（精编）电力电子课设《单相全控整流电路》

1、本word文档可编辑可修改 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书目录1设计方案及原理 .11.1原理方框图 .11.2主电路 的设计 .11.3主电路原理说明 .21.4整流电路参数 的计算 .22元器件 的选择 .32.1晶闸管 的选取 .32.2变压器 的选取 .43触发电路 的设计 .43.1对触发电路 的要求 .43.2 KJ004集成触发器 .44保护电路 的设计 .4.1过电压保护 .4.1.1过电压保护 .4.1.2过电流保护 .4.1.3电流上升率 di/dt 的抑制 .4.1.4电压上升率 du/dt 的抑制 .5仿真分析与调试 .5667错误！未定义书签。错误！未定义书签

2、。错误！未定义书签。5.1建立仿真模型 .错误！未定义书签。5.2仿真结果分析 .错误！未定义书签。心得体会 . .参考文献 . .附录 . .错误！未定义书签。16错误！未定义书签。0 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书单相桥式全控整流电路 的设计1设计方案及原理1.1原理方框图系统原理方框图如 1-1所示：触发电路保护电路驱动电路整流主电路负载图 1-1系统原理方框图1.2主电路 的设计主电路原理图如下图 1-2所示：图 1-2单相桥式全控整流电路原理图1 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书1.3主电路原理说明在电源电压 u2正半周期间， VT1、VT4承受正向电压，若在触发角处给

3、 VT1、VT4加触发脉冲， VT1、VT4导通，电流从电源 a端经 VT1、负载、 VT4流回电源 b端。当 u2过零时，流经晶闸管 的电流也降到零， VT1和 VT4关断。在电源电压 u2负半周期间，仍在触发延迟角处触发 VT2和 VT3， VT2和 VT3导通，电流从电源 b端流出，经过 VT3、R、VT2流回电源 a端。到 u2过零时，电流又降为零，VT2和 VT3关断。此后又是 VT1和 VT4导通，如此循环 的工作下去。该电路 的移向范围是0。另外，由于该整流电路带 的是反电动势负载，因而不是正半轴 的任意时刻都能开通晶闸管 的，要开通晶闸管必须在交流电瞬时值大于E 的时候去触发。

4、提前触发 的话，晶闸管会在 E 的作用下承受反向电压，无法导通。1.4整流电路参数 的计算当| u |E时，晶闸管可以开通。21）整流输出电压 的平均值可按下式计算2 2U 2 cosU d0.9U cos2（1-1）o当=0时， U取得最大值 90V即U = 0.9 U =90V从而得出 U =100V，=180时，dd22oU =0。角 的移相范围为 90。d2）整流输出电压 的有效值为122U sinwt d wtU=（2-2）（2-3）23）整流电流 的平均值和有效值分别为U dRU 2EcosI d=0.9R122U sin wt d wt2UR（2-4）I=R2 武汉理工大学电力电

5、子技术课程设计说明书4)在一个周期内晶闸管 VT1、VT4和 VT2、VT3轮流导通，流过晶闸管 的电流平均值只有输出直流电流平均值 的一半，即：12U E cos2I dvTI d0.45（2-5）R2元器件 的选择2.1晶闸管 的选取晶闸管 的主要参数如下：额定电压 UTn通常取 U和U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。DRMRRM在选用管子时，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 的额定电压 U TnminU DRM ,U RRMU =（23）UTMTn（2-7）U :工作电路中加在管子上 的最大瞬时电压TM额定电流 IT(

6、AV)又称为额定通态平均电流。其定义是在室温 40和规定 的冷却条件下，元件在电T(AV)I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。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不大于额定电流 的有效值 ,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。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不大于额定电流 的有效值 ,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。将变

