uV1 4 0 t t cos9 0cos 22 sin2 1 222 UUttdUUd 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(dǎo)電 一個(gè)周期中各導(dǎo)電 180 且與 無關(guān) 變壓器二次繞組中電流i2 的波形是對(duì)稱的正 負(fù)方波 負(fù)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(dāng) 0 時(shí) Ud 0 9U2 當(dāng) 90 時(shí) Ud 0 其移相范圍為 90 晶閘管承受的最大正 反向電壓都是 流過每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值分別為 4 3 主電路的設(shè)計(jì)主電路的設(shè)計(jì) 4 3 1 主電路原理圖主電路原理圖 ddd V V ddd V dV IIII IIII 2 2 22 2 1 22 4 3 2 原理圖分析 該電路主要由四部分構(gòu)成 分別為電源 過電保護(hù)電路 整流電路和觸發(fā) 電路構(gòu)成 輸入的信號(hào)經(jīng)變壓器變壓后通過過電保護(hù)電路 保證電路出現(xiàn)過載 或短路故障時(shí) 不至于傷害到晶閘管和負(fù)載 在電路中還加了防雷擊的保護(hù)電 路 然后將經(jīng)變壓和保護(hù)后的信號(hào)輸入整流電路中 整流電路中的晶閘管在觸 發(fā)信號(hào)的作用下動(dòng)作 以發(fā)揮整流電路的整流作用 在電路中 過電保護(hù)部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護(hù) 而過壓保護(hù) 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(hù) 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(xué)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(shí)現(xiàn)將交流變?yōu)橹?流的功能 觸發(fā)電路是由設(shè)計(jì)題目而定的 題目要求了用單結(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(duì)設(shè)計(jì)電路中變壓器型號(hào)的選擇 4 44 4 主要元器件的說明主要元器件的說明 由于單相橋式全控整流帶電感性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管 所以選取 元件時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則 4 4 1 晶閘管的主要參數(shù)如下 額定電壓UTn 通常取UDRM和URRM中較小的 再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額 定電壓 在選用管子時(shí) 額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的2 3 倍 以保證 電路的工作安全 晶閘管的額定電壓 RRMDRMTn UUU min UTn 2 3 UTM 4 4 1 UTM 工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)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(fù)載流過正弦半波 導(dǎo)通角不小于170 的電路中 結(jié)溫不 超過額定結(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 要注意的是若晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正弦波的半個(gè)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(huì)超過管子所能提供的極限 使 管子由于過熱而損壞 在實(shí)際使用時(shí)不論流過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(jù)管子的IT AV 換算出 IT AV ITM ITn 三者之間的關(guān)系 4 4 2 Im5 02Im sin Im2 1 0 2 tdtITn 4 4 3 Im318 0 Im sinIm2 1 0 ttdI AVT 波形系數(shù) 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I d I 的波形系數(shù) 用Kf表示 4 4 2 d f I I K 額定狀態(tài)下 晶閘管的電流波形系數(shù) 4 4 6 57 1 2 AVT Tn f I I K 晶閘管承受最大電壓為考慮到 2 倍裕量 VVUUTM15711122 2 取 400V 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(shí)考慮 1 5 2 倍的安全余量 即ITn 1 57 IT AV 1 5 2 ITM 4 4 7 57 1 2 5 1 TM AVT I I 因?yàn)?則晶閘管的額定電流為 10A 輸出電流的有效值為最小 2 I IT AVT I 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(yīng)大于 20A 在本次設(shè)計(jì)中我選用 4 個(gè) KP20 4 的晶閘管 若散熱條件不符合規(guī)定要求時(shí) 則元件的額定電流應(yīng)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(dǎo)通的正 弦波半個(gè)周期內(nèi)陽極與陰極電壓的平均值 一般在0 4 1 2V 維持電流IH 指在常溫門極開路時(shí) 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