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 200A单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路 院 系 院 系 专业班级 专业班级 学学 号 号 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 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气学院 教研室 学 号学生姓名专业班级 设计题目110V 200A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 直流电机具有良好的启动性能和调速性能 在工业生产中得到广泛的应用 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调速 设计任务设计任务 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 要求要求 1 1 文字在 4000 字左右 2 2 文中的理论分析与计算要正确 3 3 文中的图表工整 规范 4 元器件的选择符合要求 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0 110V连续可调 3 整 流输出电流最大值50A 4 直流电动机负载 5 根据实际工作情况 最小控 制角取20 300左右 进度计划 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 第 7 天 确 定平波电抗器 第 8 天 触发电路设计 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 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 2 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 本科生课程设计 论文 3 摘 要 单相桥式半控整流电路是电力电子电路中出现较早的一种整流电路 它的作 用是将交流电变成直流电供给直流用电设备 整流电路的应用十分广泛 例如直 流电动机 电镀 电解电源 同步发电机励磁 通信系统等 本次的课程设计是要完成单相桥式半控整流电路的设计 以及他的工作原理 电路的元件的选择和定量计算 单相桥式半控整流电路的负载性质对整流的影响 以及主电路的设计 触发电路的设计 还有保护电路的设计 设计目的是为 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 因为是设计桥式半控整流电路 因此在电路中会用到晶闸管和二 极管 此外 根据设计要求还要用 MATLAB 对所设计的单相桥式半控整流电路 进行建模并仿真 得到电压和电流的波形 在单相桥式半控整流电路中 每一个导通回路中有一个晶闸管和一个二极管 所以是半控的 该电路在实际应用中需要加续流二极管 以避免发生的失控现象 关键词 整流电路 桥式电路 晶闸管 半控 本科生课程设计 论文 4 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 单相半控桥式整流电路技术概况 1 1 2 本文设计内容 2 第 2 章 单相半控桥式整流电路电路设计 3 2 1 单相半控桥式整流电路总体设计方案 3 2 2 具体电路设计 5 2 2 1 主电路设计 5 2 2 2 触发电路设计 6 2 2 3 保护电路设计 8 2 3 元器件型号选择 10 2 4 MATLAB 仿真实验 13 第 3 章 课程设计总结 1 参考文献 2 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 单相桥式半控整流电路技术概况 电力电子学 又称功率电子学 Power Electronics 它主要研究各种电力电 子器件 以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或设置 以完成对电 能的变换和控制 电力电子学是横跨 电子 电力 控制 三个领域的一个新 兴工程技术学科 随着科学技术的日益发展 人们对电路的要求也越来越高 由于在生产实际 中需要大小可调的直流电源 而相控整流电路结构简单 控制方便 性能稳定 利用它可以方便地得到大 中 小各种容量的直流电能 是目前获得直流电能的 主要方法 得到了广泛的应用 但是晶闸管相控整流电路中随着触发角的增 大 电流中谐波分量相应增大 因此功率因数很低 把逆变电路中得 PWM 控制 技术用于整流电路 就构成了 PWM 整流电路 通过对 PWM 整流电路的适当控 制 