110v50a单相半控桥式整流电路.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：110v/50a单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气111111 学学 号：号： 110303032 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：202013-12-26至至2014-01-06 本科生课程设计（论文） i 课课程设计（论文）任务及评语课课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：电气 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 110303032学生姓名专业班级电气111 设计 题目 110v/50a单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 直流电动机具有良好的启动性能和调速性能，在工业生产中获得广泛应用，本 次设计的目的是为 1 台额定电压 110v、功率为 5kw 的直流电动机提供直流可调电 源，以实现直流电动机的无级调速。 设计任务与要求设计任务与要求 1、对设计方案进行经济技术论证。 2、完成整流主电路设计。 3、通过计算选择整流器件的具体型号。 4、若采用整流变压器，确定变压器变比及容量。 5、确定平波电抗器的参数。 6、触发电路设计或选择。 7、绘制相关电路图。 8、在实验室进行模拟验证或 matlab 仿真。 9、完成 4000 字左右的设计说明书。 技术参数技术参数 1、交流电源：单相 220v。2、整流输出电压 ud在 0110v 连续可调。3、整流 输出电流最大值 50a。4、最小控制角取 20300左右。 工作计 划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：主电路设计； 第 5 天：选择器件；第 6 天：确定变压器变比及容量及平波电抗器参数；第 7 天： 触发电路设计；第 8 天：进行模拟验证或 matlab 仿真；第 9 天：总结并撰写说明 书；第 10 天：答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 本科生课程设计（论文） ii 摘 要 整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、 整流主电路和滤波器等组成。他在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、 电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20 世 纪 70 年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与 负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而 定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与 整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响） 。整流电路 的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电 路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路。 关键词：整流；变压；触发；晶闸管 本科生课程设计（论文） iii 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 电力电子技术概况 .1 1.2 本文研究内容 .1 第 2 章 单相半控桥式整流电路设计 .2 2.1 总体设计方案.2 2.2 具体电路设计 .3 2.2.1 主电路设计.3 2.2.2 触发设计.4 2.2.3 保护电路设计.6 2.3 元器件型号选择.9 2.4 主电路图 .10 2.5 系统调试或仿真、数据分析.10 第 3 章 课程设计总结 .12 参考文献 .13 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 电力电子技术概况 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子 技术和数字电子技术属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子 技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。目前所用的电 力电子器件采用半导体制成，故称电力半导体器件。信息电子技术主要用于信息 处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。电力电子技术的发展是以电力电子 器件为核心，伴随变换技术和控制技术的发展而发展的。 