7、压器副边电压有效值 U2定为 200V，则停止导电角=8.15此时可达到 的最大输出电压为 0.9U2*cos8.15= 178V 90V，满足要求。晶闸管承受最大反向电压为：2U 100 2 282.8V2考虑到安全裕量，故晶闸管额定电压为： U Tn由式 2-6知，流过晶闸管电流有效值最大为：23 282.8V 565.6848.4V3 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书U 2200I VT max28.28A2R 5 2I VTmax晶闸管额定电流为：I T AV1.522736A1.57通过以上计算得知，可以取晶闸管额定电压为 800V，额定电流为 30A。2.2变压器 的选取变压

8、器是一种静止 的装置，它是依靠磁耦合 的作用，将一种等级 的电压与电流转换为另一种等级 的电压与电流，起着传递电能 的作用。单相桥式全控整流电路带反电动势负载，变压器二次电流有效值I2与输出电流有效值 I相等。由式 2-4可知，二次侧电流最大为 50A，故变压器容量至少为 10000 V A。3触发电路 的设计3.1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

9、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。3.2 KJ004集成触发器KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅 的双路脉冲移相触发。 KJ004器件输出两路相差 180度 的移相脉冲 ,可以方便地构成全控桥式触发器线路。 KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低 ,有脉冲列调制输出端等功能与特点。其管脚图如下图 3-1所示：4 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书图 3-1 KJ004管脚图各引脚说明如下表 3-1所示：表 3-1

10、KJ004引脚说明输出锯齿波形成-Vee(1k)5同步综合比较9微分阻容封锁调制功能引脚号空地+Vcc输入1、 15 2、 6、10 3、47811、12 13、14 16该触发电路设计中，通过 KJ004集成触发器控制晶闸管 VT1、VT2、VT3和 VT4 的导通与截止，使 VT1和 VT4同时导通，VT2和 VT3同时导通，同时两路导通相差 180度。KJ004器件恰好输出两路相差 180度 的移相脉冲 ,可以方便地构成全控桥式触发器线路。触发电路原理图参见附录。4保护电路 的设计相对于电机和继电器，接触器等控制器而言，电力电子器件承受过电流和过电压 的能力较差，短时间 的过电流和过电压

11、就会把器件损坏。但又不能完全根据装置运行时可能出现 的暂时过电流和过电压 的数值来确定器件参数，必须充分发挥器件应有 的过载能力。因此，保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少 的重要环节。5 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书4.1过电压保护4.1.1过电压保护电源侧过电压电力电子设备一般都经变压器与交流电网连接，电源变压器 的绕组与绕组、绕组与地中间都存在着分布电容，如图 4-1所示：图 4-1分布电容该电路中变压器为降压型，即电源电压 u高于变压器次级电压。电源开关断开时，初、次级绕组均无电压，绕组间分布电容电压也为0，当电源合闸时，由于电容两端电压不能突变，电源电压通过电容加在

12、变压器次级，使得变压器次级电压超出正常值，它所连接 的电力电子设备将受到过电压 的冲击。在进行电源拉闸断电是也会造成过电压，在通电 的状态将电源开关断开使激磁电流从一定得数值迅速下降到 0，由于激磁电感 的作用电流 的剧烈变化将产生较大 的感应电压，因为电压为 Ldi/dt，在电感一定得情况下，电流 的变换越大，产生 的过电压也越大。这个电压 的大小与拉闸瞬间电流 的参数值有关，在正弦电流 的最大值时断开电源，产生 的 di/dt最大，过电压也就越大。可见，合闸时出现 的过电压和拉闸时出现 的过电压其产生 的机理是完全不同 的。对于以上过电压，我们可以采用阻容保护，保护电路如下图4-2所示：图

13、 4-2过电压保护6 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书同理晶闸管过电压保护，也可采用阻容式保护方法，给每个晶闸管并联一个RC串联回路。4.1.2过电流保护电力电子电路中 的电流瞬时值超过设计 的最大允许值，即为过电流。过电流有过载和短路两种情况。在该电路 的过电流保护中均采用熔断器，给每个晶闸管串连一个熔断器。虽然这样所用熔断器较多，但由于流过晶闸管 的电流有效值相对于负载电流有效值和电源二次侧电流有效值来说较小，等价条件下产生热量最少，同时熔断器价格很便宜，故这样设计过电流保护电路比较经济。电路原理图如下图4-3所示：图 4-3过电流保护5.1单结晶体管 的工作原理单结晶体管原理单结晶

