单相桥式全控整流电路课程设计.doc

高级工电力电子课程设计目录前言2第1章 课程设计的任务书 31.1 主要任务31.2 总体要求3第2章 方案选择42.1 主电路的论证4 2.2 触发电路的要求及选择4 2.3 保护电路的选择7第3章 电路设计 123.1主电路设计123.2 触发电路的设计133.3 保护电路的设计133.4 电路参数的计算15第4章 小结17参考文献18前言电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现电能使用最佳化。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。变流技术也称为电力电子技术的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。变流技术是电力电子技术的核心，变流技术的理论基础是电路理论。整流电路是电力电子电路的一种，将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样。按组成器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路。这次课程设计我们设计的是单相桥式全控整流电路，与单相半波可控整流电路相比，桥式全控的电源利用率高一些，应用范围更广。 第1章 课程设计的任务书1.1课程设计的主要任务“电力电子技术”课程设计是在教学及试验的基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。因此，通过电力电子的课程设计达到以下几个目的1） 培养综合应用所学知识，并初步设计出具有电压可调功能的直流电源系统的能力。2） 较全面地巩固和应用本课程所学知识和基本方法，初步掌握整流电路的设计方法。3） 培养独立思考，独立收集材料，独立实际的能力。4） 熟悉电力电子技术的课程和一些相关知识。1.2课程设计的总体要求1） 负载：电阻电感性负载2） 电感L=700mh , R=5003） 电网提供的电压为220V，50H4）输出电压0100V输出功率1KW5）移相范围0900第2章 方案选择2.1主电路的认证单相相控电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式和整流电路，它们的所连接负载性质不同就有不同的特点，而负载性质又分为带电阻性的负载，电阻电感性负载和反电动势负载的工作情况。本组所做的是单相桥式全控整流电路。与单相桥式半空整流电路相比，无需接续流二极管，也不会出现失控的现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。 单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数提高，变压器二次侧电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化的问题，变压器利用率高的优点。 单相全控桥式整流电路其输出平均电压是半波电路的2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。2.2 触发电路的要求及选择1 对触发电路的要求  为了保证可靠地触发, 对触发电路的要求是: (1） 触发脉冲上升沿要陡, 以保证触发时刻的准确; (2） 触发脉冲电压幅度必须满足要求, 一般为410 V; (3）触发脉冲要有足够的宽度, 以保证可靠触发; (4）为避免误导通, 不触发时, 触发输出的漏电压小于0.2 V; (5) 触发脉冲必须与主电路的交流电源同步, 以保证晶闸管在每个周期的同一时刻触发。常见的触发脉冲电压波形图2.2.12 触发电路的选择晶闸管的导通控制信号由触发电路提供，触发电路的类型按组成器件分为：1)单结晶体管触发电路、图2.2.2上图为单结晶体管 a)结构示意 b)等效电路 c)图形符号 d)外形及管脚 用万用表来判别单结晶体管的好坏：选择R×1k电阻挡进行测量，若某个电极与另外两个电极的正向电阻小于反向电阻，则该电极为发射极e，接着测量另外两个电极的正反向电阻值应该相等。 优点：单结晶体管触发电路结构简单，调节方便，输出脉冲前沿陡，抗干扰能力强，对于控制精度要求不高的小功率系统，可采用单结晶体管触发电路来控制；缺点不能直接用于触发电路，必须有同步电路和张弛震荡电路。只能产生窄脉冲，输出功率小，移相范围也小，常用于50A以下的单相电路。图2.2.3单结晶体管触发电路2）晶体管触发电路、集成触发电路。图2.2.4KC41六路双窄脉冲形成器图2.2.5 KCZ6集成六脉冲触发电路优点:减少了触发电源功率和脉冲变压器的体积，提高了脉冲前沿陡度。具有脉冲占空比可调性好，频率调节宽，触发上升沿可与调节信号同步。集成触发电路优点:1）同步电压值范围较宽且只需三相同步电压。2）输出是脉冲列式的双脉冲，脉冲电压体积小。3）体积小维修方便等。对于大容量晶闸管一般采用晶体管或集成电路组成的触发电路。2.3保护电路的选择电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故 。1过电压的产生电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压外因过电压：主要来自系统操作过程和雷击等外因a操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起b雷击过电压：由雷击引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程a换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后，不能立即恢复阻断能力，有较大的反向电流流过，当恢复阻断能力后，反向电流急剧减小，b会因线路电感在器件两端感应出过电压。