电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压场合 应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅因为它能够通过 大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。 为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开关方式。 这种开关运行方式就是电力电子器件运行的特点。 三相异步电动机因具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等优点， 而广泛应用在工业、农业、交通运输业、国防工业以及其他各行各业中。但它也 有明显的缺点，那就是起动转矩小，起动电流过大。这种情况对电机本身及周围 电网都有非常不利的影响。为了减小异步电动机起动过程中对电网的冲击、消除 传统降压起动设备的有级触点控制对异步电动机的冲击、改善异步电动机的起动 特性，本文对基于晶闸管调压软起动器进行讨论。 1.2 本文研究内容 本文通过对三相桥式可控整流电路的构成原理分析，完成设计一款三相桥式 可控整流电路实验装置。设计任务包括： 1 方便电力电子技术实验教学使用 2 使学生通过该装置测试、观察三相桥式可控整流的各个参数及波形 3 通过实验验证所学的理论知识 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 单相半控桥式整流电路设计 2.1 总体设计方案 普通稳压电源一般采用二极管整流，而本设计主要采用晶闸管，包括整流， 输出电压控制均采用。通常我们所用的电力主要有交流和直流，从公用网上所得 的电力是交流的，从蓄电池和干电池得到的电力是直流的。这些电源得到的电力 往往不能直接满足要求，需要进行电力变换，而普通的二极管并不能满足所有整 流的要求，因为它主要用于开关频率不高的整流电路中。当要求的电流和耐压值 很大时，这时就需要用上晶闸管。它不但开通时刻可以控制，而且各方面性能都 很可靠。本课设主要利用晶闸管的可控性，完成设计。 图 2.1 总设计方框图 各部分电路图作用 220v 交流输入部分作用:为电路提供电源，主要是市电输入。 桥式整流电路部分作用:将交流 220v 电源经过桥式整流变成直流电路转换为 可变的直流输出。 触发电路部分作用:形成触发脉冲使主电路触发 保护电路部分作用:保护电路。 输出直流电源部分作用:为电动机提供电源。 220v 交流输入桥式整流电路 触发电路 输出直流电源 保护电路 本科生课程设计（论文） 3 2.2 具体电路设计 2.2.1 主电路设计 在桥式整流电路中，晶闸管 vt1 和 vt4 组成一对桥臂，vt2 和 vt3 组成一对 桥臂。在 u2 正半周是，若四个晶闸管均不导通，流过电动机的电流为零，且电 动机两端电压为零，vt1 和 vt4 串联承受电压 u2，设 vt1 和 vt2 漏电阻相等，则 承受 u2 的一半。若在触发角处给 vt1 和 vt4 加触发脉冲， vt1 和 vt4 导通，电 流从电源 a 端经 vt1、vt4 流回电源 b 端。当 u2 过零时，流经晶闸管的电流也将 降到零，vt1 和 vt4 关断。 在 u2 负半周时，仍在触发角处触发 vt2 和 vt3，vt2 和 vt3 导通电流从电源 b 端流出，经 vt3、vt2 流回电源 a 端。到 u2 过零时，电流又降为零，vt2 和 vt3 关断。此后又是 vt1 和 vt4 导通，如此循环地工作下去。晶闸管承受的最大正向 电压和反相电压都为 2u2。2 整流电压平均值为 ud=0.9u2cos =0 时，ud =ud0=0.9u2 。= 时，ud =0。角的移相范围为 。 向负载输出的直流电流平均值为 id=u2/r=0.9u2/rcos 晶闸管 vt1、vt4、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 idvt=1/2id 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 ivt=0.707id 变压器二次电流有效值 i2 与输出直流电流有效值 i 相等，为 i=i2=id 当不考虑变压器的损耗时，变压器的容量为 s=u2*i2 同时该课设的变压器采 用多分接输出。 各部分电路图作用 220v 交流输入部分作用:为电路提供电源，主要是市电输入。 桥式整流电路部分作用:将交流 220v 电源经过桥式整流变成直流电路转换为 可变的直流输出。 触发电路部分作用:形成触发脉冲使主电路触发 保护电路部分作用:保护电路。 本科生课程设计（论文） 4 输出直流电源部分作用:为电动机提供电源。 主电路图如下图所示 图 2.2 主电路图 2.2.2 触发设计 （1）晶闸管触发电路 晶闸管触发电路应满足下列要求： 1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。 2）触发脉冲应有足够的幅度。 3）需要合适的电流、电压和额定功率。 本科生课程设计（论文） 5 4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。 图 2.3 触发电路图 （2）同步信号为锯齿波的触发电路 电路输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路） ，也可为单 窄脉冲。 三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。 