可以使其输入电流非常接近正弦波 且输入电压同相位 功率因数近似为 1 这种整流电路称为高功率因数整流器 它具有广泛的应用前景 由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域 利用 半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制 而构成的一 门完整的学科 故其学习方法与电子技术和控制技术有很多的相似之处 单相桥式整流电路是一种相对重要的整流电路 把交流电能转换成直流电能 的一种桥式整流电路 它可以应用到很多的地方 在许多的元器件中都有用到 范围广泛 本科生课程设计 论文 2 1 2 本文研究内容 课程设计内容是设计一个单相半控桥式整流电路为 1 台额定电压 110V 功 率为 5kW 的直流电动机提供直流电源 其中交流电源为单相 220V 整流输出电 压在 0 110V 连续可调 整流输出电流最大值 50A 同时根据实际工作情况 d U 最小控制角取 20 300左右 因此本文需要研究的是设计一个主电路 控制电路 保护电路组成的总电路 以及要进行 MATLAB 仿真实验 其中主电路是要设计 一个单相半控桥式整流电路 控制电路是要同步信号为锯齿波的触发电路 而保 护电路需要过电压保护和过电流保护两种 本科生课程设计 论文 3 第 2 章 单相半控桥式整流电路设计 2 1 单相半控桥式整流电路总体设计方案 单相半控桥式整流电路总体设计框图如图 2 1 所示 图 2 1 总电路整体框图 220V 交流输入部分是主要是由市电输入 为电路提供电源 桥式整流部分 是将 220V 电源经过桥式整流将之前输入的交流电整流变换成直流电输出 脉冲 宽度调节即调节触发脉冲的宽度改变直流输出电压的大小 最后由输出直流电源 部分为电动机提供电源 总电路由主电路 触发电路 保护电路三部分组成 其电路图如图 2 2 所示 200V 交流输入桥式整流电路 脉冲宽度调节 输出直流电源 本科生课程设计 论文 4 图 2 2 总电路图 本科生课程设计 论文 5 2 2 具体电路设计 2 2 1 主电路设计 在单相式全控桥式整流电路中 每一个导电回路中有两个晶闸管 即用两个 晶闸管同时导通以控制导电的回路 实际上为了对每个导电回路进行控制 只需 一个晶闸管就行 另一个晶闸管可用二极管代替 从而简化整个电路 如图 2 3 所示 图 2 3 单相桥式半控整流电路 图 2 4 单相桥式半控整流电路波形图 本科生课程设计 论文 6 与全控桥时相似 假设负载中得电感很大 且电路已工作在稳态 在正 2 u 半周 触发角处给晶闸管加触发脉冲 经和向负载供电 过 1 VT 2 u 1 VT 4 VD 2 u 零变负时 因电感作用是电流连续 继续导通 但因 a 点电位低于 b 点电位 1 VT 是得电流从转移至 关断 电流不再流经变压器的二次绕组 而是 4 VD 2 VD 4 VD 由和续流 此阶段 忽略器件的通态压降 则 0 不像全控桥时出现 1 VT 2 VD d U 为负的情况 d U 在的负半周触发角时刻触发 导通 则向加反压使之关断 2 u 3 VT 3 VT 1 VT 经和向负载供电 过零变正时 导通 关断 VT3 和续 2 u 3 VT 2 VD 2 u 4 VD 2 VD 4 VD 流 又为零 此后重复以上过程 d U 2 2 2 触发电路设计 本课设采用的触发电路为相位控制晶闸管的触发电路 并以同步信号为锯齿 波的触发电路作为控制电路 如图 2 5 所示 此电路可分为六个基本环节 脉冲 的形成与放大 锯齿波的形成和脉冲移相 同步环节 双窄脉冲形成环节 强触 发环节 封锁环节 本课设主要以脉冲形成 脉冲移相 同步作介绍 图 2 5 触发电路 1 脉冲形成环节 脉冲形成环节由晶体管 组成 起脉冲放大作用 控制电压 4 V 5 V 7 V 8 V 本科生课程设计 论文 7 Uco 加在基极上 电路的触发脉冲由脉冲变压器 TP 二次侧输出 其一次绕组 4 V 接在集电极电路中 8 V 当 Uco 0 时 截止 电源通过供给一个足够大的基极电流 使 4 V 1 E 11 R 5 V 饱和导通 所以的集电极电压接近于 处于截止状态 无脉 5 V 5 V 5c U 1 E 7 V 8 V 冲输出 另外 电源的 15V 经 发射结到 15V 对电容充 1 E 9 R 5 V 1 E 3 C 电 充满后电容两端电压接近 2 30V 1 E 当控制电压 Uco 0 7V 时 导通 A 点电位由 15V 迅速降低至 4 V 1 E 1 0V 左右 由于电容两端电压不能突变 所以基极电位迅速降至约 2 3 C 5 V 1 E 30V 由于发射结反偏置 立即截止 它的集电极电压由 15V 迅速 5 V 5 V 1 E 上升到 3 1V 三个 PN 结正向压降之和 于是 导通 输出 6 VD 7 V 8 V 7 V 8 