单相桥式可控整流电路课程设计

1、目 录1 设计方案选择及论证 2 1.1 设计任务和要求 2 1.2 总体方案的选择和确定 21.3整流电路方案的确定 32. 系统总体设计 4 2.1系统原理方框图 42.2主电路设计 53. 驱动电路和保护电路的设计 7 3.1触发电路 73.2保护电路的设计 94 元器件和电路参数计算 11 4.1元件选取 -晶闸管(SCR 11 4.2晶闸管的选型 15 4.3整流变压器额定参数计算 154.4设计结果分析 165 系统调试与仿真 166 设计总结 22参考文献1.设计方案选择及论证1.1 设计任务和要求本次设计的任务是设计一个单相桥式全控整流电路。 确定设计总体方案, 通 过总体方案

2、来设计各个单元电路, 如触发电路、 保护电路等; 根据要求计算参数, 包括触发角的选择,输出平均电压,输出平均电流,输出有功功率计算;输出波 形分析,器件额定参数确定等;完成这些后,将各个单元电路衔接起来,并完成 主电路的设计;然后再用 MATLAB 软件仿真调试。单相桥式全控整流电路的设计要求为:(1电网供电电压为单相 220V ;(2变压器二次侧电压为 110V ;(3输出电压连续可调,为 0100V ;(4带阻感性负载:L=1000mH, R=1001.2 总体方案的选择与确定单相桥式带阻感负载整流电路可分为单相桥式带阻感负载相控整流电路和 单相桥式带阻感负载半控整流电路, 它们所连接的

3、负载性质不同就会有不同的特 点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。单相半控整流电路的优点是:线路简单、调整方便。弱点是:输出电压脉动 冲大,负载电流脉冲大(电阻性负载时,且整流变压器二次绕组中存在直流分 量 , 使铁心磁化,变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉 动小, 功率因数高, 变压器二次电流为两个等大反向的半波, 没有直流磁化问题, 变压器利用率高的优点。单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路 2倍, 在相同的负载下 流过晶闸管的平均电流减小一半;且功率因数提高了一半。单相半波相控整流电路因其性能较差, 实际中很少采用, 在中小功率场合采 用

4、更多的是单相全控桥式整流电路。根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路 (负载为阻感性负载 。1.3 整流电路方案的确定 单相整流器的电路形式是各种各样的, 整流的结构也是比较多的。 因此在做 设计之前我们主要考虑了以下几种方案: 方案一:单相桥式半控整流电路 电路简图如下:图 1.1 单相桥式半控整流电路图对每个导电回路进行控制, 相对于全控桥而言少了一个控制器件, 用二极管 代替,有利于降低损耗!如果不加续流二极管,当 突然增大至 180°或出发脉 冲丢失时, 由于电感储能不经变压器二次绕组释放, 只是消耗在负载电阻上, 会 发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的

5、情况,这使 ud 成为正弦半波,即 半周期 ud 为正弦, 另外半周期为 ud 为零, 其平均值保持稳定, 相当于单相半波 不可控整流电路时的波形, 即为失控。 所以必须加续流二极管, 以免发生失控现 象。方案二:单相桥式全控整流电路 电路简图如下: 图 1.2 单相桥式全控整流电路电路图此电路对每个导电回路进行控制, 无须用续流二极管, 也不会失控现象, 负 载形式多样,整流效果好,波形平稳,应用广泛。变压器二次绕组中,正负两个 半周电流方向相反且波形对称, 平均值为零, 即直流分量为零, 不存在变压器直 流磁化问题,变压器的利用率也高。 方案三:单相全波可控整流电路电路简图如下: 图 1.

