单相桥式相控整流电路的设计文档.doc

湖南理工职业技术学院课程论文课程名称：电力电子技术论文题目：单相桥式相控整流电路的设计指导教师：曾小波专业班级：光电1122姓 名：文俊学 号：11完成时间：2013年 12 月 20 日 第1页共页一设计指标（一级标题 黑体4号字 首行缩进2字符）（一）设计目的 1.进一步掌握晶闸管相控整流电路的组成、结构、工作原理；2.重点理解触发电路和保护电路的功能、结构、工作原理；3.对所学专业知识综合性运用。（二）设计要求 1.根据课题正确选择电路形式；2.绘制完整电气原理图；3.详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元器件值；4.编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项。（三）设计内容 1.电路方案说明；2.主电路方案论证；3.触发电路及保护电路的选择；4.完整电路图分析。(四)设计参数1.单相桥式半控整流电路接电阻性负载；2.要求输出电压在0-198V连续可调；3.输出电流在2A以上；4.采用220V变压器降压供电。 第2页共页二主电路的设计（一）单相半波可控整流电路 电路简图如下：图3.1单相半波可控整流电路此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，晶闸管VT的移相角移相范围为180。但输出脉动大，变压器二次绕组中存在直流电流分量，造成变压器铁心磁化5。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。实际上很少应用此种电路。 第3页共页（二）单相全波可控整流电路电路简图如下：图3.2单相全波相控整流电路 此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，单相全波只需用2个可控器件，即只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，相应地，门极驱动电路也少2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍且绕组和铁心对铜、铁等材料的消耗比单相全控桥多6，加触发脉冲，VT1和VD4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VD4流回电源b端。当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1关断10。在u2负半周，仍在触发角处触发VT2和VD3，VT2和VD3导通，电流从电源b端流出，经VD3、R、VT2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，VT2关断。此后又是VT1和VD4导通，如此循环的工作下去，晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为222 U和22U。在u2负半周，仍在触发角处触发VT2和VD3，VT2和VD3导通，电流从电源b端流出，经VD3、R、VT2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，VT2关断。此后又是VT1和VD4导通，如此循环的工作下去，晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为222U和22U。整流电压平均值12为=pap21UoU2sintd(t)=Up2229.02cos1=+aU22cos1a+式（4-3）=0时，209.0UUUdd=。=0180时，0=dU。可见，角的移相范围为0180。向负载输出的直流电流平均值为dI=2cos1222ap+=RURUd=0.9U22cos11a+R式（4-4）晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即：2cos145.0212a+=RUIIddVT式（4-5）为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此需计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为VTI=pawwp)(sinU22122tdRt=pppaaRU-+2sin2122式（4-6）变压器二次电流有效值与输出直流电流有效值I相等，为：pappwwpa-+=aRUtdRtUII2sin21)(sin212222式（4-7）由上面的公式可知，不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为22IUS=（二）触发电路的设计单结晶体管触发电路晶闸管的触发电路有很多种形式，概括起来有直流触发电路、交流触发电路、相位触发电路几种，长江师范学院本科毕业设计.