单相全波可控整流器的设计

课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 指导教师 指导教师 周 颖 工作单位 工作单位 自动化学院 题题 目目 单相全波可控整流器的设计 阻感负载 设计要求 设计要求 1 与负载有关的参数 额定负载电压 Ud 220V 额定负载电流 Id 10A 2 整流器的电源参数 电网频率为工频 50Hz 电网额定电压 U1 380V 电网电压波动 10 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 包括课程设计工作量及其技术要求 以及说明书撰写等具体 要求 1 触发电路的设计 要求对触发电路各器件的导通顺序进行说明 2 整流器主电路设计 包括负载电阻 R 的选择 晶闸管的选择 电流参数的选取和电 压参数的选取 负载电抗器的选择 3 保护电路的设计 保护系统是整流器的重要组成部分 其功能是在线检测装置各点 的电流 电压参数时 及时发现并切除故障的进一步扩大 保护电路设计要求保护过电 流 过电压和负载短路保护 以及抑制电压电流上升率 4 参数的计算和设定 5 应用举例 6 心得体会 时间安排 时间安排 月 日 日查阅资料 月 日 日方案设计 月 日 日馔写电力电子课程设计报告 月 日 日提交报告 答辩 指导教师签名 指导教师签名 年年 月月 日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 年年 月月 日日 目录目录 1 单相全波可控整流器的设计要求及基本分析 3 1 1 设计要求 3 1 2 基本原理分析 3 2 整流器主电路的设计及元件选择 4 2 1 整流器主电路的设计 4 2 2 负载电阻 R 的选择 6 2 3 晶闸管的选择 7 2 4 负载电抗器的选择 8 3 触发电路的设计 8 4 参数的设定和计算 9 4 1 参数的设定 9 4 2 参数的计算 9 5 保护电路的设计 10 5 1 过电压的产生及过电压保护 10 5 2 过电流保护 11 5 3 电流上升率 电压上升率的抑制保护 12 5 3 1 电流上升率 di dt 的抑制 12 5 3 2 电压上升率 dv dt 的抑制 13 6 电路仿真 13 7 应用举例 14 8 心得体会 15 9 参考文献 16 单相全波可控整流器设计 阻感负载 1 单相全波可控整流器的设计要求及基本分析 单相全波可控整流器的设计要求及基本分析 1 1 设计要求设计要求 由课程任务书可知单相全波可控整流器的设计要求如下 1 与负载有关的参数 额定负载电压 Ud 220V 额定负载电流 Id 10A 2 整流器的电源参数 电网频率为工频 50Hz 电网额定电压 U1 380V 电网电压波动 10 1 2 基本原理分析基本原理分析 单相全波可控整流电流也是一种实用的单相可控整流电路 又称单相双半波可控整 流电路 单相全波整流器系统结构图如图 1 所示 该电路主要由四部分构成 分别为电源 过电保护电路 整流电路和触发电路构成 输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路 保证电路出现过载或短路故障时 不至 于伤害到晶闸管和负载 在电路中还加了防雷击的保护电路 然后将经变压和保护后的 信号输入整流电路中 整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作 以发挥整流电路 的整流作用 在电路中 过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护 而过压保护则采用 RC 电路 这部分的选择主要考虑到电路的简单性 所以才这样的保护电路部分 整流部 分电路则是根据题目的要求 为单相全波可控整流电路 该电路的结构和工作原理是利 用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能 触发电路采用了单结晶体管直接触发 电路 单结晶体管直接触发电路的移相范围变化大 而且由于是直接触发电路它的结构 比较简单 从一方面方便了我们对设计电路中变压器型号的选择 单相交流电源 整流电路 过电保护电路 触发电路 阻感负载 图 1 系统总体结构框图 2 整流器主电路的设计及元件选择 