电力电子装置及控制课程设计：亮度可连续调节电路设计汇编

1、目录摘要11电路设计要求 21.1 主要任务 21.2 设计方案 22系统硬件选择 32.1 系统结构框图 32.2 整流变压器的选择 42.2.1 整流变压器的作用 42.2.2 整流变压器的特点 42.2.3 整流变压器参数计算 52.3 整流电路的选择 62.4 晶闸管选择 62.5 触发电路的选择 72.6 晶闸管的保护设计 82.6.1 过电流保护 82.6.2 过电压保护 92.6.3 电压上升率与电流上升率的限制 102.7 系统总电路图 11123心得体会4参考文献13摘要电力电子技术为电力工业的发展和电力应用的改善提供了先进技术，它的核心是电能形式的变换 和控制，并通过电力电

2、子装置实现其应用。电力电子装置是以满足用电要求为目标，以电力半导体器 件为核心，通过合理的拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置。本次课程设计为设计亮度可连续调节的电路，通过运用电力电子装置相关知识，对电路进行分析 设计，再对各个硬件进行选择和参数计算，最后用Protel画出电路图。关键词：单相全控桥式整流电路，晶闸管电路设计，Protel画图亮度可连续调节电路设计1 .电路设计要求1.1 主要任务主要任务：利用可控器件组成整流电路，将输入交流电变成可利用的直流电，供给电阻负载， 并且可以控制输出电压的幅值，要求给出电路图，选定器件参数。基本要求：输入电压为220V单相交

3、流电，频率50Hz ；输出电压为024V直流电；最大 负载电流3A，带电阻性负载(灯泡)。1.2 设计方案整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形 式多种多样。要实现亮度可连续调节，可通过变压器变压，将220V交流电压变为要求幅值(24V)的交流电，再由整流电路把交流电变为直流电，带动灯泡发光，通过导通角a的控制调 节输出直流电压的大小。主电路分为变压器变压、交流电整流和保护电路三个部分，整流电路的 选择有多种方案，我采用的是单相全控桥式整流电路。2 .系统硬件选择2.1 系统结构框图交流电源首先要经过变压器变压，然后还要有整流电路把交流电变为直流电，

4、同时晶闸管还需要 有触发电路、过电流过电压保护电路，变为直流电后，再接负载（灯泡）系统的结构框图如图1所图1系统的结构框图2.2 整流变压器的选择2.2.1 整流变压器的作用(1)变换整流器的输入电压等级。由于要求整流器输出直流电压一定，若整流桥路的交流 输入电压太 高，则晶闸管运行时的触发延迟角需要较大；若整流器输入电压过低，则可能在触发延迟角最小时仍 不能达到负载要求的电压额定值。所以，通常采用整流变压器变换整流器的输入电压等级，以得到合 适的二次电压。(2)利用变压器漏抗限制晶闸管导通时，整流器短路时上升率di/dt增大。(3)实现电网与整流装置的电气隔离，改善电源电压波形，以减少整流装

5、置的谐波对电网的干扰。2.2.2 整流变压器的特点(1)由于整流器的各桥臂在一周期内轮流导通，整流变压器二次绕组电流并非正弦波(近似方波)，电 流中含有直流分量，而一次电流不含直流分量，使整流变压器视在功率比直 流输出功率大。(2)当整流器短路或晶闸管击穿时，变压器中可能流过很大的短路电流。为此要求变压器阻抗要大 些，以限制短路电流。(3)整流变压器由于通过非正弦波电流引起较大的漏抗压降，因此，它的直流电压输出外特性较软。(4)整流变压器二次侧可能产生异常的过电压，因此要有很好的绝缘。2.2.3 整流变压器参数计算(1)二次相电压U2的计算，由于连接的是电阻负载，对变压器要求不高，所以变压器次