6、3 单相全波可控整流电路图此电路变压器是带中心抽头的, 结构比较复杂, 只要用 2个可控器件, 单相 全波只用 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。 不存在 直流磁化的问题,适用于输出低压的场合作电流脉冲大(电阻性负载时,且 整流变压器二次绕组中存在直流分量 , 使铁心磁化,变压器不能充分利用。而单 相全控式整流电路具有输出电流脉动小, 功率因数高, 变压器二次电流为两个等 大反向的半波, 没有直流磁化问题, 变压器利用率高的优点。 相同的负载下流过 晶闸管的平单相全控式整流电路其输出平均电压是

7、半波整流电路 2倍, 在均电流 减小一半;且功率因数提高了一半。根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路 (负载为阻感 性负载。综上所述,针对他们的优缺点,我们采用方案二,即单相桥式全控整 流电路。2.系统总体设计2.1系统原理方框图系统原理方框图如 2.1所示:整流电路主要由驱动电路、 保护电路和整流主 电路组成。 根据设计任务, 在此设计中采用单相桥式全控整流电路接电阻性负载。 图 2.1 系统整体设计框图2.2 主电路设计负载中电感量的大小不同,整流电路的工作情况及输出 U d 、 i d 的波形具有 不同 的特点。当负载电感量 L 较小(即负载阻抗角 ,控制角 时,负 载

8、上的电流不连续;当电感 L 增大时,负载上的电流不连续的可能性就会减小; 当电感 L 很大,且 L d R d 示时,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。在电源电压 u 2 正半周期间, 晶闸管 T 1 、 T 2 承受正向电压,若在 t=时 触发, T 1 、 T 2 导通,电流经 T 1 、负载、 T 2 和 T r 二次形成回路,但由于大电感的 存在, u 2 过零变负时, 电感上的感应电动势使 T 1 、 T 2 继续导通, 直到 T 3、 T 4 被 触发时, T 1 、 T 2 承受反向电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分

9、。 在电源电压 u 2 负半周期间,晶闸管 T 3、 T 4 承受正向电压,在 t=+时触发 , T 3、 T 4 导通, T 1 、 T 2 反向则制,负载电流从 T 1 、 T 2 中换流至 T 3、 T 4中。在 t=2时,电压 u 2过零, T 3、 T 4因电感中的感应电动势一直导通,直到下个周期 T 1 、 T 2 导通时, T 3、 T 4因加反向电压才截值得注意的是,只有当 =/2时,负载电流才连续,当 /2时,负载电 流不连续, 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。 图 2.2 整体电路原理图在生产实践中, 除了电阻性负载外, 最常见

10、的负载还有电感性负载, 如电 动机的励磁绕组, 整流电路中串入的滤波电抗器等。 为了便于分析和计算, 在 电路图中将电阻和电感分开表示。当整流电路带阻感性负载时,整流工作的物理过程和电压、 电流波形都与 带电阻性负载时不同。 因为电感对电流的变化有阻碍作用, 即电感元件中的电流 图 2.3 单相全控桥式整流电路阻感性负载及其波形(a.电路; (b.电源电压; (c.触发脉冲; (d.输出电压; (e.输出电流; (f.晶闸管 V 1,V 4上的电流; (g.晶闸管 V 2,V 3上的电流; (h.变压器副边电流; (i.晶闸管 V 1,V 4上的电压不能突变, 当电流变化时电感要产生感应电动势

11、而阻碍其变化, 所以, 电路 电流的变化总是滞后于电压的变化。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 i 2的波形cos 9. 0cos 2 (sin 21222U U t td U U d =+是对称的正、负方波。负载电流的平均值 I d 和有效值 I 相等,其波形系数为 1。 在这种情况下: 当 =0°时, U d =0.9U 2;当 =90°时, U d =0,其移相范围为 90°。 晶闸管承受的最大正、反

12、向电压都是 流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为3.驱动电路和保护电路的设计3.1触发电路设计晶闸管触发主要有移相触发、 过零触发和脉冲列调制触发等。 触发电路对其 产生的触发脉冲要求:1触发信号可为直流、交流或脉冲电压。2触发信号应有足够的功率(触发电压和触发电流 。3触发脉冲应有一定的宽度,脉冲的前沿尽可能陡,以使元件在触发导通后, 阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。4触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步,脉冲移相范围必须满足电路要求。由单结晶体管构成的触发电路具有简单、 可靠、 抗干扰能力强、 温度补偿性 能好, 脉冲前沿徒等优点, 在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。 他由

