单相桥式全控整流.doc

电力电子技术课程设计报告题 目： 单相桥式全控整流电路设计学 院： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 时 间： 目录第一章设计任务书 1第二章原理方框图及电路图设计 2第三章触发电路.主电路及保护电路的设计8第四章设计原理图及结果分析 12第五章Protel图及PCB板 27第六章实验心得 29第七章. 参考文献30第一章 设计任务书1.1设计任务和要求（1）设计任务1、 进行设计方案的比较，并选定设计方案；2、 完成单元电路的设计和主要元器件的选择；3、 完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择；4、 单相整流电路的主电路、触发电路的设计；5、 保护电路的设计；6、 撰写设计说明书；7、 利用MATLAB对自己所设计的单相整流电路进行仿真。（选做）（2）设计要求参考参数：整流变压器输出相电压为200V，负载中R5欧姆，要求输出电压为0100V，采用220V变压器降压供电。1.2 方案的选择单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析各种单相相控整流电路在带电阻性负载、电感性负载和反电动势负载时的工作情况。单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量，使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，表压气二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路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。第二章原理方框图及主电路设计21原理原理方框图如下所示： 图1整流电路主要由触发电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路接电阻性负载。22主电路设计221主电路原理图及其工作波形图2 主电路原理图及工作波形单相全控桥式整流电路带负载的电路如图1（a）所示。其中Tr为整流变压器，T1、T4、T3、T2组成a、b两个桥臂，变压器二次电压u2接在a、b两点，u2 = ,四只晶闸管组成整流桥。负载电阻是纯电阻Rd。当交流电源电压u2进入正半周期时，a端电位高于b端电位，两个晶闸管T1、T2同时承受正向电压，如果此时门极无触发信号，则两个晶闸管仍处于正向截止状态，其等效电阻远大于负载电阻Rd，电源电压u2将全部加在T1和T2上，uT1uT2=u2，负载上电压ud=0。在t=时，给T1和T2同时加触发脉冲，则两晶闸管立即触发导通，电源电压u2将通过T1和T2加在负载电阻Rd上。在u2正半周，T4和T3均承受反向电压而处于截止状态。由于晶闸管导通时管压降可视为零，则负载Rd两端的整流电压ud=u2。当电源电压u2降到零时，电流id也降为零，T1和T2截止。电源电压进入负半周时，b端电位高于a端电位，两个晶闸管T3、T4同时承受正向电压，在t=+时，同时给T3、T4加触发脉冲使其导通，电流经T3、Rd、T4、Tr 二次侧形成回路。在负载两端获得与正半周相同波形的整流电压和电流，这期间T1和T2均承受反向电压而处于截止状态。当u2由负半周电压过零变正时，T3、T4因电流过零而截止。在此期间T1、T2因承受反向电压而截止，ud、id又降为零。一个周期过后，T1、T2在t=2+时刻又被触发导通，依此循环。很明显，上述两组触发脉冲在相位上相差，这就形成了如图（b）(f)所示的波形图。由以上电路工作原理可知，在交流电源u2的正、负半周里，T1、T2和T3、T4两组晶闸管轮流触发导通，将交流电变成脉动的直流电。改变触发脉冲出现的时刻，即改变的大小，ud、id的波形和平均值大小随之改变。222整流电路参数计算1）整流输出电压的平均值可按下式计算= (1)为最小值时,=;为最大值时,=,所以单相全控桥式整流电路带电阻性负载时,的移相范围是。2）整流输出电压的有效值为= (2)3）整流电流的平均值和有效值分别为 (3)4)流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即 (4)流过每个晶闸管的电流有效值为 (5)5)晶闸管在导通时管压降ud=0，故其波形为与横轴重合的直线段；T1和T2加正向电压但触发脉冲没到时，4个晶闸管都不导通，假定T1和T2两晶闸管漏电阻相等，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于;T1和T2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，就把整个电压u2加到T1或T2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压为。223元器件选取由于单相桥式全控整流带电阻性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。1.