单相桥式可控整流电路.doc

武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书绪论电力变流器是由一个或多个电力电子装置连同变流变压器、滤波器、主要开关及其他辅助设备组成的变流设备，它应能独立运行并完成规定功能。常见的电力变流器有：整流器，用于交流到直流的变流；逆变器，用于直流到交流的变流；交流变流器，用于交流变流；直流变流器，用于直流变流。此次课程设计的为变流器中的整流器。整流电路可以从各种角度进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可以分为不可控，半控，全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。单相桥式可控整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其效率高原理及结构简单在单相整流电路中应用较多，在设计单相桥式可控整流电路时，从总电路电路出发根据负载择优选着方便的同步触发电路，并逐一设置各种保护电路使电路安全有效的运行，最终达到整流的目的。单相可控变流器的设计1总体方案设计与论证1.1课程设计目的1进一步掌握晶闸管相控整流电路的组成、结构、工作原理。2. 晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。3重点理解移相电路的功能、结构、工作原理。4理解同步变压器的功能。1.2课程设计任务与要求题目：单相可控变流器的设计初始条件：单相全控桥式可控整流电路或单相半控桥式可控整流电路，电阻-电感性（大电感）负载， R1.5，额定负载电流Id40A，最大电流Idmax40A。要求完成的主要任务：1.单相可控主电路设计于参数计算，计算整流变压器参数，选择整流元件的定额。讨论晶闸管电路对电网的影响及其功率因数。2.触发电路设计（触发电路的选型，同步信号的定相等）。3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4.系统原理分析。5.提供系统电路图纸至少一张。1.3方案设计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。缺点是：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。 1.4方案选择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）。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。负载电路单相电源输出驱动电路保护电路整流主电路图1.1 系统原理方框图2主电路设计2.1单相桥式全控整流电路阻感性负载2.1.1工作原理假设电路已经工作在稳定状态：因为电感对电流的变化有阻碍作用，即电感元件中的电流不能突变，当电流变化时电感要产生感应电动势而阻碍其变化，所以电路电流的变化总是滞后于电压的变化。单相全控桥式整流电路电感性负载及其波形如图2.1.1所示。图 2.1.1 单相全控桥式整流电路电感性负载及其波形(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,上的电流；(g)晶闸管 ,上的电流；(h)变压器副边电流；(i)晶闸管,上的电压。工作原理：在电源电压正半周期间，、承受正向电压，若在时触发，、导通，电流经、负载、和T二次侧形成回路，但由于电感的存在,过零变负时，电感上的感应电动势使、继续导通，直到、被触发导通时，、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、承受正向电压，在时触发，、导通，、受反相电压截止，负载电流从、中换流至、中；在时，电压过零，、因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期、导通时，、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。2.1.2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= = =由题意可知，=1.540=60V当=0时，取得最大值60V，即= 0.9*=60V，从而得出=67V，=90o时，=0。角的移相范围为90o。2）整流输出电压的有效值为=67V 3）整流电流的平均值和有效值分别为=40A =44.7A 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：= = 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；和加正向电压但触发脉冲没到时，、已导通，把整个电压加到或上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于；和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或上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为,即 。2.2变压器的设计2.2.1变压器的工作原理一二侧电压之比近似等于其匝数比。因此在原绕组不变的情况下改变副绕组的匝数，就可以达到输出电压的目的。若将副绕组与负载相接，副边就会有电流流过，这样就把电能传输给了负载。从而实现了传输电能，改变电压的要求，就是变压器工作的基本原理。2.2.2整流变压器参数计算一次与二次额定电流及容量计算：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： K= 式中：、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：此时，为0。可以计算出：， 选择整流变压器的变比为：变压器二次侧容量为：=67V40A=2.68KVA 2.3晶闸管参数计算分析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。额定电压在选用晶闸管时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管承受最大反向电压，所以晶闸管的额定电压为。额定电流 又称为额定通态平均电流。国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温是所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这事也是标称去额定电流的参数。考虑到晶闸管电流的安全裕量为，流过每个晶闸管的电流有效值和晶闸管的额定电流分别为 ，。2.4晶闸管电路对电网的影响及其功率因数2.4.1晶闸管电路对电网的影响在分析整流电路工作原理时，我们曾经假设晶闸管是理想的开关元件，导通时认为其电阻为零，而关断时，认为其电阻无穷大。但事实上，晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降。晶闸管装置中的无功功率，会对公用电网带来不利影响：1) 无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。