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电气电子毕业设计论文
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毕业设计30单相可控整流电路设计,电气电子毕业设计论文
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辽 宁 工 业 大 学 电力电子技术 课程设计（论文） 题目： 单相可控整流电路设计 院（系）： 信息科学与工程学院 专业班级： 电气 042 学 号： 040303061 学生姓名： 秦丽娜 指导教师： 巴金祥 教师职称： 副教授 起止时间： 07-06-19 至 06-07-2 nts课程设计（论文）任务及评语 院（系）：信息科学与工程学院 教研室：电 气 042 学 号 040303061 学生姓名 秦丽娜 专业班级 电气 042 课程设计（论文）题目 单相 可控 整流电路 设计 课程设计（论文）任务 将单相 220V交流电转换为连续可调的直流电， 为 1台直流电动机供电。 设计的主要任务 包括： 1、 方案的经济技术论证。 2、 主电路设计。 3、 通过计算选择整流器件的具体型号。 4、 确定变压器变比及容量。 5、 确定平波电抗器。 6、 设计合适的 触发电路。 指导教师评语及成绩 成绩： 指导教师签字： 年 月 日 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 目 录 第 1章 课程设计目的与要求 . 1 1.1 课程设计目的 . 1 1.2 课程设计的预备知识 . 1 1.3 课程设计要求 . 1 第 2章 课程设计内容 . 2 第 3章 课程设计的考核 . 10 3.1 课程设计的考核要求 . 10 3.2 课程性质与学分 . 10 参考文献 . 10 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 1 第 1章 课程设计目的与要求 1.1 课程设计目的 “ 电力电子 技术”课程设计是在教学及实验基础上， 对课程所学理论知识的深化和提高。因此，要求学生能综合应用所学知识，设计出具有 电压可调 功能的 直流电源 系统，能够较全面地巩固和应用 本 课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌 整流电路 设计的基本方法。培养 学生 独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；培养分析、总结及撰写技术报告的能力。 1.2课程设计的预备知识 熟悉 电力电子技术 课程 、电机学课程 的相关知识 。 1.3 课程设计要求 按课程设计指导书提供的课题，根据第 下表 给出的基本要求及参数独立完成设计， 课程设计说明书应包括以下内容： 1、 方案的经济技术论证。 2、 主电路设计。 3、 通过计算选择整流器件的具体型号。 4、 确定变压器变比及容量。 5、 确定平波电抗器。 7、触发电路设计或选择。 8、 课程设计总结。 9、完成 4000字左右说明书，有系统电气原理图， 内容完整、字迹工整、图表整齐 规范 、数据详实。 设计技术参数 工作量 工作计划 1、 单相交流 220V电源。 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 100A。 4、 反电势负载， Em=100V。 5、要求工作电流连续。 1、 方案的经济技术论证。 2、主电路设计。 3、通过计算选择整流器件的具体型号。 4、确定变压器变比及容量。 5、确定平波电抗器 6、触发电路设计或选择。 7、绘制电路图。 第一周： 周一：收集资料。 周二 ： 方案论证 周 三： 主电路设计 。 周四： 理论计算 。 周五： 选择器件的具体型号 。 第二周： 周一： 确定变压器变比及容量 周二 ： 触发电路设计 周 三 ： 确定平波电抗器 。 周四 五：总结并撰写说明书。 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 2 第 2章 课程设计内容 2.1 方案经济论证 把交流电转换成单一方向、大小可调的直流电的过程，称为可控整流。可控整流技术是电力电子技术的基础，在生产、生活中应用极广。 用晶闸管组成的可控整流电路，在不影响工程计算精度的情况下，可将晶 闸管、二极管看作理想元件，即导通时正向压降与关断时漏电流以及管子的通断时间忽略不计。 