V 触发脉冲 同时 电容经电源 放电和反向充电 使基 3 C 1 E 11 R 4 VD 4 V 5 V 极电位又逐渐上升 直到 15V 又重新导通 这时又立即降 5b U 1 E 5 V 5c U 到 使 截止 输出脉冲终止 可见 脉冲前沿由导通时刻确定 1 E 7 V 8 V 4 V 或 截止持续时间即为脉冲宽度 所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数 5 V 6 V 有关 11 R 3 C 2 锯齿波的形成和脉冲移相环节 锯齿波的形成和脉冲移相环节中 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 如图所示为恒流源电路方案 由和等元件组 1 V 2 V 3 V 2 C 成 其中 和为一恒流源电路 1 V s V 2 RP 3 R 3 同步环节 在锯齿波同步的触发电路中 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 从图可知 锯齿波是由开关管来 2 V 控制的 由导通变截止期间产生锯齿波 截止状态持续的时间就是锯齿波的 2 V 2 V 宽度 开关的频率就是锯齿波的频率 要使触发脉冲与主电路电源同步 使 2 V 的开关频率与主电路电源频率同步就可达到 图中的同步环节 是由同步变压 2 V 器 TS 和作同步开关用的晶体管组成的 同步变压器和整流变压器接在同一电 2 V 源上 用同步变压器的二次电压来控制的通断作用 这就保证了触发脉冲与主 2 V 电路的电源同步 同步变压器二次电压经二极管间接加在的基极上 当二次电压波形 TS u 1 VD 2 V 在负半周的下降段时 导通 电容被迅速充电 因 O 点接地为零电位 R 1 VD 1 C 点为负电位 Q 点电位与 R 点相近 故在这一阶段基极为反向偏置 截止 2 V 2 V 在负半周的上升段 电源通过给电容反向充电 为电容反向充电波形 1 E 1 R 1 C Q u 其上升速度比波形慢 故截止 当 Q 点电位达 1 4V 时 导通 Q 点电 TS u 1 VD 2 V 位被钳位在 1 4V 直到 TS 二次电压的下一个负半周到来时 重新导通 1 VD 本科生课程设计 论文 8 迅速放电后又被充电 截止 如此周而复始 在一个正弦波周期内 包 1 C 2 V 2 V 括截止与导通两个状态 对应锯齿波波形恰好是一个周期 与主电路电源频率和 相位完全同步 达到同步的目的 可以看出 Q 点电位从同步电压负半周上升段 开始时刻到达 1 4V 的时间越长 截止时间就越长 锯齿波就越宽 可知锯齿 2 V 波的宽度是由充电时间常数决定的 1 R 1 C 2 3 保护电路设计 电力电子系统在发生故障时可能会发生过流 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便 检测开关器件的 电流 电压 保护主电路中得开关器件 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 例如 R C 阻容吸收回路 限流电感 快速熔断器 压敏电阻等 再 一种则是采用电子保护电路 检测设备的输出电压或输入电流 当输出电压或 输入电流超过允许值时 借助整流触发控制系统使整流桥式电路短时间内工作 于有源逆变工作状态 从而抑制过电压或过电流的数值 2 3 1 过电流保护 当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路 驱动 触发电路或控制电 路发生故障 外部出现负载 直流侧短路 可逆传动系统产生逆变失败 以及交 流电源电压过高或过低 均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流 即 出现过电流 因此 必须对电力电子装置进行适当的过电流保护 采用快速熔断器作过电流保护 如图 2 6 所示 熔断器是最简单的过电流保 护元件 但最普通的熔断器由于熔断特性不适合 很可能在晶闸管烧坏后熔断器 还没有熔断 快速熔断器有较好的快速熔断特性 一旦发生过电流可及时熔断起 到保护作用 最好的办法是晶闸管元件上直接串快速熔断器 因流过快速熔断器 电流和晶闸管的电流相同 所以对元件的保护作用最好 这里就应用这一方法 图 2 6 过电流保护电路 本科生课程设计 论文 9 2 3 2 过电压保护 设备在运行过程中 会受到交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的 侵袭 同时 设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现 过电压保护的一种方法是并接 R C 阻容吸收回路 以及用压敏电阻等非线性 元件加以抑制 如图 2 7 所示 图 2 