14、体管（简称 UJT）又称基极二极管，它是一种只有 PN结和两个电阻接触电极 的半导体器件，它 的基片为条状 的高阻 N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极 b1和 b。在硅片中间略偏 b2 2一侧用合金法制作一个 P区作为发射极 e。其结构，符号和等效电如图 5.1所示。7 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书图 5.15.1.1单结晶体管 的特性从图 a可以看出，两基极 b和 b之间 的电阻称为基极电阻。12Rb =rb +rbb 1 2式中： Rb 第一基极与发射结之间 的电阻，其数值随发射极电流1ie而变化， rb为2第二基极与发射结之间 的电阻，其数值与 i无关；发射结是 PN结，

15、与二极管等效。e若在两面三刀基极 b2，b1间加上正电压 Vb，则 A点电压为：b）vb =VbVA=rb/（rb1 1+rb2）vbb=（rb1/rbbbb式中：称为分压比，其值一般在 0.3 0.85之间，如果发射极电压 V由零逐渐增加，E就可测得单结晶体管 的伏安特性，见图 5.1.1：图 5.1.1单结晶体管 的伏安特性（1）当 VVb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小 的漏电流 I。e b ceo（2）当 VVb +VD VD为二极管正向压降（约为 0.7V），PN结正向导通， I显著ebe增加， rb阻值迅速减小， V相应下降，这种电压随电流增加反而下降 的特性，称为

16、负阻1e特性。管子由截止区进入负阻区 的临界 P称为峰点，与其对应 的发射极电压和电流，分别称为峰点电压 I和峰点电流 I。I是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需 的最小电流，ppp显然 V =Vb。pb（3）随着发射极电流 I 的不断上升， V不断下降，降到 V点后，V不再下降了，这eee点 V称为谷点，与其对应 的发射极电压和电流，称为谷点电压Vv和谷点电流 I。v（4）过了 V后，发射极与第一基极间半导体内 的载流子达到了饱和状态，所以uc继8 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书续增加时， i便缓慢 的上升，显然 V是维持单结晶体管导通 的最小发射极电压，如果VeevV，管子重新截

17、止。v5.1.2单结晶体管 的主要参数基极间电阻 Rb发射极开路时，基极 b，b之间 的电阻，一般为 2-10千欧，其数值b 1 2随温度 的上升而增大。分压比由管子内部结构决定 的参数，一般为 0.3-0.85。eb间反向电压 Vcb b开路，在额定反向电压 Vcb2下，基极 b1与发射极 e之间 的112反向耐压。反向电流 I b开路，在额定反向电压 Vcb下，eb间 的反向电流。eo122发射极饱和压降 V在最大发射极额定电流时， eb间 的压降。eo1峰点电流 I单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时 的发射极电流。p5.2主要元器件 的参数选择5.2.1主电路额定电压 UTn

18、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 23倍，以保证电路 的工作安全。晶闸管 的额定电压 U TnminU DRM ,U RRM（5.1UTn2 3 UTM（）UTM：工作电路中加在管子上 的最大瞬时电压额定电流 IT(AV)IT(AV)40和规定 的冷却条件下，元件在电又称为额定通态平均电流。其定义是在室温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

19、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I TM9 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 I ,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。TnI Tn：额定电流有效值，根据管子 的 I T(AV)换算出，I T(AV)、ITMI Tn三者之间 的关系：2I Tn1/2(Im sin t) d( t) Im/ 2 0.5Im（5.2）（5.3）0I T ( AV ) 1/ 2Im sin td( t