2) 无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。3) 使线路压降增大，冲击性无功功率负载还会使电压剧烈波动。晶闸管装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：1) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。2) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1)和2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。5) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。为防止谐波危害，晶闸管装置可以采取措施抑制谐波，其办法大致有：（1）增加电流相数：一个改变变流装置的电流波形的方法是增加交流装置的脉动数，谐波次数越高，其幅值就越小，增加供电的相数就能显著减小谐波的次数。（2）安装谐波滤波器：常采用的排除大中型变流装置谐波的有效方法是在交流装置输入端对这些谐波分量进行滤波。（3）减小相位角。2.4.2系统功率因素的计算单相全控整流电路中基波和各次谐波的有效值为： =1,3,5,因此可得基波电流有效值为： 的有效值，可得基波因数为：又因为，电流基波与电压的相位差就等于控制角，所以位移因素为：所以，功率因数为：3晶闸管触发电路的设计3.1触发电路的选择这里设计的触发电路采用锯齿波同步触发电路，这种电路输出为双窄脉冲（也可输出单窄脉冲），它适用于对触发电路要求较高的晶闸管整流电路。220V36V+BTP+15VAVS+15V-15V-15VXY接封锁信号RQustVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ucoupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8VD15VD11VD14图3.1.1 同步信号为锯齿波的触发电路锯齿波触发电路可以分为三个基本环节：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，还有强触发和双窄脉冲形成环节（1）脉冲的形成与放大V4、V5 脉冲形成；V7、V8 脉冲放大；控制电压加在V4基极上。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。（2）锯齿波的形成和脉冲移相环节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。本电路采用恒流源电路方案，由、和等元件组成，、VS、和为一恒流源电路。截止时，恒流源电流对电容充电，调节，即改变的恒定充电电流，可见是用来调节锯齿波斜率的。导通时，因很小故迅速放电，电位迅速降到零伏附近，周期性地通断，便形成一锯齿波，同样也是一个锯齿波，射极跟随器的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压的影响。V4基极电位由锯齿波电压、控制电压、直流偏移电压三者作用的叠加所定，如果=0，为负值时，b4点的波形由+确定，当为正值时，b4点的波形由+ 确定，M是V4由截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿，加的目的是为了确定控制电压=0时脉冲的初始相位。图3.1.2 同步信号为锯齿波的触发电路的工作波形（3）同步环节同步要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定，锯齿波是由开关管来控制的。开关的频率就是锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压决定。由导通变截止期间产生锯齿波锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度取决于充电时间常数。（4）双窄脉冲形成环节、构成“或”门，当、都导通时，、都截止，没有脉冲输出只要、有一个截止，都会使、导通，有脉冲输出，第一个脉冲由本相触发单元的对应的控制角a 产生，隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过）。3.2触发电路的定相触发电路的定相是指触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。将同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致。 晶闸管的供电电压如图3.2.1所示，据单相电路要求移相范围001800，即要求触发电路在正半波范围内发出脉冲。因此，正半波范围内应存在锯齿波的上升段，锯齿波的宽度为2400，见图3.2.2所示。图3.2.1晶闸管的供电电压 图3.2.2 晶闸管的同步电压由上分析可见，为保证触发电路与主电路的同步，其晶闸管的供电电压和触发电路的同步电压相位差1800。4晶闸管过电压、过电流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，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必要的。较之电工产品，电力电子器件承受过电压，过电流的能力邀弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。4.1过电压保护晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，我们使用阻容保护，电路图如图4.1.1所示。图4.1.1晶闸管过电压保护电路图4.2过电流保护常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用）；直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔断器保护。如图4.2.1所示。图4.2.1过电流保护装置小结课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。近几十年来，随着电源技术的发展和应用，电力电子技术起着越来越重要的作用。电力电子课程已成为自动化专业的核心课程。1.本次设计总体来说思路明确，层次分明，设计步骤比较清晰。题目要求设计一个单相可控变流器，首先我们把设计分成以下三个部分：驱动电路、保护电路和整流主电路组成。2.这次课程设计的主要内容是交流变直流，即整流过程，此次课程设计的主电路为单相桥式全控整流电路带阻感性负载。我们首先要了解其工作原理及波形，然后计算整流电路参数。3.变压器的设计，了解变压器的工作原理，根据公式计算出变压器的各个参数。4. 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。同时考虑晶闸管装置中的无功功率及产生谐波对电路电网的影响，以及减小这些影响的方法。5.脉冲触发电路的选择：锯齿波同步触发电路，这种电路输出为