13、自激 震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成,电路图如 3-1(a 所示。d d d V V d d d V dV I I I I I I I I 22222122=22U 图 3.1 单结晶体管触发电路及波形f=1/T=1/Re CLn(1/1- 3.1式中 =0.30.9是单结晶体管的分压比。即调节 R e ,可调节振荡频率同步电压由变压器 TB获得,而同步变压器与主电路接至同一电源,故同步电压于主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管 D Z 削波为梯形波 u DZ , 而削波后的最大值 U Z 既是同步信号 , 又是触发电路电源 . 当 U DZ 过零时 , 电容 C 经 e

14、-b 1、 R 1迅速放电到零电压 . 这就是说 , 每半周开始 , 电容 C 都从零开始充电 , 进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻 (即控制角 一致 , 实 现同步 .当 Re 增大时, 单结晶体管发射极充电到峰点电压 Up 的时间增大, 第一个脉 冲出现的时刻推迟,即控制角 增大,实现了移相。触发脉冲 u g 由R 1直接取出,这种方法简单、经济,但触发电路与主电路有 直接的电联系, 不安全。 对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。 所以一般 采用脉冲变压器输出。3.2保护电路的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

15、压保护包括器件保护和系统保护两个方面。 检测开关器件的电流、 电压, 保护主电路中的 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、压敏电阻或硒堆等。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短时内工作于有源逆 变工作状态,从而抑制过电压或过电流的数值。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;外部出现负载过载;直流侧短路;可逆传动系统产生逆变失

16、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, 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合适, 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熔, 因流过快熔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快熔抑制过电流电路图如下图所 示: 图 3.2 快速熔短器的接入方法A 型熔断器特点:是熔断器与每一个元件串连,能可

17、靠的保护每一个元件。 B 型熔断器特点:能在交流、直流和元件短路时起保护作用,其可靠性稍有降低 C 型熔断器特点:直流负载侧有故障时动作, 元件内部短路时不能起保护作用对于第二类 过流, 即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流, 则应当采用电子电路进行 保护。常见的过电流保护原理图如下所示 图 3.3 过流保护原理图设备在运行过程中, 会受到由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。过电压保护的第一种方法是并接 R-C 阻容吸收回路, 以及用压敏电阻或硒堆 等非线性元件加以抑制。见下图 3-4和下图 3-5 图 3.4 阻容三角抑

18、制过电压 图 3.5 压敏电阻过压过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。 常见的过电压保护原理 图如下图所示:图 3.6 过电压保护电路图4.元器件和电路参数计算4.1元件选取 -晶闸管(SCR 1.静态特性 静态特性又称伏安特性,指的是器件端电压与电流的关系。这里介绍阳极伏 安特性和门极伏安特性。(1 阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压 U ak 与阳极电流 i a 之间的关系曲线,如图所示。 图 4.1 晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区;负阻区;正向导通低阻区;反向阻断高阻区阳极伏安特性可以划分为两个区域:第象限为正向特性区,第象限为反 向特性区。第象限

19、的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。(2 门极伏安特性晶闸管的门极与阴极间存在着一个 PN 结 J3, 门极伏安特性就是指这个 PN 结 上正向门极电压 U g 与门极电流 I g 间的关系。由于这个结的伏安特性很分散,无 法找到一条典型的代表曲线, 只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极 特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性,阴影区域所示。 图 4.2 晶闸管门极伏安特性2.动态特性晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时, 有时也在高频电力电子电路中 得到应用, 如逆变器等。 在高频电路应用时, 需要严格地考虑晶闸管的开关特性, 即开通特性和关断特性。(1开通特性晶

