單相橋式整流電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告匯總

1、電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明3二、設(shè)計(jì)方案的比較4三、單元電路的設(shè)計(jì)和主要元器件說(shuō)明6四、主電路的原理分析9五、各主要元器件的選擇：12六、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)14七、保護(hù)電路16八、元器件清單21九、設(shè)計(jì)總結(jié)22十、參考文獻(xiàn)23一、設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明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(shuō)明；3）完成主電路的原理分析，各主要元件的選擇;4）驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；5）利用仿真軟件分析電路的工作過(guò)程；2.設(shè)計(jì)要求：1）單相橋式相控整流的設(shè)計(jì)要求為：負(fù)載為感性負(fù)載，L=700mHR=500Q2）技術(shù)要求：A.電網(wǎng)供電電壓為單相220V;B.

2、電網(wǎng)電壓波動(dòng)為5%10%C.輸出電壓為0100V;第23頁(yè):、設(shè)計(jì)方案的比較單相橋式整流電路有兩種方式，一種是單相橋式全控整流電路，一種是單相橋式半控整流電路。主要方案有三種：方案一：采用單相橋式全控整流電路，電路圖如下：對(duì)于這個(gè)電路，每一個(gè)導(dǎo)電回路中有兩個(gè)晶閘管，即用兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通以控制導(dǎo)電的回路，不需要續(xù)流二極管，不會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象，整流效果好，波形穩(wěn)定。變壓器二次繞組不含直流分量，不會(huì)出現(xiàn)變壓器直流磁化的問(wèn)題，變壓器利用率高。方案二：采用單相橋式半控整流電路，電路圖如下：相較于單相橋式全控整流電路，對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，只需一個(gè)晶閘管，而另一個(gè)用二極管代替，這樣使電路連接簡(jiǎn)便，且降低

3、了成本，降低了損耗。但是若無(wú)續(xù)流二極管，當(dāng)a突然增大到180°或觸發(fā)脈沖丟失時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使兒成為正弦半波，級(jí)半周期5為正弦波，另外半周期5為零，其平均值保持恒定，相當(dāng)于單相半波不可控整流電路時(shí)的波形，即失控現(xiàn)象。因此該電路在實(shí)際應(yīng)用中需要加設(shè)續(xù)流二極管。綜上所述：?jiǎn)蜗鄻蚴桨肟卣麟娐肪哂芯€路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便的優(yōu)點(diǎn)。但輸出電壓脈動(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。而單相橋式全控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(méi)有直流磁化問(wèn)題，變

4、壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。因此選擇方案一的單相橋式全控整流電路。三、單元電路的設(shè)計(jì)和主要元器件說(shuō)明1 .單相橋式全控整流電路，如圖所示:由一臺(tái)變壓器四個(gè)晶閘管經(jīng)過(guò)橋接而成，負(fù)載為阻感負(fù)載。晶閘管VT和VT4組成一對(duì)橋臂，VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂。2 .主要元器件一一晶閘管晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡(jiǎn)稱為可控硅；1957年美國(guó)通用電器公司開(kāi)發(fā)出世界上第一款品閘管產(chǎn)品，弁于1958年將其商業(yè)化；晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個(gè)極：陽(yáng)極，陰極和門極；晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過(guò)程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控

5、整流、交流調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。1）晶閘管的分類：品閘管按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可分為普通晶閘管（SCR、雙向晶閘管（TRIA。、逆導(dǎo)晶閘管（RCT、門極關(guān)斷晶閘管（GT。、BTG晶閘管、溫控晶閘管（TT國(guó)外，TTS國(guó)內(nèi)）和光控晶閘管（LTT）等多種。晶閘管按其引腳和極性可分為二極晶閘管、三極品閘管和四極品閘管。晶閘管按其封裝形式可分為金屬封裝晶閘管、塑封晶閘管和陶瓷封裝晶閘管三種類型。其中，金屬封裝品閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種；塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。晶閘管按電流容量可分為大功率晶閘管、中功率晶閘管和小功率晶閘管三種。通常，大功率晶閘

6、管多采用金屬殼封裝，而中、小功率晶閘管則多采用塑封或陶瓷封裝。晶閘管按其關(guān)斷速度可分為普通晶閘管和快速品閘管，快速晶閘管包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有常規(guī)的快速品閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘管，可分別應(yīng)用于400Hz和10KHz以上的斬波或逆變電路中。（備注：高頻不能等同于快速品閘管）2）工作原理品閘管在工作過(guò)程中，它的陽(yáng)極（A）和陰極（K）與電源和負(fù)載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制品閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。半控型晶閘管的工作條件： 晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。 晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門極承受

7、正向電壓的情況下品閘管才導(dǎo)通。這時(shí)晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)，這就是晶閘管的閘流特性，即可控特性。品閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽(yáng)極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即品閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。門極只起觸發(fā)作用。品閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。全控型晶閘管的工作條件：晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓（或電流）的情況下晶閘管才導(dǎo)通。這時(shí)晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)。品閘管導(dǎo)通后，門極加反向電流或失去電壓，晶閘管關(guān)斷;或者門極正常，但主電路電壓（或電流）減少到接近于零

