单相全波可控整流电路

/ﻬ课程设计(论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室:电气学号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目单相全波可控整流电路（１１０Ｖ/1０A)课程设计（论文）任务将单相220V交流电转换为连续可调的直流电，为1台直流电动机供电.设计的主要任务包括:方案的经济技术论证。主电路设计.通过计算选择整流器件的具体型号。确定变压器变比及容量。确定平波电抗器.设计或选择合适的触发电路。指导教师评语及成绩成绩：指导教师签字：年月日目录第1章课程设计目的与要求ﻩ11．1课程设计目的 11.2课程设计的预备知识 11.3课程设计要求ﻩ1第2章课程设计内容 2２．１基本原理介绍ﻩ２2.2电路设计的经济性论证 3２.３主电路设计………………………ﻩ4２.４触发电路设计或选择……………ﻩ６第3章课程设计的考核ﻩ103。1课程设计的考核要求 １0３．２课程性质与学分 １０第４章设计总结 11参考文献ﻩ11第１章课程设计目的与要求1．１课程设计目的“电力电子技术”课程设计是在教案及实验基础上,对课程所学理论知识的深化和提高。因此，要求学生能综合应用所学知识，设计出具有电压可调功能的直流电源系统，能够较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌整流电路设计的基本方法。培养学生独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；培养分析、总结及撰写技术报告的能力。１.2课程设计的预备知识熟悉电力电子技术课程、电机学课程的相关知识。1.3课程设计要求按课程设计指导书提供的课题,根据第下表给出的基本要求及参数独立完成设计，课程设计说明书应包括以下内容:方案的经济技术论证。主电路设计。通过计算选择整流器件的具体型号。确定变压器变比及容量.确定平波电抗器。7、触发电路设计或选择。8、课程设计总结。9、完成40００字左右说明书,有系统电气原理图，内容完整、字迹工整、图表整齐规范、数据详实.设计技术参数工作量工作计划单相交流220V电源。整流输出电压Ud在０～1１０V连续可调。整流输出电流最大值1０A。反电势负载,Ｅm=100V。5、要求工作电流连续。１、方案的经济技术论证。２、主电路设计。3、通过计算选择整流器件的具体型号.４、确定变压器变比及容量。５、确定平波电抗器6、触发电路设计或选择.７、绘制主电路图。第一周:周一：收集资料.周二:方案论证周三:主电路设计。周四：理论计算.周五：选择器件的具体型号。第二周:周一:触发电路设计或选择周二：确定变压器变比及容量周三：确定平波电抗器。周四~五:总结并撰写说明书。第2章课程设计内容２．1基本原理介绍单相全波整流电路如图所示，图中Tr为电源变压器,它的作用是将交流电网电压VI变成整流电路要求的交流电压，RＬ是要求直流供电的负载电阻。单相全波整流电路的工作原理可分析如下.为简单起见,晶闸管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零,反向电阻为无穷大。在ｖ2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出,只能经过VT1流向RL,在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。在v２的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出,只能经过VT2流向RL,电流流过ＲL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图中虚线箭头所示。综上所述，三相全波整流电路巧妙地利用了晶闸管的单向导电性，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连,负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压.根据上述分析，可得单相全波整流电路的工作波形如下图。由图可见，通过负载RＬ的电流ｉＬ以及电压vＬ的波形都是单方向的全波脉动波形.单相全波整流电路的优点是纹波电压较小，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高2。２电路设计的经济性论证２.２。1单相全波可控整流电路中变压器的二次绕组带中心抽头，结构较复杂.绕组及铁心对铜、铁等材料的消耗比单相全控桥多,在当今世界上有色金属资源有限的情况下，这是不利的。2。2。2单相全波可控整流电路中只用两个晶闸管，比单相全控桥式可控整流电路少2个，相应的，晶闸管的门极驱动电路也少两个，但是在单相全波可控整流电路中，晶闸管承受的最大电压为2*20．5Ｕ2，是单相全控桥式整流电路的2倍。2。2。３单相全波可控整流电路中，导电回路只含１个晶闸管,比单相桥少一个，因而也少了一次管压降。从上述2，3考虑，同时其纹波电压较小,同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用,效率较高,所以单相全波电路适宜于在低输出电压的场合.2。３主电路设计主电路如图所示：平波电抗器LKP6400-1-12平波电抗器LKP6400-1-12电路波形图如下所示：２。3．1具体计算如下：单相全波整流电路波形与单相全控桥波形一样，所以有:=０.9cosa其中０〈ａ〈90度，=(-E)/Ｒ当ａ=0度时,最大，=０.