6、相电压可采用简便公式：q =(.2)务=(1、1.2卜Ku力其中，UN为负载的额定电压，在这里UN = Ud max =24V，KUV为整流电压系数，对于单相全控桥KUV = 0.9，电网电压波动系数b =0.9 - 1.05。(2)二次相电流I 2的计算变压器二次相电流X*2 = KIV 'dN =1 3 = 3A其中，KIV为二次相电流计算系数，对于单相全控桥KIV=1，额定直流电流IdN = IN = Id max = 3A(3) 一次相电流的计算变压器一次侧相电流其中，KIL为一次相电流计算系数，对于单相全控桥KIL=1，电压器的电压比(4)变压器容量的计算(4)变压器容量K

7、二S =512= (25.4 35.6)V x3A= (76.2 106.8)VA2.3 整流电路的选择整流电路按电路的构成形式，可分为半波、全波和桥式(含全控桥式和半控桥式)整 流电路。半 波整流电路只利用了交流电的正半周，而全波整流电路不仅利用了正半周，而 且还巧妙地利用了负半周，从而大大地提高了整流效率，但是全波整流电路，需要变压器 有一个使两端对称的次级中心 抽头，这给制作上带来很多的麻烦，同时绕组及铁心对铜、铁等材料的消耗更多，在当今世界上有 色金属资源有限的情况下，这是不利的。另外，这种电路中，每只晶闸管承受的最大反向电压，是 变压器次级电压最大值的两倍，因此需用能承受较高电压的晶

8、闸管。而桥式整流电路，不仅具有全 波整流电路的优点，同时在一定程度上也克服了它的缺点。所以本次设计选择了单相全控桥。2.4 晶闸管选择晶闸管的选择主要是根据整流器的运行条件，计算晶闸管电压、电流量，选出晶闸管的型号规 格。在工频整流装置中一般选择KP型普通晶闸管，其主要参数为额定电压、额定电流值。(1)额定电压UTN的计算晶闸管额定电压Utn = (2 3)KutU2 = (2 3) xl.41 x(25.4 35.6) = (71.6 150.6)V(5)其中，Kut为晶闸管的电压计算系数，对于单相全控桥Kut=1.41 o(2)额定电流I T(AV)的计算当整流电路电抗足够大且整流电流连续

9、时，晶闸管额定通态平均电流可 用经验公式It(av)>(1.5 2)Kit ldmax= (1.5 2) x0.45x3 = (2 2.7) A(6)其中，G为晶闸管电流计算系数，对于单相全控桥Kit=0.45。2.5 触发电路的选择晶体管为一种可控开关器件，欲使其由阻断转为导通，应在晶闸管阳极和阴极之间加正向电压、门 极与阴极之间加上足够功率的正向触发电压，导通后控制信号失去作用。正确设计选择与使用触发电 路，可以充分发挥晶闸管及装置的功能。由于本次设计采用的是单相桥式整流电路电阻性负载，所以要求的移相范围为0,180。，同时所 需触发的晶闸管的额定电流很小，所以可以采用单结晶体管触发

10、电路。单结晶体管触发电路具有结构简 单，成本低，触发脉冲前沿陡，工作可靠，抗干扰能力强，温度补偿性能好、易于调试的优点，但其不 能附加放大环节，所以只可触发50A以下的晶闸管，且移相范围一般小于180，正好满足本次设计的要求。单结晶体管触发电路如图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V1、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

11、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。图2单结晶体管触发电路图2.6 晶闸管的保护设计2.6.1 过电流保护过电流是晶闸管电路经常发生的故障，因此，过电流保护应当首先考虑。由于晶闸管承受过电流的 能力比一般电器差很多，故必须在极短的时间内把电源断开或把电流值降下来。造成晶闸管过电流的主