单相可控整流电路的形式 主要有单相半波、单相全波 (又叫双半波 )、单相桥式 (又分单相全控桥和单相半控桥两种形式 )。 这里主要用单相桥式半控整流电路。 在单相半波可控整流电路中，变压器二次侧电压只有半个周期被利用，电能利用率不高。并且输出电压波形中谐波分量比较多，仅适用于对整流指标要求不高、容量较小的整流装置。 单相桥式可控整流电路用四只晶闸管分别接在四个桥臂上。 电路图（ a） 所示电路为单相半控桥式整 流电路，其中晶闸管 V3、 V4 的阴极连在一起，为共阴极接法，二极管 V1、V2阳极连在一起，为共阳极接法。 2.2 单相可控整流电路的设计 单相桥式 可 控整流电路 1电阻性负载 整流电路如图所示。桥式电路中晶闸管 VT1、 VT2 阴极为共阴极接法， VT3、 VT4 阳极为共阳极接法。共阴极接法的两只晶闸管即使同时触发，也只有阳极电位高的管子导通，另一只管子则承受反向电压。同理，共阳极接法的两只晶闸管即使同时触发，也只有阴极电位低的管子导通，另一只管子则承受反向电压。 在 电源 电压 u2的正半周中，晶闸管 VT2、 VT4 因承受 反向电压而关断， VT1、 VT3 承受正向电压，当 t 时，给其控制极加上触发脉冲， VT1、 VT3 便导通，负载 RL上得到 一个上正下负的电压，电流流通路径为 u2 (+) VT1 RL VT3 u2 (-) 。 在 电源 电压 u2的 负半周中 （下 +上）， VT2、 VT4被触发导通，负 载 RL也 得到 一个上正下负的电压，电流流通路径为 u2 (+) VT2 RL VT4 u2 (-)。 负载两端电压的波形如图中所示 ， ud是一个不完整的全波整流电压（阴影部分） 。变压器二次侧电流 i2 为正负缺角正弦波，平均电流为零，没有直流分量。对晶闸 管 VT1而言， VT1、 VT3 导通时， uT1 0； VT2、 VT4 导通时， uT1承受nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 3 全部反向电源电压，即 uT1 - u2。 各电量的计算公式： 同单相半波可控整流电路一样，只要改变控制角 的大小，便可调节输出直流电压 ud的大小。显然，与单相半波可控整流电路比较，它的输出电压的平均值可大一倍，即 2c o s19.0 2 UU d 电压的可控范围为 （ 0 0.9U2）。 输出电流的平均值为 2c os19.0 2 dddd RURUI单相桥式电阻性负载整流电路 0 t 22U 22U dugut t di0 t 1Tu 0 1t t 2u di du2i TRu 1 2i 2duVT1 VT2VT3VT4uR L(a)电路图 (b) 波形图 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 4 负载电流有效值 I与交流输入电流 I2相同为： 2s in21)()s in2(1 22022dd RUtdRtUII晶闸管承受的最大 正、 反向电压，均等于电源电压 u2的最大值（ 22U ），即 22UU TM 流过每个晶闸管和二极管的电流的平均值等于负载电流的一半，即 ddt II 21 有效值为 III T 2121 2 电路功率因数为： 2s in21c o s222 UUIUUISP当 0 1cos ，变压器二次测电流 i2波形没有畸变，为完整的正弦交流波形。 2电感性负载 单相桥式整流电路电感性负载电路如图所示。 TRu 1 2i 2duV T 1 V T 2V T 3V T 4udLdiR L(a) (b) 单相桥式可控整流电路电感性负载 (a) 电路图 (b) 波形图 在整流电路输出端串联一个电感量 L 足够大的平波电抗器，负载对外呈现感性，使得nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 5 负载电流 Id波形基本是水平直线，这时负载称为大电感负载。由于电感 Ld的作用，当电源电压 u2正半周过零开始变负时， L上感应电动势上（）下（ +），阻碍电流下降，只要 eL u2 (电源负电压 )，已经导通的晶闸管继续导通，负载两端出现负电压。直到触发 VT2、 VT4导通， VT1、 VT3承受反电压而关断。每只晶闸管导通角为 180 ，晶闸管电流 iT为底宽 180。高度 Id的矩形波，变压器二次侧电流 2i 为正负对称的矩形波无直流分量。