20、闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图 4.3给出了晶闸管的开关特 性。 在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流, 由于晶闸管内部正反馈 过程及外电路电感的影响, 阳极电流的增长需要一定的时间。 从突加门极电流时 刻到阳极电流上升到稳定值 I T 的 10%所需的时间称为延迟时间 t d , 而阳极电流从 10%I T 上升到 90%I T 所需的时间称为上升时间 t r , 延迟时间与上升时间之和为晶闸 管的开通时间 t gt =t d +t r ,普通晶闸管的延迟时间为 0.51.5s ,上升时间为 0.53s 。延迟时间随门极电流的增大而减少,延迟时间和上升时间随阳极电 压上升而下

21、降。 图 4.3晶闸管的开关特性(2关断特性通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和 辅助换流电路来提供。要关断已导通的晶闸管,通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断,就 是要使各层区内载流子消失, 使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。 突加反向阳 极电压后, 由于外电路电感的存在, 晶闸管阳极电流的下降会有一个过程, 当阳 极电流过零,也会出现反向恢复电流,反向电流达最大值 I RM 后,再朝反方向快 速衰减接近于零,此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。要正确使用一个晶闸管,除了了解晶闸管的静态、动态特性外,还必须定量 地掌握晶闸管的一些主要参数。现对经常使用的几个

22、晶闸管的参数作一介绍。 1.电压参数(1 断态重复峰值电压 U DRM门极开路,元件额定结温时,从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区漏电流 急剧增长的拐弯处所决定的电压称断态不重复峰值电压 U DSM ,“不重复”表明这 个电压不可长期重复施加。取断态不重复峰值电压的 90%定义为断态重复峰值电压 U DRM ,“重复”表示这个电压可以以每秒 50次,每次持续时间不大于 10ms 的重复方式施加于元件上。 (2 反向重复峰值电压 U RRM门极开路,元件额定结温时,从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区反向漏 电流急剧增长的拐弯处所决定的的电压称为反向不重复峰值电压 U RSM ,这个电压 是不能长

23、期重复施加的。取反向不重复峰值电压的 90%定义为反向重复峰值电 压 U RRM ,这个电压允许重复施加。 (3 晶闸管的额定电压 U R取 U DRM 和 U RRM 中较小的一个,并整化至等于或小于该值的规定电压等级上。电 压等级不是任意决定的, 额定电压在 1000V以下是每 100V一个电压等级, 1000V至 3000V则是每 200V一个电压等级。由于晶闸管工作中可能会遭受到一些意想不到的瞬时过电压,为了确保管子 安全运行,在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值 U M 的 23倍, 以作安全余量。U R =(23 U M 4.1 (4 通态平均电压 U T (AV 指在晶

24、闸管通过单相工频正弦半波电流,额定结温、额定平均电流下,晶闸 管阳极与阴极间电压的平均值, 也称之为管压降。 在晶闸管型号中, 常按通态平 均电压的数值进行分组,以大写英文字母 A I 表示。通态平均电压影响元件的 损耗与发热,应该选用管压降小的元件来使用。 2.电流参数(1 通态平均电流 I T (AV 在环境温度为+40、 规定的冷却条件下, 晶闸管元件在电阻性负载的单相、 工频、正弦半波、导通角不小于 170°的电路中,当结温稳定在额定值 125时 所允许的通态时的最大平均电流称为额定通态平均电流 I T (AV 。选用晶闸管时应 根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。

25、由于晶闸管的过载能力小, 为保证安全可靠工作,所选用晶闸管的额定电流 I T (AV 应使其对应有效值电流为 实际流过电流有效值的 1.52倍。按晶闸管额定电流的定义,一个额定电流为 100A 的晶闸管,其允许通过的电流有效值为 157A 。晶闸管额定电流的选择可按 下式计算。 4.2 (2 维持电流 I H维持电流是指晶闸管维持导通所必需的最小电流,一般为几十到几百毫安。m 0m T 1(sin 21I t td I I =维持电流与结温有关,结温越高,维持电流越小,晶闸管越难关断。(3 掣住电流 I L晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号, 此时要维持元件 导通所需的最小阳极

