电力电子设计单相全控桥式纯电阻负载

1、电力电子课程设计单相全控桥式晶闸管整流电路设计（纯电阻负载）院别：机械与电子工程学院专业班级：电气工程自动化0803姓名：徐浩学号：2008011251指导老师：施云2011年 1 月6日电力电子课程设计一、设计课题目单相全控桥式晶闸管整流电路设计（纯电阻负载）二、设计要求1、单相全控桥式晶闸管整流电路的设计要求为：负载为阻性负载 .2、技术要求 :(1). 电网供电电压：交流100V/50Hz；(2). 输出功率： 500W；(3). 移相范围： 0 度 180 度；三、课程设计的性质和目的1、性质：是电气信息专业的必修实践环节；2、目的：(1). 培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动

2、手能力；(2).加深理解电力电子技术课程的基本理论；(3). 初步掌握电力电子电路的设计方法。前言电力电子学 , 又称功率电子学 (Power Electronics) 。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置， 以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电 ( 高电压、大电流 ) 或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电 ( 低电压、小电流 ) 或电子领域的一个分支， 或者说是强弱电相结合的新科学。 电力电子学是横跨“电子”、 “电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。随着科学技术的日益发展 , 人们对电路的要求也越来越高 , 由于在生产实际中需

3、要大小可调的直流电源 , 而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定 , 利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能 , 是目前获得直流电能的主要方法 , 得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导电特性的器件， 把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流的基础是整流电路。由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域， 利用半导体电力开关器件

4、组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制， 而构成的一门完整的学科。第一章单相桥式整流电路供电方案的选择1.1 具体供电方案电源电压：交流100V/ 50Hz第二章单项全控桥式晶闸管整流电路主电路设计2.1 主电路原理图单相整流电路中应用较多的 a 带电阻负载的工作情况波形分析见上图及工作原理如下：VT 1 和 VT 4 组成一对桥臂， 在 u2 正半周承受电压 u2，得到触发脉冲即导通，当 u2 过零时关断；VT 2 和 VT 3 组成另一对桥臂，在u2 正半周承受电压 -u2，得到触发脉冲即导通，当 u2 过零时关断。数量关系：a 角的移相范围为 180°。向负载输出的直流平均电

5、流为：晶闸管 VT 1、VT 4 和 VT 2、VT 3 轮流导电，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，即为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热等问题，为此需计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为变压器二次电流有效值I2 与输出直流电流有效值I 相等，为由上两式可见不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I22.2 变压器二次侧电压的计算电源电压 U1 交流 100/ 50Hz ，输出功率： 500W ，移相范围： 0 度-180 度。设 R=5 , =30P=Ud 2/RUd=50v2.3 变压器一、二次侧电流的计算P=Id2RId=10AU2= 2

6、Ud/0.9(1+cos30 ) 60VU1/U2=100/60N1/N2=5/3I2 20AI 1=I2/(5/3)=7.2A2.4 变压器容量的计算S=U1I 1 =7×100=720 V·A2.5 变压器型号的选择N1:N2=5/3 ;S=720 V ·A第三章电路元件的选择3.1 整流元件的选择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。3.1.1整流元件中电压、电流最大值的计算1). 晶闸管的主要参数如下：额定电压 UNVT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

7、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 U NVTmin U DRM ,U RRMU （23）2U（3-1 ）NVT2UNVT：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压U =(2-3)U=169.7V254.6VNVT2 2额定电流 I NVT通过晶闸管的电流的平均值I dvTIDvt=I d /2=Ud/R=5A3.1.2整流元件型号的选择晶闸管的选择原则：所选晶闸管电流有效值I VT大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。I VT =cos45·I2=14A、 选择时考虑（ 1.5 2）倍的安全余量。即Im=(1.5

8、 2)k· IVT =(15.75 21)A.在本次设计中我选用4 个型号为： KP20-3 的晶闸管 .第四章保护元件的选择4.1 变压器二次侧熔断器的选择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 I 2t 值应小于被保护器件的允许I 2 t 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。因为晶闸管的额定电流为 1

9、0A,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。4.2 晶闸管保护电路的选择4.2.1 过电流保护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。4.2.2 过压保护设备在运行过程中，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。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电

10、压保护。4.3 保护电路原理图及工作原理图 4.3 过流保护原理图图 4.3 过电压保护电路第五章单项全控桥式晶闸管整流电路的相控触发器电路5.1 相控触发电路原理图及工作原理图 5.0 单结晶体管触发电路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：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）。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。单结晶体管触发电路由单结晶体管构成的触发电路具

11、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5.0 所示。第六章单项全控桥式晶闸管整流电路设计总设计结果6.2 总电路的原理框图系统原理方框图如6.2 所示：图 6.2 系统原理方框图6.3 总电路原理图6.4 总电路工作原理该电路主要由四部分构成， 分别为电源， 过电保护电路， 整流电路和触发电路构成。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。 在电路中还加了防雷击的保护电路。 然后将经变压和保护后的信号输入整流电路

12、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。在电路中 ,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护 ,而过压保护则采用 RC 电路。这部分的选择主要考虑到电路的简单性，所以才这样的保护电路部分。整流部分电路则是根据题目的要求， 选择的我们学过的单相桥式整流电路。该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能。触发电路是由设计题目而定的， 题目要求了用单结晶体管直接触发电路。 单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大， 而且由于是直接触发电路它的结构比较简单。一方面是方便我们对设计电路中变压器型号的选择。6.5 绘制输出波形 ( 即 Ud

13、,i2波形 )ud (i d)u di db)0u VT 1,4c)0i2d)0ttt图 2-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形6.6 绘制触发信号波形总结：通过单相全控桥式整流电路的设计，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。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，碰到的难题就是对晶闸管的相关参数的计算，因为在学习中没能很好的系统的总结晶闸管相关知识。在整个课程设计中贯穿的计算过程没能很好的把握。 在今后的学习中要认真总