输出电压 ud连续且有负值出现。 各电量计算公式如下： 输出电压平均值为 c o s9.0)(s in21 22 UttdUU d 输出电压 ud的移相范围为（ 0 90）。当 90时， ud波形的正负面积相等，输出电压平均值为零。 负载电流平均值为 c os9.0 2LLdd RURUI 式中，电阻 RL为负载 等效电阻。 负载电流有效值 I 与负载电流平均值 Id及变压器二次侧电流有效值 I2相同，即 add RUIII 2 晶闸管电流平均值为 ddT II 21 晶闸管电流有效值为 dT II 21 晶闸管承受的最大正反向电压 22UU TM 大电感负载时 id Id I，电流无交流分量所以谐波功率为零，大电感负载的有功功率等于直流功率。 c o s9.0 2 IUIUPP ddd 视在功率为 22 IUS 功率因数 c os9.0c os9.0c os222 IU IUSP nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 6 3. 带反电动势负载时的单相桥式 可 控整流电路 (1) 工作原理 当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。如图 (a)所示，下面着重分析反电动势一电阻负载时的情况。 当忽略主电路各部分的电感时，只有在 u2瞬时值的绝对值大于反电动势即 |u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。晶闸管导通之后， ud = u2， ,直至 | u2|=E， id 即降至 0使得晶闸管关断，此后 ud = E。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度 停止导电， ud和 id的波形如图 3 b)所示， 称为停止导电角。 在 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。 如图 (b) 所示 id 波形在一周期内有部分时间为 0的情况，称为电流断续。与此对应，若 id波形不出现为 0的情况，称为电流连续。当 时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当t= 时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为 ，即 = 。 负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。从图 ( b)nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 7 可看出，导通角 越小，则电流波形的底部就越窄。电流平均值是与电流波形的面积成比例的，因而为了增大电流平均值 ，必须增大电流峰值，这要求较多地降低反电动势。因此，当电流继续时，随着 Id的增大，转速 n（与反电动势成比例）降落较大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花。同时，对于相等的电流平均值，若电流波形底部越窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。 为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感，当 u2小于 E 时甚至 u2值变负时，晶闸管仍可导通。只要电感量足够大就能使电流连续，晶闸管每次导通 180o，这时整流电压 ud 的波形和负载电流 id 的波形与电感负载电流连续时的波形相同， ud的计算公式亦一样。针对电动机在低速轻载运行时电流连续的临界情况，给出 ud和 id波形如图 4所示。 为保证电流连续所需的电感量 L 可由下式求出： 式中， u2单位为 V； Idmin单位为 A； 是工频角速度； L为主电路总电感量，其单位为 H。 2.3 主电路中串入电抗器的电感量计算 使电动机在轻载下仍能维持电流连续的电感叫临界电感 L1(mH)，计算式为 （ 1） 式中， V2 为晶闸管整流电路交流侧相电压的有效值 (V)； ILmin 为使电流维持连续的最小 负载电流平均值 (A)； K1为和整流电路形式有关的系数， a为触发延迟角 (又叫移相角 )。 