8、時(shí)，晶閘管也關(guān)斷。四、主電路的原理分析主電路為單相橋式全控整流電路。對(duì)于阻感負(fù)載，假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。W的波形如圖所示，在山的正半周期，觸發(fā)角口處給晶閘管VTDVT4加觸發(fā)脈沖使其開(kāi)通，ud=u2。負(fù)載中有電感存在使負(fù)載電流不能突變，電感對(duì)負(fù)載電流起平波左右，假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一條水平線，其波形如圖。出過(guò)零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用，晶閘管VT1和VT4中仍流過(guò)電流id,弁不關(guān)斷。至?xí)r刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，因VTDVT3本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。VDVT3導(dǎo)通后，出通過(guò)VDVT3分別向VT9VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過(guò)VTDV

9、T4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2ffiVT3±?此過(guò)程稱為換相，亦稱換流。至下一周期重復(fù)上述過(guò)程，如此循環(huán)下去，ud的波形如圖所示，其平均值為122.ud2U2sintd(t)=U2cos：=0.9U2cos二IT豆H當(dāng)口=0時(shí)，Ud0=0.9U2；a=90；時(shí)，ud=0。晶閘管移相范圍為0°90°。單相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)，晶閘管VT/DVT4的電壓波形如圖所示，晶閘管承受的最大反向電壓均為正U2。晶閘管導(dǎo)通角8與無(wú)關(guān)，均為180°,其電流波形如圖所示。平均值有1,1,IIIvt=_Id=0.707Id效值分別為2d和霹。變壓器二次電流i2的波形為正

10、負(fù)各180°的矩形波，如圖所示，其相位由口角決定，有效值I2=Id。1）整流輸出電壓的平均值:122、cud:v2U2sintd(t):U2cos1二0.9U2cos二Jl0(Tl當(dāng)口=0時(shí)，Ud取得最大值100V即5=0.刃2=10”得火=11”當(dāng)口=90時(shí)，Ud=0?？诮堑囊葡喾秶鸀?02）整流輸出電壓的有效值為：U=1二（2U2sint）2d（，t）=U2=111V3）整流電流的平均值為：,UdccU2Id=0.9cos-0.2ARdRd4）整流電流的有效值為：I=1d=0.2A5）在一個(gè)周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通180°,兩組輪流導(dǎo)通，變壓器二次電流是正、負(fù)對(duì)稱的方波，

11、電流的平均值和有效值相等，其波形系數(shù)為1。有效值:入 二 1IdT =2二 1d =2二 1d =2 1d6）每個(gè)晶閘管承受的最大正、反向電壓等于2U2 =156.978流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值分別為:平均值:五、各主要元器件的選擇:1 .晶閘管的選擇：1）電壓定額品閘管的額定電壓通常取晶閘管的UDRM（斷態(tài)重復(fù)峰值電壓）和URRM（反向重復(fù)峰值電壓）中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時(shí)品閘管所承受峰值電壓的23倍。即UTn=minUDRM，URRM且UTn（23）Utmo因此，Utm=同2=應(yīng)父111=157V;考慮到留23倍

12、的裕量，所以取UTn=400/2）電流定額通態(tài)平均電流卜3）國(guó)際規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。通常按照實(shí)際波形的電流與晶閘管允許的最大正弦半波電流（其平均值即通態(tài)平均電流IT（AV）所造成的發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則來(lái)選取晶閘管的此項(xiàng)電流定額，弁應(yīng)留一定的裕量。一般取其通態(tài)平均電流為按此原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。因1則品閘管的額定電流為:I0.2Itn(av)-(1.52)T=(1.52)=(1.52)0.09A1.5721.57因此，取ITN（AV）=1A

13、2 .變壓器的選擇k_Ui.2202變壓器的變比為U2111在不考慮損耗的情況下，選擇整流變壓器的容量為:S=U2I2=U2I=1110.2=22.2V*A六、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)晶閘管的電流容量越大，要求的觸發(fā)功率越大，對(duì)于大中電流容量的晶閘管，為了保證其觸發(fā)脈沖具有足夠的功率，往往采用由晶體管組成的觸發(fā)電路。晶體管觸發(fā)電路按同步電壓的形式不同，分為正弦波和鋸齒波兩種。同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路，不受電網(wǎng)波動(dòng)和波形畸變的影響，移相范圍寬，應(yīng)用廣泛。因此,這里采用同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路。同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路輸出可為雙窄脈沖，也可為單窄脈沖。它由三個(gè)基本環(huán)節(jié)構(gòu)成：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成

14、和脈沖移相同步環(huán)節(jié)。電路圖如下：A 2痔日譯信號(hào)15 V各點(diǎn)的電壓波形為:鋸齒波是由開(kāi)關(guān)v21r來(lái)控制的:1) V2關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率一一由同步變壓器所接的交流電壓決定；2) V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波一一鋸齒波起點(diǎn)基本就是同步電壓由正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)；3) V2狀止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時(shí)間就是鋸齒波的寬度一一取決于充電時(shí)間常數(shù)R1C1;七、保護(hù)電路品閘管的保護(hù)電路，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，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(cè)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(guò)允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使