单相桥式相控整流电路的设计第8页共19页这里我采用的是相位触发电路13。具体的触发电路如图4.3所示，主要是利用RC回路控制触发信号的相位，通过改变RC的时间常数来改变触发相位。图4.3晶闸管相位式触发电路改变电位器RP的数值可以调节输出脉冲电压的频率。但是（RPR1）的阻值不能太小，否则在单结晶体管导通之后，电源经过RP和R供给的电流较大，单结晶体管的电流不能降到谷点电流之下，电容电压始终大于谷点电压，因此，单结晶体管就不能截止，造成单结晶体管的直通现象。选用谷点电流大一些的管子，可以减少这种现象。当然，（RPR1）的阻值也不能太大，否则充电太慢，使晶闸管的最大导通角受到限制，减小移相范围。一般（RPR1）是几千欧到几十千欧。单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度，主要决定于电容器放电的时间常数。R1或C太小，放电快，触发脉冲的宽度小，不能使晶闸管触发。因为晶闸管从阻断状态到完全导通需要一定时间，一般在10us以下，所以触发脉冲的宽度必须在10us以上。如选用C0.11uF，R1=250100，就可得到数十微秒的脉冲宽度。但是，若C值太大，由于充电时间常数（RP+R）C的最小值决定于最小控制角，则（RP+R）就必须很小，如上所述，这将引起单结晶体管的直通现象。如果R1太大，当单结晶体管尚未导通时，其漏电流就可能在R1上产生较大的电压，这个电压加在晶闸管的控制极上而导致误触发。一般规定，晶闸管的不触发电压为0.150.3V，所以上述电压不应大于这个数值。脉冲电压的幅度决定于直流电源电压和单结晶体管的分压比。如电源电压为20V，晶体管的分压比为0.5，则在单结晶体管导通时，电容器上的电压约为10V，除去管压降外，可以获得幅度为78V的输出脉冲电压。根据上述数据，输出脉冲的宽度和幅度都能满足触发晶闸管的要求。图4.3中的电阻R2是作温度补偿用的。因为在UPUBBUD的式中，分压比几乎不随温度而变，而UD将随温度上升而略有下降。这样，UP就要随温度而变，这是不希望的。当接入R2（及R1）后，UBB是由稳压电源的电压UZ经R2、RBB、R1分压而得，而RBB随温度上升而增大，因此在温度上升后，RBB增大，电流就减小，R1和R2上的压降也相应减小，UBB就增大一些，于是补偿了UD因温度上升而RE长江师范学院本科毕业设计.单相桥式相控整流电路的设计第9页共19页下降之值，从而使峰点电压UP保持不变。wt0Uowt0UoUowt0(a)(b)(c)图4.4晶闸管相位式触发电路波形图稳压管的作用是将整流电压u变换成梯形波（削去顶上一块，所谓削波），稳定在一个电压值UZ，使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周产生第一个脉冲（第一个脉冲使晶闸管触发导通后，后面的脉冲都是无用的）的时间不受交流电源电压波动的影响。图（b）中示出了单结晶体管触发电路中各处电压的波形。通过变压器将触发电路与主电路接在同一电源上，所以每当主电路的交流电源电压过零值时，单结晶体管上的电压UZ也过零值，两者同步。在UZ过零值时，单结晶体管基极间的电压UBB也为零。如果这时电容器上还有残余电压，必然要向R1放电，很快放掉，以保证电容器在每一半波之初从零开始充电。这样，才能使每半周产生第一个脉冲的时间保持不变，从而使晶闸管的导通角和输出电压平均值保持不变。长江师范学院本科毕业设计.单相桥式相控整流电路的设计第14页共19页(3)实际串入电抗器的电感量限制电流脉动时的实际电感量Lma=Lm-(2LB-LD)=3.06-20.0895-1.8=1.08（mH）式（512）输出电流连续的实际临界电感量Lla=Ll-(2LB-LD)=3.18-20.0895-1.8=1.2(mH)式（513）取较大者作为串入电抗器的电感量即1.2mH。(二)触发电路元件的选用1.可调电阻RP+RRP+R的阻值不能太小，否则会造成单结晶体管的直通现象。当然，（RPR）的阻值也不能太大，否则充电太慢，使晶闸管的最大导通角受到限制，减小移相范围。一般（RPR）是几千欧到几十千欧。在实际电路中RP为20K,R为1K2.电容C单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度，主要决定于电容器放大电的时间常数18。R1或C太小，放电快，触发脉冲的宽度小，不能使晶闸管触发。因为晶闸管从阻断状态到完全导通需要一定时间，一般在10uf以下，所以触发脉冲的宽度必须在10uf以上。若C值太大，由于充电时间常数（RP+R）C的最小值决定于最小控制角，则（RP+R）就必须很小，这将引起单结晶体管的直通现象。所以电容一般选用0.11uF,实际电路中选用了0.47uf。3.单结晶体管选用常用型号BT33F4.稳压管因脉冲电压的幅度决定于直流电源电压和单结晶体管的分压比。