c关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。2过压保护方法（1）过压保护的基本原则是：根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的附加电路，当达到定过压值时，自动开通附加电路，使过压通过附加电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。保护电路形式很多，也很复杂。 图2.3.1(2) 雷击过压可在变压器初级接避雷器加以保护。(3) 二次电压很高或电压比很大的变压器，一次侧合闸时，由于一次、二次绕组间存在分布电容，高电压可通过分布电容耦合到二次侧而出现瞬时过压。可采取变压器附加屏蔽层接地或变压器星形中点通过电容接地的方法来减小。(4 )泵升电压保护当电动机回馈制动时，电动机的动能转换成电能回馈到直流侧，引起直流侧电压升高，当电压升高到一定值时，会造成变换器的过电压。通常采用开关电路将能量消耗在电阻上。 （5）阻容保护电路将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。RC阻容保护电路可以设置在变换器装置的交流侧、直流侧。也可将RC保护电路直接并在主电路的元件上，有效地抑制元件关断时的关断过压，其接法如图6-2所示。 图2.3.2（6）非线性电阻保护。 非线性电阻具有近似稳压管的伏安特性，可把浪涌电压限制在电力电子器件允许的电压范围。现在常采用压敏电阻实现过压保护。 压敏电阻是一种金属氧化物的非线性电阻，它具有正、反两个方向相同但很陡的伏安特性。 正常工作时漏电流很小(微安级)，故损耗小。当过压时，可通过高达数千安的放电电流IY，因此抑制过压的能力强。此外，它对浪涌电压反应快，而且体积小，是一种较好的过压保护器件。 它的主要缺点是持续平均功率很小，如正常工作电压超过它的额定值，则在很短时间内就会烧毁。 由于压敏电阻的正、反向特性对称，因此单相电路只需一个，三相电路用3个，联接成Y形或形 图2.3.3压敏电阻保护的接法3过电流保护电路1. 引起过流的原因当电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起变换器内元件的电流超过正常工作电流，即出现过流。由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此，必须对变换器进行适当的过流保护。变换器的过流一般主要分为两类：过载过流和短路过流.过电流过载和短路两种情况.2保护措施图2.3.4(1) 交流进线电抗器(图中的L)，或采用漏抗大的整流变压器，利用电抗限制短路电流。但正常工作时有较大的交流压降。(2) 电流检测装置(图中的B)。过流时发出信号，过流信号一方面可以封锁触发电路，使变换器的故障电流迅速下降至零，从而有效抑制了电流。另一方面控制过电继电器，使交流接触器触点跳开，切断电源。但过流继电器和交流接触器动作都需一定时间(100200ms)。故只有电流不大的情况这种保护才能奏效。(3) 直流快速开关(图中的QDCF)。对于大、中容量变换器，快速熔断器的价格高且更换不方便。为避免过流时烧断快速熔断器，采用动作时间只2ms的直流快速开关，它可先于快速熔断器动作而保护电力电子器件。 (4) 快速熔断器(图中的FUF)快速熔断器是防止变换器过流损坏的最后一道防线。在晶闸管变换器中，快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同个电流因而被广泛使用。 图2.3.5 快速熔断器在电路中的接法同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时实现保护。1.对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器保护的全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。2.常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这对器件过电流响应是最快 .4缓冲电路(Snubber Circuit) ： 又称吸收电路，其作用是抑制器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。1.关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。2.开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。3.复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。4.另外两种常用的缓冲电路 RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。图2.3.6 另外两种常用的缓冲电路5.电流上升率di/dt的抑制晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/s的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图所示:图串联电感抑制回路6.电压上升率dv/dt的抑制加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如图所示： 图2.3.7 并联R-C阻容吸收回路三、电路设计3.1主电路的设计1） 工作原理电源电压正半波，在t=处触发晶闸管VT1、VT4，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，元件导通，电流沿aVT1LRVT4b流通，此时负载上电压ud=u2。此时电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反向阳极电压而处于关断状态。