15、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(guò)電壓或過(guò)電流的數(shù)值。1 .晶閘管的過(guò)流保護(hù)品閘管設(shè)備產(chǎn)生過(guò)電流的原因可以分為兩類：一類是由于整流電路內(nèi)部原因,如整流晶閘管損壞,觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有故障等；其中整流橋品閘管損壞類較為嚴(yán)重,一般是由于晶閘管因過(guò)電壓而擊穿，造成無(wú)正、反向阻斷能力，它相當(dāng)于整流橋臂發(fā)生永久性短路，使在另外兩橋臂晶閘管導(dǎo)通時(shí)，無(wú)法正常換流，因而產(chǎn)生線間短路引起過(guò)電流.另一類則是整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過(guò)電流，這類情況時(shí)有發(fā)生，因?yàn)檎鳂虻呢?fù)載實(shí)質(zhì)是逆變橋,逆變電路換流失敗，就相當(dāng)于整流橋負(fù)載短路。另外，如整流變壓器中心點(diǎn)接地，當(dāng)逆變負(fù)載回路接觸大地時(shí)，也會(huì)發(fā)生整流

16、橋相對(duì)地短路。對(duì)于第一類過(guò)流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過(guò)流，以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí)，可以采用第一種保護(hù)措施，最常見(jiàn)的就是接入快速熔短器的方式。見(jiàn)圖1?？焖偃鄱唐鞯慕尤敕绞焦灿腥N,其特點(diǎn)和快速熔短器的額定電流見(jiàn)表1。A型B型C型圖1：快速熔短器的接入方法.方式特點(diǎn)額定電流備注A型熔斷器與每個(gè)兀件串聯(lián)，能可靠地保護(hù)每一個(gè)元件Irn<1.57ItIT：晶閘管通態(tài)平均電流B型能在交流、直流和兀件短路時(shí)起保護(hù)作用，可靠性稍有降低1RN<KCIDKc:交流側(cè)線電流與I。之比ID:整流輸出電流C型直流負(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IRN<IDID:整流輸出電流表一：快速

17、熔斷器的接入方式、特點(diǎn)和額定電流三種接入方式均可使用在單相橋式整流電路中，因此選A型對(duì)于第二類過(guò)流，即整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過(guò)電流，則應(yīng)當(dāng)采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。電子電路保護(hù)原理圖如下：圖可控硅觸發(fā)脈沖是由一個(gè)電平信號(hào)Uk來(lái)控制，當(dāng)Uk為“1”電平時(shí)，可控硅觸發(fā)脈沖關(guān)斷，則整流裝置輸出為0。當(dāng)Uk為“0”電平時(shí)，可控硅觸發(fā)脈沖正常輸出，則整流裝置輸出電壓為Udo圖6中，R1,R2,N組成比較器，通過(guò)RP俅設(shè)置過(guò)流保護(hù)值；V1為鉗位二極管，Uk為可控硅觸發(fā)脈沖輸出的控制信號(hào)。當(dāng)整流裝置輸出電流超出額定值的20%寸，電流反饋UIF>URP1則比較器輸出為“0”電平，使三極管V21止，

18、止匕時(shí)Uk為“1”電平，使整流裝置輸出電壓為0。鉗位二極管V1保證系統(tǒng)在出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，比較器輸出電位為“0”電平，使整流裝置可靠關(guān)斷。2 .過(guò)壓保護(hù)電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類。外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因，內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，過(guò)電壓保護(hù)有避雷保護(hù)、利用非線性過(guò)電壓保護(hù)、元器件保護(hù)、利用儲(chǔ)能元器件保護(hù)、利用引入電壓檢測(cè)的電子保護(hù)電路作過(guò)電壓保護(hù)。這次我們采用儲(chǔ)能元件保護(hù)即阻容保護(hù)。3 .電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù)di電流上升率瓦的抑制品閘管初開(kāi)通時(shí)電流集中在靠近圖3.4的聯(lián)電感抑制回路若品閘管開(kāi)通時(shí)電流上升

19、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,di率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dv電壓上升率區(qū)的抑制dv加在晶閘管上的正向電壓上升率/也應(yīng)dv有所限制，如果/過(guò)大，由于晶閘管結(jié)電醫(yī)6,5并聯(lián)R-C阻容吸收回容的存在而產(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dv誤導(dǎo)通。為抑制£的作用，可以在品閘管兩端弁聯(lián)R-C阻容吸收回路。八、元器件清單元器件備注數(shù)量整流變壓器變比為2,容量至少為22.2VA1個(gè)晶閘管額定電壓為400V,額定電流為1A4個(gè)電阻包括負(fù)載中500。電阻以及觸發(fā)電路保護(hù)電路中的電阻打電感包括負(fù)載中的700mH電感以及觸發(fā)電路保護(hù)