26、电流称为掣住电流。 一般掣住电流比维持电流大 (24 倍。 3.晶闸管的型号普通型晶闸管型号可表示如下KP电流等级 电压等级 /100通态平均电压组别 其中其中 K 代表闸流特性, P 为普通型。如 KP500 15型号的晶闸管表示其 通态平均电流(额定电流 I T (AV 为 500A ,正反向重复峰值电压(额定电压 U R 为 1500V ,通态平均电压组别以英文字母标出,小容量的元件可不标。4.2晶闸管的选型该电路为大电感负载,电流波形可看作连续且平直的。 Ud=100V时,不计控制角余量按 =0º计算 由 Ud=0.9U2得 U2=9. 0Ud =111V 取 150VU t

27、e =(23 U t=(23 U2 =(23 6150V =7351102 V 取 U te 为 1000V 当 I d =1A时, 晶闸管额定电流 (AV t I=57. 1Id =5711=0.64A 考虑 2倍裕量: (AV d I取 1.28A4.3 整流变压器额定参数计算在很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网往往不能一致, 同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰, 使整流主电路与电网隔离, 为此需 要配置整流变压器。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流, 算出整流变压器二次相电压 U2、一次与二次额定电流以及容量。由于整流变压器二次与一次电流都不是正弦波,

28、因而存在着一定的谐波电流, 引起漏抗增大, 外特性变软以及损耗增大, 所以在设计或选用整流变压器时, 应考虑这些因素。如果不计变压器的励磁电流, 根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电 流关系式为:I 1N 1=I2N 2 4.3K=21NN= 21U U 式中 N 1、 N 2变压器一次和二次绕组的匝数;K 变压器的匝数比。由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波, 所以其电流、 容量计算与线 路型式有关。单相桥式可控整流电路计算如下:大电感负载时变压器二次电流的有效值为I 2=I d =I =1AU 2=110V 由一次侧和二次侧电压得:21U U =21NN=110220=2 21II

29、=12NN =0.5 故 I 1=0.5A 变压器二次侧容量为S2=U22I=A V 1110=110KVA4.4 设计结果分析该电路为大电感负载,电流波形可看作连续且平直的。(1输出电压平均值 U d 和输出电流平均值 I d(2A R U I 495. 01005. 49d d =÷=A I I 35. 021d vT =A I I dv 2475. 01d T =(V U U t t U U 5. 4960cos 1109. 0cos 9. 0cos 22d sin 21222d =+(3输出电流有效值 I 和变压器二次电流有效值 I2(4晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压

30、5.系统调试与仿真打开新建模型窗口,将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口并改名, 设定有关参数后将各模块库连接组成仿真模型, 如下图 5-1所示, 设置好各模块 参数, 点击下拉菜单仿真 (Simulation 按钮, 仿真参数 (Simulation Parameters 命令设定有关仿真参数, 仿真算法选择可变步长 (Variable-step积分算法函数, L=1000mH,R=100欧姆,其他参数用默认值。然后点击启动仿真按钮,则开始仿 真,双击显示模块(scope 就能显示其波形 图 5.1 单相桥式全控整流系统模型图A I I I d 495. 02=VU 54. 15522=

31、图 5.2 触发角为 0°时的仿真波形=0°时,阻感负载仿真结果如图 5.2所示参数设置如下:Plause generator1Amplitude=1 Period(secs=0.02 Pulse Width( of period=5 Phase delay(secs=0Plause generator2Amplitude=1 Period(secs=0.02 Pulse Width( of period=5 Phase delay(secs=0.01 图 5.3 触发角为 30°时的仿真波形=30°时,阻感负载仿真结果如图 5.3所示参数设置如下:Plause generator1Amplitude=1 Period(secs=0.02 Pulse Width( of period=5 Phase delay(secs=0.02/12Plause generator2Amplitude=1 Period(secs=0.02 Pulse Width( of period=5 Phas