單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1設(shè)計(jì)方案及原理 1\o"CurrentDocument"1.1原理方框圖 1\o"CurrentDocument"1.2主電路的設(shè)計(jì) 1\o"CurrentDocument"1.3主電路原理說(shuō)明 2\o"CurrentDocument"1。4整流電路參數(shù)的計(jì)算 2\o"CurrentDocument"2元器件的選擇 3\o"CurrentDocument"2.1晶閘管的選取 3\o"CurrentDocument"2.2變壓器的選取 4\o"CurrentDocument"3觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) 4\o"CurrentDocument"3.1對(duì)觸發(fā)電路的要求 4\o"CurrentDocument"3.2KJ004集成觸發(fā)器 4\o"CurrentDocument"4保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 5\o"CurrentDocument"4.1過(guò)電壓保護(hù) 5\o"CurrentDocument"4。1。1過(guò)電壓保護(hù) 5\o"CurrentDocument"4。1.2過(guò)電流保護(hù) 6\o"CurrentDocument"4。1。3電流上升率di/dt的抑制 7\o"CurrentDocument"4。1。4電壓上升率du/dt的抑制 7\o"CurrentDocument"5仿真分析與調(diào)試 7\o"CurrentDocument"5。1建立仿真模型 7\o"CurrentDocument"5。2仿真結(jié)果分析 8心得體會(huì) 11參考文獻(xiàn) 12附錄 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。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: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:

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a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a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"no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，晶閘管會(huì)在E的作用下承受反向電壓，無(wú)法導(dǎo)通。1o4整流電路參數(shù)的計(jì)算當(dāng)1?！礒時(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)cos以=0.9Ucos以(1-1)當(dāng)a=0時(shí)，匕取得最大值90V即u廣0o9u2=90V從而得出U2=100V,a=180o時(shí)，Ud=0oa角的移相范圍為90。。d2）整流輸出電壓的有效值為3）整流電流的平均值和有效值分別為(2-2)(2—3)U=；1戶+〃(/2U2sinwt)d3）整流電流的平均值和有效值分別為(2-2)(2—3)I=J=0.9=cosaI=URdI=UR(2—4)

(2—5)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)I=—I=0.45~—cosadvT2d R2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：額定電壓Um通常取"響和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U=(ninU,U}(2-7)UTn=(2?3)Utm"DR"(2-7)Utm：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓額定電流l(AV)I(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(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8=8.15°此時(shí)可達(dá)到的最大輸出電壓為0.9U2*cos8.15°=178V>90V，滿足要求.晶閘管承受最大反向電壓為:、加=100\.2=282.8V考慮到安全裕量，故晶閘管額定電壓為：u=(2?3)x282?=565.6~848.4V由式2-6知，流過(guò)晶閘管電流有效值最大為?^ma：如=fS=28.28入

晶閘管額定電流為：％$）=（1.5?2）上時(shí)27?36A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10000VA3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：II[II[]I^"1[IIoOSKJ004

圖3-1KJ004管腳圖各弓I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一Vee(1kQ)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)油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.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（完整word版）單相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)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：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/ps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simulinkT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。PutsGeneralor1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：150100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)單相橋式全控整流電路的課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)整流電路有了更加清晰的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)觸發(fā)電路和保護(hù)電路也有了更深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)我也學(xué)會(huì)了用一些基本元部件進(jìn)行建模的基本方法，加深了對(duì)課本知識(shí)的進(jìn)一步理解。同時(shí)這次課程設(shè)計(jì)應(yīng)用到MATLAB軟件，設(shè)計(jì)時(shí)借助MATLAB軟件進(jìn)行系統(tǒng)模型仿真，進(jìn)一步熟悉了MATLAB語(yǔ)言及其應(yīng)用，用該軟件對(duì)該電路進(jìn)行分析，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算和繪圖步驟。同時(shí)該次課程設(shè)計(jì)，還用到了protel軟件進(jìn)行原理圖的繪制，是我跟家熟練地掌握了protel繪圖的技巧。書(shū)寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)時(shí)使用WORD軟件，使我掌握了許多關(guān)于WORD編輯和排版技巧，提高了自身對(duì)一些基本軟件的應(yīng)用技能?？傊@次課程設(shè)計(jì)不僅增加了我的知識(shí)積累，讓我有機(jī)會(huì)將課堂上所學(xué)的電力電子理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中，了解了這些知