当t=时，电源电压自然过零，电感感应电势使晶闸管继续导通。电源电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，但没有触发脉冲而不导通；在t=+处触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流沿bVT3LRVT2a流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，负载上有输出电压ud= -u2。此时VT1、VT4承受反向电压由导通状态变为关断状态。晶闸管VT2、VT3直要导通到下一周期t=2+处再次触发晶闸管VT1、VT4为止。 2） 主电路的原理图如下图3.1.13波形图图3.1.23.2 触发电路的设计1晶体管触发电路图3.2.1 KC41六路双窄脉冲形成器KC41电路是脉冲逻辑电路。当把移相触发器的触发胲冲输入到KC41电路的16端时，由输入二极管完成了补脉冲，再由T1T6电流放大分六路输出。补脉冲按+A-C，-C+B，+B-A，-A+C，+C-B，-B+A顺序排列组合。T7是电子开关，当控制7#端接逻辑“0”电平时T7截止，各路有输出触发脉冲。当控制7#端接逻辑“1”电平（+15V）时，T7导通，各种无输出触发脉冲。3.3保护电路的设计1）过压保护电路的设计1非线性电阻保护。 非线性电阻具有近似稳压管的伏安特性，可把浪涌电压限制在电力电子器件允许的电压范围。现在常采用压敏电阻实现过压保护。 压敏电阻是一种金属氧化物的非线性电阻，它具有正、反两个方向相同但很陡的伏安特性。 正常工作时漏电流很小(微安级)，故损耗小。当过压时，可通过高达数千安的放电电流IY，因此抑制过压的能力强。此外，它对浪涌电压反应快，而且体积小，是一种较好的过压保护器件。 它的主要缺点是持续平均功率很小，如正常工作电压超过它的额定值，则在很短时间内就会烧毁。 由于压敏电阻的正、反向特性对称，因此单相电路只需一个，三相电路用3个，联接成Y形或形 图3.3.12）过流保护1快速熔断器(图中的FUF)快速熔断器是防止变换器过流损坏的最后一道防线。在晶闸管变换器中，快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同个电流因而被广泛使用。 图3.3.2 快速熔断器在电路中的接法3）缓冲电路的设计1电流上升率di/dt的抑制图串联电感抑制回路2电压上升率dv/dt的抑制图并联R-C阻容吸收回3.4电路参数计算(1) 输出电压平均值Ud根据控制要求：当时Ud为最大值，Ud=100v，此时U2=111v。当时Ud为最小值，Ud=0v，此时U2=111v。（2）输出电流平均值Id和变压器副边电流I2 Id=I2=0.198A（3）晶闸管的电流平均值由于晶闸管轮流导电，所以流过每个晶闸管的平均电流只有负载上平均电流的一半。(4) 晶闸管的电流有效值IT 与通态平均电流 IT(AV) 要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。 在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值 ,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。：额定电流有效值，根据管子的 换算出，额定电流 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值与平均值之比称为该波形的波形系数，用表示。 额定状态下， 晶闸管的电流波形系数晶闸管的选择原则：、所选晶闸管电流有效值大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。、 选择时考虑（1.52）倍的安全余量。即ITn 1.57 IT(AV) （1.52）ITMIT(AV)(1.52) IT=0.140A IT（av）=0.178A考虑到2倍裕量,取1A.（5）额定电压通常取和中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 （23）UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 晶闸管承受最大电压为考虑到2倍裕量，取400V.晶闸管的型号为KP1-4的元器件。2变压器的选取根据参数计算可知:第5章 小结 这次电力电子课程设计历时一周，让我对平时课堂上学到的知识有更深入的理解。课程设计是对课本知识的综合应用，经过必要的分析比较从而进一步验证了课本上的知识。作为一个电气专业的学生，肯定知道电力电子技术在我们生活中的重要性，不论是在工业生产还是日常生活中都有广泛的应用。这学期我们主要学习了整流、变频电路。当看到我们组拿到的题目时，自己觉得是最简单的，但实际做起来的时候发现自己想的太简单了，有很多问题自己不了解，对课本上的知识掌握不够全面。在此次的设计过程中，我更进一步的熟悉了单相桥式全控桥整流电路的原理以及触发电路的设计。从做出框架到填充内容再到细部整改，可以说遇到了不少困难，但是可以学到很多的东西，不仅巩固了以前学过的东西，还锻炼了自己office、protel、cad等软件的操作能力。通过去图书馆、上网查资料、小组内讨论最终做出了自己的课程设计。这让我了解到最重要的是心态，只要充满信心遇到问题解决问题，就肯定会完成的。通过这次课程设计，我懂得了知识不是不劳而获的，是要付出汗水的。参考文献 黄俊，王兆安.电力电子变流技术3版，北京：机械出版社1993尹克宁.电力工程. 北京：中国电力出版社2008王兆安，张明陨。电力电子设备设计和应用手册2版北京：机械出版社2002王兆安，黄俊.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社，2000莫正康.半导体变流技术.北京：机械工业出版社，1999黄俊.半导体变流技术.第二版.北京：机械工业出版社，198018