整流器主电路的设计及元件选择 2 1 整流器主电路的整流器主电路的设计设计 单相全波可控整流电路的电路图如下图所示 图 2 单相全波可控整流器电路图 上图中 TR 为电源变压器 它的作用是将交流电网电压 Ul 变成整流电路要求的输入交 流电压 U2 R L 是系统要求的整流器的负载电阻和电感 在电源电压 Vin 正半周期间 晶闸管 VT1承受正向电压 晶闸管 VT2承受反压 若 在 t 时触发 VT1导通 电流经 VT1 阻感负载和 TR1 二次侧中心抽头形成回路 但由于大电感的存在 Vin 过零变负时 电感上的感应电动势使 TR1 继续导通 直到 VT2被触发时 VT1承受反向电压而截止 输出电压的波形出现了负值部分 在电源电压 u2 负半周期间 晶闸管 T2 承受正向电压 在 t 时触发 T2 导 通 T1反向则截止 负载电流从 T1 中换流至 T2中 在 t 2 时 电压 Vin 过零 T2因 电感 L 中的感应电动势一直导通 直到下个周期 T1 导通时 T3 T4因加反向电压才截止 当负载由电阻和电感组成时称为阻感性负载 例如各种电机的励磁绕组 整流输出端 接有平波电抗器的负载等等 单相全波可控整流电路带阻感性负载的电路如图 2 所示 由于电感储能 而且储能不能突变因此电感中的电流不能突变 即电感具有阻碍电流变 化的作用 当流过电感中的电流变化时 在电感两端将产生感应电动势引起电压降 UL 负载中电感量的大小不同 整流电路的工作情况及输出 Ud Id 的波形也不同 当负 载电感量 L 较小 即负载阻抗角 控制角 时 负载上的电流断续 当电感 L 增大时 负载上的电流断续的可能性就会减小 当电感 L 很大 且 Ld Rd时 这种负 载称为大电感负载 此时大电感阻止负载中电流的变化 负载电流连续 可看作一条水 平直线 值得注意的是 只有当 2 时 负载电流才连续 当 2 时 负载电流断续 而且输出电压的平均值均接近于零 因此这种电路控制角的移相范围是 0 2 各电量的波形图如图 3 所示 图 3 单相全波可控整流电路波形图 图 3 中第一个小图 CP1 是第一个晶闸管的触发脉冲 第二图是经变压器转换后的输 入电压 Vin 第三个图是阻感负载的输出电压 Vd 第四个图是流过晶闸管的的电流 I2 第五个图是负载的输出电流 Id 第六个图是晶闸管 VT1 所承受的电压 UvT 2 2 负载电阻负载电阻 R 的选择的选择 触发角 由设计要求可知 额定负载输出电压 Ud 220V Id 10A 0 0 90 0 由于有足够大的电感的作用 整流器输出电流连续 由 Ud Id R 可得 负载电阻 R Ud Id 22 2 3 晶闸管的选择晶闸管的选择 晶闸管的选择原则 cos9 0cos 22 sin2 1 222 UUttdUUd 所选晶闸管电流有效值ITn 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 5 2 倍的安全余量 即ITn 1 57 IT AV 1 5 2 ITM 负载电流连续时 整流电压平均值可按下式计算 输出电流波形因电感很大 平波效果很好而呈一条水平线 两组晶闸管轮流导电 一个周期中各导电 180 且与 无关 变压器二次绕组中电流i2的波形是对称的正 负 方波 负载电流的平均值Id和有效值I相等 其波形系数为 1 在这种情况下 当 0 时 Ud 0 9U2 当 90 时 Ud 0 其移相范围为 90 晶闸管承受的最大反压为 2U2 又额定负载输出电压Ud 220V 由Ud 0 9U22 可以得到 cos U2 Ud 0 9 244 44 cos cos 考虑到安全裕量 因此所选晶闸管的的额定电压为 Un 2 3 2U22 流过晶闸管的电流有效值为 Id 10 A 7 07A 因此所选晶闸管额定电流 IVT 22 电流 1 5 2 7 07A 10 605 14 14A IN 考虑到电网电压的 10 的波动 Ud最大为 220 1 10 242V 则U2 268 89 V cos 则Un 1521 07 2281 6 取时 Un 最小取为 1521 7 2281 6V cos cos 0o 2 4 负载电抗器的选择负载电抗器的选择 为了克服整流器输出的电流断续以及减少电流的脉动和延长晶闸管的导通时间 电 路中串入了一个平波电抗器 L 为保证电流的连续 电感必须要足够的大 