12、要原因有：电网电压波动大，电动机轴上负载超过允许值，电路中管子误导 通以及管子击穿短路等。晶闸管过流保护方式有脉冲移相限流保护、直流快速断路器保护、快速熔断器保护等。其中快速熔 断器过流保护在晶闸管电路中使用较为普遍。快速熔断器作为晶闸管过流保护可以串联在交流侧、直流 侧或直接与晶闸管串联，其中以快速熔断器与晶闸管直接串联对晶闸管保护作用最好。所以本次设计采 用快速熔断器与晶闸管直接串联的方式对晶闸管进行保护。(1)快速熔断器额定电压的计算 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值，即(7)(2)快速熔断器额定电流的计算快速熔断器的额定电流(有效值)应大于等于被保护晶闸管额定电流，

13、由于晶闸管额定电(8)流在选择时已考虑了安全裕量1.52，因此，通常按下式选择，即IFN = IT( AV) = (2 - 2.7)A262过电压保护(1)产生过电压的原因晶闸管对于电压很敏感，当正向电压超过其正向断态重复峰值电压UDRM一定值时，就会误通，引起电路故障；当外加的反向电压超过其反向断态重复峰值电压URRM一定值时，晶闸管将立即损坏。因此必须进行过电压保护。过电压产生的原因主要是：电路中开关的开、闭引起 的冲击电压，也称操作过电压；二是雷击或其他外来冲击干扰引起的浪涌过电压。(2)交流侧过电压保护措施本次设计采用阻容吸收保护，接法是在变压器的二次侧用并联电阻R和 电容C的串联支路

14、进行保护。对于单相回路电容(pF)的估算式为(9)其中，I em为变压器励磁电流百分比，对于10100kVA的变压器，一般为10%4%。电容的耐压 Uc>1.5Um= 1.5x1.41x(25.4 35.6) = (53.7 75.3)V(10)其中，Um为晶闸管所承受的最大电压。电阻(？)的估算式为(11)八2.3生降二Lk为变压器的短路比，对于10100kVA的变压器，一般为5%-10%。通过电阻的电流(A)Ir= 2兀fCU2cxi 0-6= 2 X3.14X50 xO.06 x (1.41x30) 2x10 6= 0.034 A(12)其中，uc为阻容两端正常工作时交流电压峰值。

15、电阻功率(W)P >(3 4r)I2 R= (3 r4) x0.0342x14.6= (0.05 0.07)W(13)(3)晶闸管换相过电压保护措施为了抑制晶闸管的关断过电压，通常采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法。阻容保护的元件参数可由经验数据选定。在本次设计中，因为晶闸管额定电流很小，所以电容可选取0.1( |1F)，电阻可选取100(?) o电容的耐压Uc= (1.1 1 .5)Um= (1.1 -1.5) x1.41x(25.4 35.6) = (39.4 75.3)V(14)电阻功率(W)Pr = fCUm2 x10- 6= 50 x0.1 x(1.41 x30) 2x10

16、 6 = 0.009W(15)2.6.3电压上升率与电流上升率的限制不同规格的晶闸管对最大的电压上升率du/dt 及电流上升率di/出有相应的规定，当超过其值时，会使晶闸管误导通。可以用交流进线电抗器限 制的方法。交流进线电抗器电感量LB的计算公式为(16)其中，IdN为交流器输出额定电流。2.7 系统总电路图按照结构框图，将上述的各模块组合起来，得到系统总电路图，如图3所示图3系统总电路图3 .心得体会通过电路分析，选择了单相全控桥式整流电路，然后对各硬件进行选择和参数计算，最 后通 过Protel得到电路图。理论上符合要求，完成无误。由于电力电子装置这门课程我学习的比较认真，再加上期末阶段对理论知识进行了巩固，因 而这次课程设计的理论部分我很容易掌握，设计思路很清晰。但是在实际设计时，电路从无到有 的过程中还是遇到了各种各样的小问题，使我明白终日纸上谈兵仍然无法提高独立设计的能力， 对于自动化这一类灵活多变的学科，不能局限于书本，更应多开拓思想，多去思考和探索。另 外，我对于Protel的使用也不是很熟练，暴露出平时很少练习的弊端，今