单相桥式可控整流电路的结构设计 27页

'单相桥式可控整流电路的结构设计第一章整流器主电路的设计1.1方案的选择单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，它们所连接的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）。1.2整流电路我们知道，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1.3a：图1.3a单相桥式半控整流电路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α突然增大至180°27 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1.3b：图1.3b单相桥式全控整流电路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。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。1.3设计方框图该电路主要由六部分构成，分别为交流电源，保护电路，整流电路，控制电路，驱动电路和负载电路构成。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。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。保护电路直流负载电路整流电路220v交流电源驱动电路控制电路27 图1.4电路结构设计框图1.4主电路设计主电路原理图如1.4a所示图1.5a主电路原理图主电路工作波形如图1.5b所示图1.5b主电路工作波形图电路如图1.5a所示。为便于讨论，假设电路已工作于稳态。(1)工作原理在电源电压正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在时触发27 ，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在，过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在时，电压过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。值得注意的是，只有当时，负载电流才连续，当时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是。1.5整流电路参数计算1）整流输出电压的平均值可按下式计算===当α=0时，取得最大值,即=0.9=90V，当α=90o时，=0。α角的移相范围为90o。2）整流输出电压的有效值为==100V3）整流电流的平均值和有效值分别为4)在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值和有效值相等，其波形系数为1。流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为：27 5)晶闸管在导通时管压降=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于;VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为。1.6元器件的选择(1)晶闸管的介绍:晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（SiliconControlledRectifier--SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代;20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件(2)晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。外行:螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。内部结构:四层三个结如图1.1图1.1.晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形27 a)晶闸管外形b)内部结构c)电气图形符号d)模块外形（3）晶闸管的工作原理图晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极，如图1.2(左)所示。由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图2.1.1.2（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。图1.2晶闸管的内部结构和等效电路晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流ＩＧ的电路称为门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。1.7元器件选取由于单相桥式全控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。晶闸管的主要参数如下：①额定电压UTn通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压UTn≥（2～3）UTM（3.2.1）UTM：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压②额定电流IT(AV)IT(AV)又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°27 和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值ITM≤ITn,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。ITn：额定电流有效值，根据管子的IT(AV)换算出，IT(AV)、ITMITn三者之间的关系：===当α=0时，取得最大值，即=0.9=90V，当α=90o时，=0。α角的移相范围为90o。晶闸管承受最大电压为=141V，考虑到2倍裕量，取300V.晶闸管的选择原则：Ⅰ、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。Ⅱ、选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。即ITn＝1.57IT(AV)＝（1.5～2）ITM。因为(电阻R取16.2W)，则晶闸管的额定电流为=5.56A(输出电流的有效值为最大值，所以该额定电流也为最大值)，考虑到2倍裕量,取12A.即晶闸管的额定电流至少应大于12A.在本次设计中我选用4个KP300A/400-1000V晶闸管。27 第二章晶闸管触发电路的设计2.1对触发电路的要求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。图4.1强触发电流波形2.2晶闸管的触发电路的形式晶闸管的触发电路的形式主要有两种：单结晶体管触发电路、但结晶体管自激震荡电路。1）单结晶体管触发电路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。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如图2.1（a）所示。2）单结晶体管自激震荡电路利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。从图2.1（a）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路径R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压ue=uc按指数规律上升。Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-b127 间的电阻突然变小，开始导通。电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。随着电容C放电，电压Ue小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us，如图2.1（b）所示。图2.1单结晶体管触发电路及波形其震荡频率为f=1/T=1/ReCLn(1/1-η)(2-.1)式中η=0.3～0.9是单结晶体管的分压比。即调节Re，可调节振荡频率2.3同步电源步电压又变压器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DZ削波为梯形波uDZ，而削波后的最大值UZ既是同步信号,又是触发电路电源。当UDZ过零时,电容C经e-b1、R1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α)一致,实现同步。2.4移相控制当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α增大，实现了移相。当增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角α增大，实现了移相。锯齿波形成电路由、、和等元件组成，其中、、和为一恒流源电路。截止时，恒流源电流对电容充电，所以两端电压为：27 图4.2.1.2同步信号为锯齿波的触发电路2.5脉冲输出触发脉冲Ug由R1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。