7 过电压保护电路 电流上升率 电压上升率的抑制保护 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 局部电流很大 然后以一定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 有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感 如图 2 8 所示 图 2 8 电流上升率抑制保护电路 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 于晶闸管接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 本科生课程设计 论文 10 的作用 使晶闸管正向阻断能力下降 严重时引起晶闸管的误导通 有效办法可 以在晶闸管两端并联 R C 吸收回路 如图 2 9 所示 图 2 9 R C 吸收回路 2 4 元器件型号选择 单相桥式半控整流电流 阻感负载 与单相全控桥式整流电路的电阻负载时 的工作情况相同 直流输出电压平均值 2 cos1 9 0 sin2 1 22 UttUUd 直流输出电流平均值 2 cos1 9 0 R U R U I dd d 流经晶闸管的电流有效值 2sin 2 1 2 sin 22 2 1 22 R U tdt R U IVT 变压器二次有效值 2sin 2 1 sin 22 1 22 2 R U tdt R U I 参数计算 ddI UP 出 4 2 2 出 P U R d 输出电流平均值 本科生课程设计 论文 11 A V R U I d d 8 45 4 2 110 流过晶闸管电流有效值 A R U tdt R U IVT9 482sin 2 1 2 sin 22 2 1 22 变压器二次侧电流有效值 A R U tdt R U I1 692sin 2 1 sin 22 1 22 2 器件选择 晶闸管的额定电流 AA I I VT N 2 62 7 46 2 5 1 57 1 这里取 2 倍安全电流储备 并考虑晶闸管元件的额定电流 所以选择额定电 流为 100A 的晶闸管 晶闸管的额定电流 VVUUN 4 933 3 622 3 2 2 2 这里取 3 倍安全电压储备 并考虑晶闸管元件的额定电压 所以选择额定电 压为 1000V 的晶闸管 通过在网上查询的资料显示 额定电压为 1000V 和额定电流 100A 的参数的 晶闸管可以出自同一种型号的晶闸管 保护电路的晶闸管阻容吸收的计算表格如表 2 1 所示 保护电路阻容吸收网络的电阻大小为 20 欧姆 电容为 0 25 uF 表 2 1 阻容吸收计算表格 IT AV 1000500200100502010 电容 F210 50 250 21 150 1 电阻 2510204080100 2 5 MATLAB 仿真实验 启动 MATLAB 打开 Simulink 新建文件 根据单相桥式半控整流电路所需 的元器件添加相应的控件并连线 完成仿真图的绘制 绘制完成后的仿真图如图 2 10 所示 本科生课程设计 论文 12 图 2 10 单相半控桥式整流电路的 MATLAB 仿真图 由前面的计算我们已经知道 当触发角从 0 连续变化到 1800时 对应的直 流输出电压逐渐变小 图 2 11 2 12 2 13 2 14 分别给出了控制角 为 0 450 900 1800时的仿真波形图 从上到下的分别是电源电压 U 晶闸管 VT1 的触发脉冲 P1 晶闸管 VT3 的触 发脉冲 P2 流经晶闸管 VT1 的电流 Id1 流经晶闸管 VT3 的电流 Id2 输出电压 Ud 的波形 所产生的波形与理论波形相同 符合设计要求 本科生课程设计 论文 13 图 2 11 触发角 0 时的仿真波形 图 2 12 触发角 450时的仿真波形 本科生课程设计 论文 14 图 2 13 触发角 900时的仿真波形 图 2 14 触发角 1800时的仿真波形 本科生课程设计 论文 1 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 本课程设计主要是单相半控桥式整流电路的工作原理 包括 电路中开关器 件的通断状态以及交流电源电压的波形和负载的性质 分析其输出的直流电压 电路中各元器件的电压和电流波形 单相半控桥式整流电路基本数量关系 包括 输出的平均电压 平均电流 晶闸管承受的最大正向电压和反向电压 流过晶闸 管的电流 电压的有效值 导通角的范围 单相半控桥式整流电路负载对整流的 影响包括感性负载 容性负载 阻性负载 在选择器件时最重要的是掌握其基本特性 工作原理 主要参数以及使用中 注意的问题 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