为保证电流连 续所需的电感量 L 可由下式求出 L 2U2 2 87xU2 81mH2 I d w min 10 3 Id min 3 触发电路的设计 触发电路的设计 为了保证晶闸管电路能正常 可靠的工作 触发电路必须满足以下要求 触发脉冲应有足够的功率 触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值 并留有一 定的裕量 根据任务要求 由于整流器采用的是晶闸管 因此采用晶体管直接触发电路 此电路是同步信号为锯齿波的触发电路 输出可为一个宽脉冲 也可为双窄脉冲 以适 用于有两个晶闸管同时导通的电路 例如三相全控桥 本设计采用单窄脉冲 电路可分为三个基本环节 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 电路中还有强触发和双窄脉冲的形成环节 现重点介 绍脉冲形成 脉冲移相 同步等环节 移相触发是早期触发可控硅的触发器 它是通过调速电阻值来改变电容的充放电时 间再来改变单结晶管的振荡频率 实际改变控制可控硅的触发角 早期可控硅是依靠这 样改变阻容移相线路来控制 所为移相就是改变可控硅的触发角大小 也叫改变可控硅 的初相角 故称为移相触发线路 有可能用于 1 消除尖峰脉冲干扰 减少误触发 2 调整触发时间 符合电路需要 3 其他应用 本设计采用单结晶体管移相触发电路 如图 2 所示 由同步变压器副边输出 60V 的交流同步电压 经 VD1 半波整流 再由稳压管 V V2 进行削波 从而得到梯形波电压 其过零点与电源电压的过零点同步 梯形波 通过 R7 及等效可变电阻 V5 向电容 C1 充电 当充电电压达到单结晶体管的峰值电压 时 单结晶体管 V6 导通 电容通过脉冲变压器原边放电 脉冲变压器副边输出脉冲 同时由 于放电时间常数很小 C1 两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压 使 V6 关断 C1 再次充电 周而复始 在电容 C1 两端呈现锯齿波形 在脉冲变压器副边输出尖脉冲 在一个梯形波周期内 V6 可能导通 关断多次 但只有输出的第一个触发脉冲对晶闸管 的触发时刻起作用 充电时间常数由电容 C1 和等效电阻等决定 调节 RP1 改变 C1 的充 电的时间 控制第一个尖脉冲的出现时刻 实现脉冲的移相 控制 电位器 RP1 已装在面板上 同步信号已在内部接好 所有的测试信号都在面板上引出 单结晶体管触发电路的各 点波形如图所示 图 4 晶体管移相触发 电路图及各点输出波形 4 参数的设定和计算 参数的设定和计算 4 1 参数的设定参数的设定 设定触发角 L 足够大 分不考虑漏感 LB 和考虑漏感两种情况分析 45o 4 2 参数的计算参数的计算 1 没有漏感时 由 额定负载电压 Ud 220V 可得 cos9 0UU 2d 变压器二次侧输入电压 U2 345 7V 所以变压器的变比为 N1 N2 U1 U2 380 345 7 1 1 因为 Id 10A 则一次侧电流 I1 Id 1 1 9 09A 所以变压器的容量为 S U1 I1 380X9 09W 3454 2W 有功功率 P Ud Id 220 10W 2200W 功率因数 P S 2200 3454 2 63 7 由 2 3 中的分析可知 晶闸管的电流有效值为 Id 10 A 7 07A IVT 22 晶闸管的的额定电压为 Un 2 3 2U2 1382 76 2074 14 2 cos cos 所以 V 1955 52 2933 28V 晶闸管额定电流 1 5 2 7 07A 10 605 14 14A IN 2 有漏感时 其中为换相压降 UUU d2d cos9 0 Ud 对于单相全波电路 其中为变压器的漏感 XUBdId LB w XB 取定 则 30 XB 347 2V cos9 0 cos9 0 IUUdd2XUUBdd 又因为 UXI 2Bd 2 cos cos 即有 则换相重叠角 695 0 cos 73 90 o 5 保护电路的设计 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 驱动电路设计良好外 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 5 