此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。 脉冲形成环节 由晶体管 v4、v5 组成，v7、v8 起脉冲放大作用。 控制电压 uco 加在 v4 基极上。电路的触发脉冲由脉冲变压器 tp 二次侧输出， 其一次绕组接在 v8 集电极电路中。 脉冲前沿由 v4 导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数 r11c3 有 关。 锯齿波的形成和脉冲移相环节 锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等，本电路采 用恒流源电路。 恒流源电路方案由 v1、v2、v3 和 c2 等元件组成，其中 v1、vs、rp2 和 r3 为一恒流源电路 同步环节 触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且 相位关系确定。 锯齿波是由开关 v2 管来控制的，v2 开关的频率就是锯齿波的 频率由同步变压器所接的交流电压决定。v2 由导通变截止期间产生锯齿波 锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。v2 截止状态持续的时间 就是锯齿波的宽度取决于充电时间常数 r1c1。 本科生课程设计（论文） 6 双窄脉冲形成环节 内双脉冲电路：每个触发单元的一个周期内输出两个间隔 60的脉冲的电路。 v5、v6 构成一个“或”门，当 v5、v6 都导通时，v7、v8 都截止，没有脉冲输出。 只要 v5、v6 有一个截止，都会使 v7、v8 导通，有脉冲输出。 第一个脉冲由本 相触发单元的 uco 对应的控制角产生。隔 60的第二个脉冲是由滞后 60相位的 后一相触发单元产生（通过 v6） 。 在三相桥式电路图中,器件的导通次序为 vt1-vt2-vt3-vt4-vt5-vt6，彼此 间隔 60，相邻器件成双接通，所以某个器件导通的同时，触发单元需要给前一 个导通的器件补送一个脉冲。 锯齿波同步触发脉冲不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力 强，而且移相范围宽。 （所以我选取该触发器做设计。 ） 图 2.4 触发电路图 2.2.3 保护电路设计 保护电路的设计 在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计 采用合适的过电压、过电流、du/dt 保护和 di/dt 保护也是必要的。 过电压保护 电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内应过电压两类。 本科生课程设计（论文） 7 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括： （1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关 的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。 （2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括： （1）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结 束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复， 当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在 晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。 （2）关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正 向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到 定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，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。 为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。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 感与电容产生振荡示。 图 2.5 过电压保护 过电流保护 晶闸管承受过电流的能力很低，若过电流数值较大且时间较长，则晶闸管会 因热容量小而产生热击穿损坏。为了使晶闸管不受损坏，必须设置过流保护，使 本科生课程设计（论文） 8 晶交流侧自动开关或直流侧接触器跳闸。其动作时间约为 100200ms，因此只能 保护因机械过负载而引起的过电流，或在短路电流不大时，对晶闸管起保护作用。 （1）直流快速开关 对于大容量高功率经常容易短路的场合，可采用动作时间只有 2ms 的直流快 速开关。它的断弧时间仅有 2530ms，装在直流侧可有效的用于直流侧的过载保 护与短路保护。它经特殊的设计，可以先于快速熔断器熔断而保护晶闸管。但此 开关昂贵复杂，使用不多。 