晶闸管的主要参数如下：1）额定电压UTn通常取UDRM和URRM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 UTn （23）UTM UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 2）额定电流IT(AV) IT(AV) 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。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ITM M ITN,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， 、. 三者之间的关系：= = /2=0.5 (6) = (7)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Kf表示。 (8)额定状态下， 晶闸管的电流波形系数 (9)晶闸管承受最大电压为考虑到2倍裕量，取400V.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1.57 （1.52） 因为,则晶闸管的额定电流为=10A(输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至少应大于20A.在本次设计中我选用4个KP20-4的晶闸管. 若散热条件不符合规定要求时，则元件的额定电流应降低使用。3）通态平均管压降 UT(AV) 。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.41.2V。4）维持电流IH 。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般IH值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。5）门极触发电流Ig 。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。6）断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。7）通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。2.变压器的选取根据参数计算可知:变压器应选变比为2,容量至少为2.464KVA。224性能指标分析：整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的用整流输出电压的平均值表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的，称为纹波系数。1)整流输出电压平均值= (11)2)纹波系数纹波系数用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小,其值 (12)三 触发电路及主电路的设计触发电路设计触发电路在变流装置中所起的基本作用是向晶闸管提供门极电压和门极电流，使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。根据控制要求决定晶闸管的导通时刻，对变流装置的输出功率进行控制。触发电路是变流装置中的一个重要组成部分，变流装置是否能正常工作，与触发电路有直接关系，因此，正确合理地选择设计触发电路及其各项技术指标是保证晶闸管变流装置安全，可靠，经济运行的前提。3.1 对触发电路的要求 晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求:()、触发信号可为直流、交流或脉冲电压。()、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。 ()、触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。 ()、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。(5)、为使并联晶闸管能同时导通，触发电路应能产生强触发脉冲强触发电流幅值为出发电流的倍左右，脉冲前沿的陡度取为/us； 图3 理想的触发脉冲形式本实验中先用Pulse Generator 产生实验需要的脉冲，再用触发电路代替，使用比较器，当电路大于Constant中的电压值时，其值为1，当小于Constant中的电压值时，其值为0，从而产生一定距离的触发脉冲。设计图见设计原理中.3.2 主电路设计根据主电路原理图，应用Matlab/Simulink中的器件，设计出主电路，调节Constant中的电压值，从而改变触发角，从而改变ud, 根据要求电压值分别为0V，14V，28V，42V，60V，74V，88V,100V,从示波器读出各数值。3.3 保护电路分析1、过流保护过电流产生原因：、个别整流硅整流元件短路会造成同组其它完好整流元件过流。、负荷侧短路造成整个整流装置过载。、外部冲击耦合到整流回路也可造成整个装置过载。、可控硅元件控制脉冲失常，如触发角过小、失脉冲、误触发等都可能造成可控硅元件过流。(2)常用的过电流保护措施：、采用快熔保险。将快速熔断器与整流元件一对一串联，当整流元件出现故障时能有选择切断故障之路，而不影响完好之路工作。