27 第三章保护电路的设计3.1主电路的过电压保护所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压，其电路图见图3.1图3.1过压保护电路产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍单相桥式全控整流主电路的电压保护方法。3.1.1交流侧过电压保护过电压产生过程：电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁芯中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时电压。保护方法：阻容保护3.1.2直流侧过电压保护过电压产生过程：当某一桥臂的晶闸管在导通状态突然因果载使快速熔断器熔断时，由于直流住电路电感中储存能量的释放，会在电路的输出端产生过电压。3.2晶闸管的保护电路3.2.1晶闸管过电压保护过电流保护第一种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。第二种是27 在适当的地方安装保护器件，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。我们这次的课程设计采用的是第二种保护电路。1）晶闸管变流装置的过电流保护晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流，过电流分过载和短路两种情况，由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热器的传导途径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别在瞬时短路电流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，晶闸管承受过载或短路电流的能力主要受结温的限制。可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器，直流快速熔断器和过电流继电器等。在此我们采用快速熔断器措施来进行过电流保护。图3.2过电流保护采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。3）快熔的值应小于被保护器件的允许值、4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。27 因为晶闸管的额定电流为10A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为15A。2）晶闸管变流装置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因过电压两类。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，内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，过电压保护有避雷器保护，利用非线性过电压保护元件保护，利用储能元件保护，利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护。在此我们采用储能元件保护即阻容保护。图3.3晶闸管的过电压保护单相阻容保护的计算公式如下：（5.1）（5.2）S:变压器每相平均计算容量（VA）U：变压器副边相电压有效值（V）i%:变压器激磁电流百分值U%：变压器的短路电压百分值。当变压器的容量在（10----1000）KVA里面取值时i27 %=（4----10）在里面取值，U%=（5----10）里面取值。电容C的单位为μF，电阻的单位为欧姆电容C的交流耐压≥1.5UU：正常工作时阻容两端交流电压有效值。根据公式算得电容值为4.8μF,交流耐压为165V，电阻值为12.86Ω，在设计中我们取电容为5μF，电阻值为13Ω。3.2.2电流上升率di/dt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，局部电流密很大，然后以0.1mm/μs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3.4图所示:图3.4串联电感抑制回路3.2.3电压上升率du/dt的抑制加在晶闸管上的正向电压上升率du/dt也应有所限制,如果du/dt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du/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如图3.5所示：图3.5并联R-C阻容吸收回路27 第四章仿真分析与调试4.1仿真电路图图4.1系统原理电路图4.2.1触发电路的调试（1）将DJK01电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧使输出线电压为200V,用两根导线将200V交流电压接到DJK03-1的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DJK03-1的电源开关，用双踪示波器观察“Tca785锯齿波移相触发电路”各观察孔的波形。（2）锯齿波移相触发电路的调试：锯齿波斜率由电位器RP1调节，RP2电位器调节晶闸管的触发角，将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，RP2电位器顺时针转到底，α=。27 4.2参数设置（1）电源参数设置图7.3.1电源参数设置27 （2）波形发生器参数设置①触发角α=30°时27 ②触发角α=60°时27 ③触发角α=90°时图7.3.2波形发生器参数设置27 （3）晶闸管参数设置图7.3.3晶闸管参数设置27 （5）阻感性负载参数设置图7.3.4阻感性负载参数设置4.2仿真与分析通过Matlab对输出波形图进行显示。下面波形图中分别代表晶体管VT14上的电流I14、晶体管VT14上的电压U14、电阻负载上的电压Ud，电阻负载上的电流Id的波形。下列波形分别是延迟角α为30°、60°、90°、120°时的波形变化。（1）电网供电电压为单相100V；（2）电网电压波动为+5%－-10%；（3）输出电压为0～100V。27 1.触发角α=30°时的波形图7.4.1α=30°时电流输入波形2.触发角α=60°时的波形图7.4.2α=60°时电流输入波形27 3.触发角α=90°时的波形图7.4.3α=90°时电流输入波形4.4误差分析触发角α=30°①整流电压由图可知，约为138V,所以整流电压的误差σ%=%=||*100％=0.03％②负载电流由图可知，约为4.45A,即负载电流的误差σ%=||%=|*100％=11％触发角α=60°①整流电压由图可知，约为152V,所以整流电压的误差σ%=%=||*100％=6.8％②负载电流由图可知，约为2.55A,即负载电流的误差σ%=||%=|*100％=10.1％触发角α=90°①整流电压27 由图可知，约为150V,所以整流电压的误差σ%=%=|*100％=6.9％②负载电流由图可知，约为0.0007A,而理论值为0.000。误差出现的原因可能是：（1）四个晶闸管的通太损耗引起的（2）线路损耗引起误差27 第8章心得体会通过本次单相桥式全控整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又可以设计出很多不同的电路。其中单相全控桥式整流电路其负载我们用的多的主要是电阻型、带大电感型，接反电动势型。它们各自有自己的优点。对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。在这次课程设计过程中，碰到的难题就是保护电路的设计。因为保护电路的种类较多，因此要选择一个适合本课题的保护电路就比较难。后来经老师，还有同学的帮助，选择了一个较好的保护电路。这次的课程设计是我收获最大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但还是被我逐步解决了。每次做课程设计我都感觉比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的，尽管如此，我还是迎难而上了，首先把设计任务搞清，不能盲目地去做，你连任务都不清楚从何做起呢，接下来就是找相关资料，我每天除了上图书馆就是在网上找资料，然后对资料进行整理，找资料说起来好像很简单，但真正做起来是需要耐心的，不是你所找的就一定是有用的，所以这个过程中要花费一些时间做看似无用功的事，其实不尽然，这其中也拓展了你的知识面。通过这次课程设计我对于文档的编排格式有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了一部分，当然没有全部。在本次课程设计中，也得到了老师和同学的大力帮助，在此，特别感谢曹老师和帮助过我的同学。27 参考文献[1]王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2008[2]黄俊，秦祖荫.电力电子自关断器件及电路.北京：机械工业出版社，1991[3]林渭勋.现代电力电子技术.北京：机械工业出版社，2006[4]王维平.现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，1999[5]叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，1999[6]马建国,孟宪元.电子设计自动化技术基础.北京：清华大学出版社,2004[7]马建国.电子系统设计.北京：高等教育出版社,2004[8]王锁萍.电子设计自动化教程.四川：电子科技大学出版社200227 附录A元器件清单元器件备注数量晶闸管KP20-44个电位器SW-SPDT2个二极管14个同步变压器1个电阻其中主电路负载电阻最大为500Ω，若干个整流变压器变比为2，容量至少为2.464kv·A1个电感主电路负载700mH1个芯片TCA7851块熔断器熔断电流为15A4个电容若干个脉冲变压器2个27'