单相桥式全控整流电路的设计

PAGE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 21.3主电路原理说明 21.4整流电路参数的计算 32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 53.1对触发电路的要求 53.2KJ004集成触发器 54保护电路的设计 64.1过电压保护 64.1.1过电压保护 64.1.2过电流保护 74.1.3电流上升率di/dt的抑制 84.1.4电压上升率du/dt的抑制 85仿真分析与调试 85.1建立仿真模型 85.2仿真结果分析 9心得体会 12参考文献 13附录 14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：触发电路触发电路驱动电路整流主电路负载保护电路图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1.3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α处给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α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―π。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。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||>E时，晶闸管可以开通。1）整流输出电压的平均值可按下式计算（1-1）当α=0时，取得最大值90V即=0.9=90V从而得出=100V，α=180o时，=0。α角的移相范围为90o。2）整流输出电压的有效值为（2-2）3）整流电流的平均值和有效值分别为 （2-3） （2-4） 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：（2-5）2元器件的选择2.1晶闸管的选取晶闸管的主要参数如下：IT(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。将变压器副边电压有效值U2定为200V，则停止导电角δ=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：考虑到安全裕量，故晶闸管额定电压为：由式2-6知，流过晶闸管电流有效值最大为：晶闸管额定电流为：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10000V·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。3.2KJ004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：图3-1KJ004管脚图各引脚说明如下表3-1所示：表3-1KJ004引脚说明功能输出空锯齿波形成-Vee(1kΩ)地同步输入综合比较微分阻容封锁调制+Vcc引脚号1、152、6、103、4578911、1213、1416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。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4-2过电压保护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4.1.3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。4.1.4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。该电路中采用进线电抗器，在输入交流侧串联电感来抑制电压变化率。5仿真分析与调试5.1建立仿真模型在电力电子设计过程中利用MATLAB来进行仿真建模分析有很大的好处，它不但非常方便而且能够在很大程度范围内减少因设计问题而造成的浪费。这里的仿真主要是运用MATLAB软件中的simulink工具。先从simulink的元件库中找到需要用的元件，然后搭建相应的主电路，设置好参数后即可进行仿真。仿真电路图如下图所示.图5-1单相桥式全控整流电路系统模型仿真电路中，用虚拟的示波器监控整流电路输出电压与输出电流的波形，触发信号波形。由于是要触发晶闸管，故把触发面冲宽度设置为3%。这里是首先指定电源为200V的工频交流电。根据题目要求反电动势负载为40V，负载电阻1欧，负载电感20mH。设定好元器件的参数之后,还需要设置仿真算法和仿真时间。我设定了0.5S的仿真时间。设置的仿真算法是ode45。5.2仿真结果分析触发角为0时的波形：图5-2触发角为0时的波形触发角为60时的波形如下图所示： 图5-3触发角为60时的波形如图所示，当触发角为0时，进闸管始终处于断开状态，同时ＶＤ也是阻断的。负载电流为０。但由于是反电动势负载故还会有４０Ｖ的电压。当触发角为６０°时，Ud=0.9U2*cos60°=90V。另外当触发角为77.16°时，Ud=0.9U2*cos60°=40V=E,此时两边电动势抵消，负载电流为0，也就是电流断续的临界点。综合上述仿真与理论分析可知，触发角在77.16°到60°变化时，可以保障整流输出的连续可调。心得体会通过这次对