快速熔断器闸管在被损坏之前就迅速切断电流，并断开桥臂中的故障元件以 保护其他元件。晶闸管过流保护措施有以下几种。 （2）交流短路器 交流短路器的作用是当过电流超过其整定值时动作，切断变压器一次侧交流 电路，使变压器退出运行。短路器动作时间较长，约为 100200ms。晶闸管不能 在这样长的时间里承受过电流，故它只能作为变流装置的后备保护。 （3）进线电抗器 进线电抗器串接在变流装置的交流进线侧，以限制过电流。其缺点是有负载 时会产生较大的压降，增加了线路损耗。 （4）过电流继电器 （5） 过电流继电器可安装在直流侧或交流侧，在发生过电流时动作，使 熔断器是最简单有效的且应用普遍的过流保护器件。针对晶闸管的特点，专 门设计了快速熔断器，简称快熔。其熔断时间小于 20ms，能很快的熔断，达到保 护晶闸管的目的。 快熔的选择：快熔的额定电压 urn不小于线路正常工作电压的均方根值；快 熔的额定电流 irn应按它所保护的原件实际流过的电流的均方根值来选择，而不 是根据元件型号上标出的额定电流 it来选择，一般小于被保护晶闸管的额定有效 值 1.57it。快熔接法如右： 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， 本科生课程设计（论文） 9 因为它们流过同个电流因而被广泛使用。 图 2.6 过电流保护 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动作。 2.3 元器件型号选择 整流电压平均值为 ud=0.9u2cos =0 时，ud =ud0=0.9u2 。= 时，ud =0。角的移相范围为 。 向负载输出的直流电流平均值为 id=u2/r=0.9u2/rcos 晶闸管 vt1、vt4、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 idvt=1/2id 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 ivt=0.707id 变压器二次电流有效值 i2 与输出直流电流有效值 i 相等，为 i=i2=id 当不考虑变压器的损耗时，变压器的容量为 s=u2*i2 同时该课设的变压器采 用多分接输出。 变压器参数 要求电压在 0110v 连续可调，当 =0时， 。由公式 1ud得， ud=1.17cos： 则 u2=ud/0.9cos 得之：二次侧电压有效值 u2=122.22v，考虑到一定的裕量取 u2=130v。 单相交流电源，线电压线电压为 220v，则一次侧的有效值 u0=127v。变压 器变比 变压器变比 q=u0/u2=127/130=0.98 晶闸管参数 把 u2=130v ，ud=110v 代入公式可知最小控制角；把 u2=130v ，ud=0v 代 入公式可知最大控制角 晶闸管最大有效值：把最小控制角代入公式得 itmax 变压器容量 本科生课程设计（论文） 10 s=u2i2，把 u2、i2代入可知3 晶闸管额定电压 晶闸管电压定额（一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压 的 23 倍） un=(23)1.414u2 晶闸管额定电流 晶闸管通态平均电流 晶闸管额定电流 in=（1.52)ivt/1.57 2.4 主电路图 本科生课程设计（论文） 11 图 2.7 总电路图 2.5 系统调试或仿真、数据分析 工作原理 1)假定负载中电感足够大，负载电流id连续并近似为一条直线，在u2的 正半 周的值等于导通角的值t=时刻触发晶闸管vt1，则vt1， vd4导通，电流从电源 正端经vt1、负载、 vd4回到负端，负载两端整流电压ud= u2。 2）当u2进入负半周，而下一个触发脉冲尚未到来时，电感上的电流id经续流 二极管vd续流，负载两端整流电压ud=0。当触发vt3并导通时，续流二极管vd因受 到反压关断，负载电流从电源负端经过vt3、负载、 vd2回到正端，负载两端得 到整流电压ud=- u2。 3）当 u2在t大于一个周期的时间进入正半周而下一个触发脉冲尚未到来 时，电感上的电流 id又经续流二极管 vd 续流，如此循环工作。 本科生课程设计（论文） 12 图 2.8 仿真图 小结： 单相桥式半控整流电路接大电感负载时，流过晶闸管元件的平均电流与元件 的导通角成正比。当导通角为 120时，流过续流二极管和晶闸管的平均电流相 等。当小于 120时，流过续流二极管的平均电流比流过晶闸管的电流大，导通 角越小，前者大的越多。 本科生课程设计（论文） 13 第 3 章 课程设计总结 本课程设计是要求设计一个单相半控桥式整流电路为额定电压 110v、功率 为 5kw 的直流电动机提供直流可调电源，在设计过程中需要设计一个单相半控 桥式整流电路作为主电路，以及需要设计一个控制电路，同时还要有保护电路。 在总电路设计之后还需要进行 matlab 仿真实验。 在设计过程中先要设计一个桥式电路作为主电路。单相半控桥式整流电路的 设计需要用到晶闸管和电力二极管，相对于单相全控桥式整流电路来说，需要的 器件更加简单、经济，对于晶闸管的应用数量更少，但是相对去全控整流电路更 容易出现失控现象。对于单相半控桥式整流电路，需要一个控制电路，所以在主 电路设计完成之后就是对控制电路的设计，而本课程设计中所用到的是同步信号 为锯齿波的触发电路作为该设计中的控制电路。对于一个电