1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护 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 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 过 电压保护电路如图 5 所示 图 5 RC 阻容过电压保护电路图 5 2 过电流保护过电流保护 当电力电子电路运行不正常或者发生故障时 可能会发生过电流 当器件击穿或短 路 触发电路或控制电路发生故障 出现过载 直流侧短路 可逆传动系统产生环流或 逆变失败 以及交流电源电压过高或过低 缺相等 均可引起过流 由于电力电子器件 的电流过载能力相对较差 必须对变换器进行适当的过流保护 采用快速熔断器是电力电子装置中最有效 应用最广的一种的过流保护措施 过电 流保护电路如下图所示 图 图 6 过电流保护电路图 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 因为它们流过同 个电流 因而被广泛使用 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 5 3 电流上升率 电压上升率的抑制保护电流上升率 电压上升率的抑制保护 5 3 1 电流上升率电流上升率 di dt 的抑制的抑制 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 局部电流密度很大 然 后以 0 1mm s 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 其有效办法 是在晶闸管的阳极回路串联入电感 如下图 7 所示 图 7 串联电感抑制回路 5 3 2 电压上升率电压上升率 dv dt 的抑制的抑制 加在晶闸管上的正向电压上升率 dv dt 如果 t 过大 由于晶闸管结电容的存在而产 生较大的位移电流 该电流可以实际上起到触发电流的作用 使晶闸管正向阻断能力下 降 严重时引起晶闸管误导通 为抑制 dv dt 的作用 可以在晶闸管两端并联 R C 阻容 吸收回路 如图 8 所示 图 8 并联阻容抑制回路 6 电路仿真 电路仿真 仿真电路图如图 9 所示 仿真波形图如图 10 所示 图 10 仿真波形图 如上图所示 可知仿真出来的结果和理论上的波形基本形同 同时各所测电量的数 值符合题目要求 7 应用举例 应用举例 单相全波可控整流电路存在着两个明显的缺点 其一 单相全波整流电路中的变压 器带有中心抽头 结构复杂 而且变压器的利用率较低 其二 晶闸管所承受的的最大 反压是单相全控桥式整流电路的两倍 因此应用不是很广泛 但是有利于在低输出电压 的场合应用 直流稳压电源是一种将 220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置 它需要 变压 整流 滤波 稳压四个环节才能完成 如下图 11 所示 图 11 直流稳压电源的组成图 在直流稳压电源的设计中也可以应用单相全波可控整流器 整流器把电网输入交流 电变为直流电 再经滤波后 稳压器再把不稳定的直流变为所需的稳定直流 从而构成 一个直流稳压电源 在直流稳压电源的设计中 整流器主要是用来把高压交流输入整流 输出为脉动的低压直流输入 8 心得体会 心得体会 本次电力电子技术课程设计 让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中 并通过对知识的综合利用 进行必要的分析 比较 从而进一步验证了所学的理论知识 同时 本次课程设计也为我们以后的学习打下了良好的基础 指导我们在以后的学习 多动脑的同时 要善于自己去发现并解决问题 这次的课程设计 还让我知道了最重要 的是心态 在你拿到题目时会觉得困难 但是只要充满信心 就肯定会完成的 通过本次电力电子技术课程设计 我不仅加深了对课本专业知识的理解 同时增强 了自己的自学能力 因为平时上课时只知道被动地学习理论知识 而在此次课程设计中 让我们真正做到了自己动手查阅资料 完成设计 在此次的设计过程中 我更进一步地 熟悉了单相全波可控电路的原理以及其触发电路的设计 在这个过程中也并不是一蹴而 就的 我也遇到了各种的困难 但是通过查