如电源电压为20V，晶体管的分压比为0.5，则在单结晶体管导通时，电容器上的电压约为10V，除去管压降外，可以获得幅度为78V的输出脉冲电压。根据上述数据，输出脉冲的宽度和幅度都能满足触发晶闸管的要求。所以稳压管可取稳压值19为18V，最大电流为5mA的2CW21J。5.整流二极管选用常型号1N4007长江师范学院本科毕业设计.单相桥式相控整流电路的设计第15页共19页6.变压器因稳压输出20V，这里选用220V转35V的变压器。（三）保护电路元件的选用201.电容的选择:C=(2.5-5)10-8IfIf=0.367IdId-直流电流值如果整流侧采用500A的晶闸管可以计算C=(2.5-5)10-8500=1.25-2.5F选用2.5F，1kv的电容器2.电阻的选择：R=(2-4)535/If=2.14-8.56选择10欧PR=1.5(pfv2fc)21012R/2Pfv=2u(1.5-2.0)长江师范学院本科毕业设计.单相桥式相控整流电路的设计第16页共19页总结通过本次设计对所学的专业知识进行了一个综合性运用。特别是电力电子技术方面。主要是运用晶闸管来代替普通二极管来整流，通过触发电路的输出电压去控制晶闸管的导通角，从而实现输出直流电压连续可调。此电路主要从主电路、触发电路、保护电路三个方面来设计。通过所学专业知识的分析、所查资料的了解和老师的指导。主电路采用带续流二极管的单相桥式半控整流电路。触发电路采用单结晶体管触发电路。保护电路采用过流、过压相结合的保护措施。设计出来的电路具有电路结构简单、工作可靠、实用性强等特点。在设计过程中遇到了很多棘手的问题。比如在主电路中核心元件晶闸管的工作原理,触发电路采用哪种方式更适合,保护电路采用哪种更有效,各元件的参数如何来正确的设定等等。但在通过自己的不断努力查阅资料和老师悉心指导下排出了种种困难完成了本次设计。在这次设计中，我不但收获知识，还收获了阅历，收获了成熟。在此过程中，我通过查阅大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考的能力、动手操作的能力，在其它各种能力上也都有了提高。更重要的是，在实践中学会了很多学习的方法。而这些是以后最实用的，受益匪浅。面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。长江师范学院本科毕业设计.单相桥式相控整流电路的设计第17页共19页参考文献1王兆安,黄俊.电力电子技术西安M.机械工业出版社,1999:3273.2黄俊,王兆安.电力电子变流技术M.北京:机械工业出版社,1994:4265.3赵良炳.现代电力电子技术基础M.北京:清华大学出版社,1995:1236.4赵妮娜.单相半控桥整流电路的改进J.科技信息,2000.5赵可斌,陈国雄.电力电子变流技术M.上海:上海交大出版社,1993:82143.6林渭勋.电力电子技术M.杭州:浙江大学出版社,1986:244267.7丁道宏.电力电子技术M.北京:航空工业出版社,1990:62114.8黄继昌.电子元器件应用手册M.人民邮电出版社,2004:1280.9范承志，王宇峰，林小蛾.单相整流电路输入正弦电流的控制方法J.电工电子技术杂志，2001.10纪文革，刘海燕电力电子整流电路的分析方法探讨J科技资讯，2007.11张风言.电子电路基础(第2版)M.北京；高等教育出版社，1995:34176.12王兆安，黄俊.电力电子技术（第4版）M.北京：机械工业出版社，2004:210243.13刘泉海.电力电子技术M.重庆大学出版社，2004:163197.14李雅轩.电力电子技术M.电子工业出版社，2004:242267.15孙江，张石，郭永贞.可控整流电路实验采用集成触发电路的改革J.电气电子教学学报，1999.16莫正康.晶闸管变流技术M.机械工业出版社，1991:132143.17王会群，邢学文.晶闸管变流技术M.冶金工业出版社，1998:3391.18孔凡才.晶闸管直流调速系统M.北京科学技术出版社，1995:118167.19张永生.电力半导体原理M.机械工业出版社，1988:6293.20张立，赵永,皱键.现代电力电子技术M.机械工业出版社,1993:4573.长江师范学院本科毕业设计.单相桥式相控整流电路的设计第18页共19页致谢本设计在肖扬老师的悉心指导下完成，肖老师在整个课题研究和论文撰写的过程中倾注了大量心血。各项工作在肖老师的悉心指导和关怀下得以顺利进行，并达到预期效果。特别是他们严谨治学的态度、一丝不苟的工作精神，以及对学生的严格要求，给我很深的启发，也必将对我以后的工作和学习产生较大的影响。在几年的学习中，我要向几年来一直默默支持我的家人致以深深的感谢！亲情总是激励着我勤奋学习，顺利完成我的学业和设计工作。最后，谨向所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们表达我最真挚的谢意和感激之情，同时向评阅论文和参加