20、) Im/0.318Im0波形系数：有直流分量 的电流波形，其有效值 I与平均值 I之比称为该波形 的波形系dKf数，用表示。IK f（5.4）I d额定状态下，晶闸管 的电流波形系数I TnK f1.572U 2（5.5）I T ( AV )2晶闸管承受最大电压为 U TM2 167V 236V考虑到 2倍裕量，取 500V.晶闸管 的选择原则：、所选晶闸管电流有效值I Tn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（ 1.52）倍 的安全余量。即I Tn1.57 IT(AV)1.5 2 I TM（ ）I TMIT(AV) (1.52)（5.6）1.57因为 I =I/ 2 ,

21、则晶闸管 的额定电流为 I T AV =12.5A(输出电流 的有效值为最小T值，所以该额定电流也为最小值 )考虑到 2倍裕量 ,取 25A.即晶闸管 的额定电流至少应大于 25A.在本次设计中我选用 4个 MCR100-8 的晶闸管 .、若散热条件不符合规定要求时，则元件 的额定电流应降低使用。通态平均管压降 U 。指在规定 的工作温度条件下，使晶闸管导通 的正弦波半个周T(AV)期内阳极与阴极电压 的平均值，一般在 0.41.2V。I H维持电流。指在常温门极开路时，晶闸管从较大 的通态电流降到刚好能保持通态所需要 的最小通态电流。一般I H值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。1

22、0 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书门极触发电流 I。在常温下，阳极电压为 6V时，使晶闸管能完全导通所需 的门极电g流，一般为毫安级。断态电压临界上升率 du/dt。在额定结温和门极开路 的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换 的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。通态电流临界上升率 di/dt。在规定条件下，晶闸管能承受 的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大 的电流集中在门极附近 的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。5.2.2变压器 的选取根据参数计算可知 :变压器应选变比为 1,容量至少为 500V A。5.2.3同步电源步电压

23、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 u,而削波后 的最大值、R迅速放电到零电压 .1DZUZ既是同步信号 ,又是触发电路电源 .当 U过零时 ,电容 C经 e-bDZ1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 .5.2.4移相控制当 Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压U 的时间增大，第一个脉冲出现 的p时刻推迟，即控制角增大，实现了移相。5.3.触发电路 的设计与说明晶闸管触发主要有移相触发、过零触

24、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：触发信号可为直流、交流或脉冲电压。触发信号应有足够 的功率（触发电压和触发电流）。11 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书触发脉冲应有一定 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。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。5.3.1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 5.3（a）所示

25、。5.3.2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 5.3（a）可知，经 D -D整流后 的直流电源 UZ一路径 R2、R加在单结晶体管121两个基极 b刚冲点到大于峰点转折电压 UC开始通过管子 e-b迅速向 R放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。随着电容1、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。Ucp 的瞬间，管子 e-b间 的电阻突然变小，开始导通。电容111C放电，电压 U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，e上述过程不断重复

26、。在电容上形成锯齿波震荡电压，在 R上得到一系列前沿很陡 的触发尖1脉冲 us，如图 5.3（b）所示，(a)12 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书11T1R C ln(e)1(b)图 5.3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-)式中=0.30.9是单结晶体管 的分压比。即调节 R，可调节振荡频率e5.4.整流电路 的设计与技术要求u2(b)0tug(c)(d)0t1t2ttud0i d(e)(f)0tti V1,40i V2,3V1V2i d(g)(h)0ttTi2Li 2u2u1ud0RuV1,4V3V4(i)0t(a)图 5.4单相全控桥式整流电

27、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 V -1 , V -4 上 的电流； (g)晶闸管 V -2 , V -3 上 的电13 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书流；(h)变压器副边电流； (i) 晶闸管 V -1 , V -4 上 的电压当整流电路带电感性负载时，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。负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算：12 2 U cosU d2U sin td( t)20.9U cos22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 的波形是对称 的正、负I dI和有效值相等，其波形系数为 1。在这种情况下：方波。负载电流 的平均值当=0时，U=0.9 U2；dU当=90时， =0，其移相范围为 90。d晶闸管承受 的最大正、反向电压都是。流过每个晶闸管 的电流平均值和有效值分别：1VI dVI dI