快熔保险结构简单，熔断时间快（10ms以内），保护范围广，在整流元件的过流保护中得到广泛应用。、对于大功率整流装置，快熔保险不能与整流装置的过载特性很好配合，需要在直流输出侧或在交流输输入侧加装快速过流继电器与快熔保险配合使用，才可是整流装置在全范围内得到有效保护。过流继电器动作跳闸时间应小与保护范围内整流元件允许过载的最短时间。2、过压保护(1)过电压产生的原因：.整流硅整流装置电流突变，交流回路中的电感元件因断电会产生过电压。、外部冲击耦合到整流回路也可产生过电压。(2)常用的过压保护措施：、阻容保护。利用电容器两端电压不能突变的特性，来限制过电压，效果不错。为了避免电容与回路中电感发生谐振，防止关断可控硅在再次导通时电容器向可控硅放电造成正向电流上升率超过通态电流临界上升率，因而引起元件损坏，通常要在电容回路串入适当的电阻，组成阻容过压保护。阻容过压保护可用在整流装置的交流侧、直流侧和整流元件本身两端限制过电压。、非线性电阻过压保护。阻容过压保护限制过压能力有限，利用非线性电阻（压敏电阻和硒堆）伏安特性，可构成过电压保护，尤其是用金属氧化锌压敏电阻构成的过压保护，它具有正反相同很陡的伏安特性。正常工作时的漏电流很小(1ma),故能耗很小。遇有过电压时，可通过数千安培的放电电流，因此，他抑制过电流能力极强，此外，它对浪涌电压反应也很快，本身的体积有很小。唯一的缺点就是持续平均功率太小（仅数瓦），如果正常工作电压超过它的额定电压，则压敏电阻会在很短时间内烧坏。压敏电阻可用在整流装置的交流侧、直流侧和整流元件本身两端限制过电压。3、电压上升率和电流上升率的限制(1)电压上升率过快的原因及危害：、可控硅元件换相时造成的电压波形缺口，是引起正向电压上升率过大的主要原因。、可控硅元件的正向电压上升率超过一定限度，即使没有控制脉冲，可控硅元件也回导通，造成整流桥失控，造成可控硅过流，使快熔熔断或可控元件损坏。(2)限制电压上升率过快的措施：、并联在可控硅元件两端的阻容保护，对电压上升率有一定的限制作用。、在整流装置各个支路串接电抗器，与阻容保护构成串联滤波回路，这样可以使可控硅原上的电压波变得平缓，使正向电压上升率降低至安全数值。(3)电流上升率过快的原因及危害：、正向电流上升率过快的主要原因是各种阻容吸收保护的放电电流过大造成的。、正向电流上升率过快会使可控硅控制极强烈发热，造成可控硅元件损毁。(4)限制电流上升率过快措施：、对于与可控硅元件直接并联的阻容保护，可适当牺牲过压保护的效果，通过增加电阻值，以减小电容放电电流。、对于其他原因造成的正向电流上升率过大，可通过每个支路串联电抗器的限流作用来抑制。、如果交流侧和直流侧的阻容保护的都采用整流式的阻容保护装置，自可大大的减小可控硅元件所承受的正向电流上升率第四章仿真实现及结果分析先用Pulse Generator产生需要脉冲，如图4所示 图4再用触发电路代替Pulse Generator，如图5所示 图5实验数据及结果分析 图6 图7输入平均电压（V）0142842607488100触发角180147.6133.6122.2109.51100291.383.6第一个值0166.6244.5262.3292.2305.1309.9308.1第二个值0-166.6-244.5-262.3-292.2-305.1-309.9-308.1当输出平均电压等于0V时，第一个出发角等于180，第二个触发角等于360，第一个脉冲图为见图8 图8第二个脉冲图为见图9 图9变压器两端的电压见图10 图10输出平均电压见图11 图11当输出平均电压为14V，第一个触发角为147.6，第二个触发角为327.6，第一个触发脉冲，见图12 图12第二个触发脉冲见图13 图13变压器两端的电压见图14图14电阻两端电压见图15图15当电阻改变为10欧时，两端的电压见图16 图16 改变电阻，其两端的电压波形为改变，说明图15正确晶匝管电压波形见图17 图17当平均电压为28V，第一个触发角为133.6，第二个触发角为313.6第一个触发脉冲见图18 图18第二个触发脉冲见图19 图19电阻两端的电压见图20 图20当电阻为10欧时，电阻改变时，其电压波形没变，说明图20正确 图21晶匝管的电压见图22 图22当整流电压为42V，第一个触发角122.2，第二个触发角为302.2第一个脉冲见图23 图23第二个脉冲见图24 图24电阻两端电压见图25 图25晶匝管电压见图26 图26当平均电压为60V，第一个触发角为109.5，第二个触发角为289.5第一个脉冲波见图27 图27第二个脉冲波形见图28 图28电阻两端电压见图29 图29当电阻变为10欧时，电压波形图30 图30当电阻改变时，波形一样，说明图29正确晶匝管电压见图31 图31当平均电压为74V,第一个触发角为100.2，第二个触发角为280.2第一个脉冲见图32 图32第二个脉冲见图33 图33电阻电压见图34 图34晶匝管电压见图35 图35当整流电压为88V,第一个触发角91.3，第二个触发角271.3第一个触发脉冲见图36 图36第二个触发脉冲见图37 图37电阻电压见图38 图38当电阻变为10欧时，其波形未改变见图39 图39晶匝管电压见图40 图40当整流电流为100V,第一个触发角为83.6，第二个为263.6第一个脉冲见图41 图41第二个脉冲见图42 图42电阻电压见图43 图43当电阻