使电动机能够得到比较恒定的电压和电流的电感叫平波电感 LP(mH)，计算式为 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 8 （ 2） 式中， VLm为输出电压 VL中交变基波分量幅值 对于不同形式的整流电路， fL为整流电路输出电压脉动频率， IL 为输 出电流平均值(A)； Si为电流脉动系数，通常在三相整流电路中 SiLpao这样一来，电抗器的电感量要随负载电流的减小而增大，通过调节电抗器的空气隙，可同时满足两种情况。气隙增大，大电流时电抗器也不饱和。对限制电流脉动有利；气隙减小，小电流时电抗器的电抗值增大，对维持电流连续有利。如果计算结果 Lpa、 Lla 相近，则电抗器的电感量不随负载电流变化，此时的电抗器nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 9 统称为平波电抗器。电抗器的电感量的选取主要考虑满足最小电流时电流连续的需要。 2.4 触发电路的选择与设计 对于晶闸管来说，其触发脉冲主要作用 是决定晶闸管的导通时刻，同时还应提供相应的门极触发电压和门极触发电流。 所以向晶闸管控制极提供触发信号的电路 .对触发电路的基本要求 : 1.触发脉冲应有足够的电压和功率，触发电压或电流应大于晶闸管参数中的规定值。 2.触发信号的波形应有一定宽度、前沿要陡，能准确地控制晶闸管的导通，使整流输出电压波形均匀。 3.触发电路与主电路同步，有移相范围。触发电路都能在每个周期相同的控制角提供触发脉冲，并能触发相应晶闸管导通。对不同的整流电路类型和不同性质的负载，触发脉冲都能在规定的范围内移相，可以方便地调整输出电压的波 形和大小。 4.防止干扰与误触发 5.在触发脉冲发送之前 ,触发电路的输出电压应小于 0.15-0.2V. 6. 触发脉冲要有足够的宽度 在小功率的晶闸管可控整流电路中，常采用单结晶体管触发电路，如图 所示。在可控整流电路中，要求触发电路加到晶闸管上的触发脉冲必须与交流电源同步，即交流电压每次过零后，送到晶闸管控制极的第一个触发脉冲的时刻应该相同。 单结晶闸管的结构 单结晶体管 称基极二极管（简称 UJT），它是一种只有一个 PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，在高阻 N 型硅片的两端分别用欧姆接触引出两个基极 b1 和 b2。在硅片中间略偏 b2一侧用合金法制作一个 P区作为发射极 e。 单结晶体管的发射极与任一基极之间都存在着单向导电性 ，其结构、符号和等效电路如图 7.9 所示。 其中 Rb1和 Rb2分别为两个基极至 PN结之间的电阻。两基极之间的电阻 Rbb= Rb1 Rb2，一般约有 2 15 k 。 nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 10 udTS1RV T 1 V T 2VD2VD1UR 1edRRR3C2bbTR2i 2uugVu 结晶体管触发电路及波形 （ a） 电路图 （ b）波形图 图 中， 同步 变压器 TS、整流桥、电阻 R3、稳压管 V构成梯形波同步电压形成环节。同步变压器 TS 把主电路电压降低后经过整流桥得到全波电压，再经过由 V 与 R3组成的削波电路转换为梯形波 Ubb作为触发电路的同步电源。 (b)图中，当电源电压 u1过零时，梯形波Ubb也过零，单结晶体管的峰点电压 Up Ubb 0。 即使 电容 C 上的电压 uc 不为零值，就会通过单结晶体管的 e、 b1结对 R1放电，使迅速 uc下降至零，使电容 C 在电源每次过零后都从零开始重新充电，只要 R与 C的数值不变，则每半周由过零点到产生第一个脉冲的时间间隔是固定的。虽然在每个半周期内回产生多个脉冲，但只有第一个脉冲起到触发晶闸管的作用，一旦晶闸管被触发导通，后面 的脉冲不再起作用。 2.5参数的计算和器件的选择 单相桥式可控整流电路， 电 阻 负载，直接接到 单相交流 220V 电上 ，要求 整流输出电压 Ud在 0 110V连续可调。整流输出电流最大值 100A。反电势负载， Em=100V。 由公式计算 选择晶闸管应以电压、电流最大值考虑。控制角 0时电压、电流最大。 0时， VUU d 1 9 812 2 09.02c o s19.0 2 VEUU Mdd 98 RL nts辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 11 当电阻为 1.
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