９U２=110ｖ所以有＝１22V=／R=(１1０-１00）／Ｒ＝1０所以有R＝1Ω=＝１0A==2×=３45Ｖ故晶闸管选用KP6４00—1-12即可满足要求。2．3.2变压器变比ｋ=U／=２２0/1２2＝110／６1=×=１２2×10=１。22×10３．考虑到安全性问题以及损耗,取变压器S＝3×104Ｗ,2．3．3平波电抗器的确定如图2(ｂ)所示，id波形在一个周期内有部分时间为零的情况,称为电流断续。与此对应,若波形不出现为0的情况,称为电流连续。当ａ<δ时，触发脉冲到来时,晶闸管承受负电压，不可能导通.为了使晶闸管可靠导通,要求触发电路有足够的宽度，保证当我ｗt＝δ时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲依然存在。这样,相当于触发角被推迟为δ，即a=δ。负载为直流电动机时，如果出现电流断流则电动机的机械特性将很软.从图2中可以看出,导通角θ越小，则电流波形的低部就越窄。电流平均值是与电流波形的面积成正比的,因而为了增大电流平均值,必须增大电流峰值，这要求较多地降低反电势。因此，当电流断续时，随着的增大,转速降落较大,机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花，其电流波形底部越窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。图2(ａ）（b）为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感,当小于E甚至值变负时，晶闸管仍然导通.只要电感量足够大就能使电流连续，晶闸管每次导通180度，这时整流电压的波形和电感负载电流连续时的波形相同,的计算公式也一样。针对电动机在低速轻载时电流连续的情况,给出和的波形如图３图3为保证电流连续所需要的电感值L可由下式求出:平波电抗器L＝2.87×10-3×1２２/10=0.０35Ｈ2．４触发电路设计或选择本设计选择同步信号为锯齿波的触发电路，如图所示：如图1是同步信号为锯齿波的触发电路.此电路输出可为单窄脉冲,也可为双窄脉冲,以适用于有两个晶闸管同时导通的电路，例如三相全控桥.本设计采用单窄脉冲,电路可分为三个基本环节：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,电路中还有强触发和双窄脉冲的形成环节.现重点介绍脉冲形成。，脉冲移相,同步等环节．2．4。1脉冲形成环节脉冲形成环节有晶体管V４,V５组成，Ｖ7,V8起脉冲放大作用.控制电压uco加在V４基极上，电路的触发脉冲有脉冲变压器TP二次侧输出,其一次绕组接在V8集电极电路中.当控制电压=0时，V4截止．+E1(＋15）电源通过Ｒ11供给V5一个足够大的基极电流，使V5饱和导通，所以V5的集电极电压Uc5接近于—E1(-15V）．V7，V8处于截止状态，无脉冲输出.另外，电源的+E１(15V）经R9，V５发射结到-E1(—1５Ｖ),对电容C3充电，充满后电容两端电压接近２Ｅ1(30V),极性如图１所示.当控制电压≈0。7Ｖ时,V４导通,Ａ点电位由+Ｅ1(15Ｖ）迅速降低至1.0V左右，由于电容Ｃ3两端电压不能突变，所以V5基极电位迅速降至约-2Ｅ1（—30V），由于V5发射结反偏置,V5立即截止.它的集电极电压由—E1（—15V）许素上升到钳位电压＋2．1V(VD6,V７,V8三个PN结正向压降之和），于是Ｖ7，Ｖ8导通,输出触发脉冲。同时，电容C3经电源+E１,R１1,VD4，V4放电和反向充电,使V5基极电位又逐渐上升，直到Ｕｂ5＞—Ｅ1（－1５Ｖ)，Ｖ5又重新导通。这时uc5又立即降到-Ｅ1,使V7,Ｖ8截止,输出脉冲终止．可见,脉冲前沿由Ｖ4导通时刻确定，Ｖ5（或V6)截止持续时间即为脉冲宽度。所以脉冲宽度与凡响充电回路时间常数Ｒ11、Ｃ１３有关。２。４．２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，恒流电路等.图１所示为恒流电路方案.由Ｖ1，V2,V3和Ｃ2等元件组成,其中Ｖ1，Vs,ＲP2和Ｒ3为一恒流电路.当V2接着时，恒流源电流Ｉ1ｃ对电容Ｃ2充电，所以C2两端电压为=1／c(∫Ｉ1cｄt）＝I1ct／c图1同步信号为锯齿波的触发电路按线性增长，即V3的基极电位按线性增长.调节电位器RP2,即改变C2的恒定充电电流Ｉ1ｃ，可见RＰ2是用来调节锯齿波斜率的．当Ｖ2

导通时,由于R4阻值很小，所以Ｃ２迅速放电，使ub3电位迅速降到零伏附近.当V２周期性地导通和关断时，ub３便形成一锯齿波，同样uｅ3也是一个锯齿波电压，如图1所示．射极跟随器Ｖ3的作用是见效控制回路的电流对锯齿波电压ｕb3的影响.V４管的基极电位由锯齿波电压，直流控制电压,直流偏移电压uｐ三个电压作用的叠加值所确定，它们分别通过电阻R６，R7和R8与基极相接.设uh为锯齿波电压ue3单独作用在V4基极b4时的电压，其值为uｈ＝ue3(Ｒ７//R8)/［R6+(R7/／R８）]可见ｕh仍为一锯齿波,但斜率比ue3底．同理偏移电压up单独作用时b4的电压u′p为up′＝up(R６//Ｒ7)/［R8＋（R6／/R7)]可见u′p仍为一条与ｕp平行的直线,但绝对值比up小.直流控制电压单独作用时b4的电压′为′=（R6//R8）/［R7+(R6//Ｒ8）]可见′仍为与平行的一直线,但绝对值比小。如果=0,up为负值时,b4点的波形有+′确定,如图2所示。当为正值时，b4点的波形由+′+确定．由于V4的存在,上述电压波形与实际波形有出入，当b4点电压等于0．7Ｖ后，V4导通。之后uｂ4一直被钳位在0。7V。所以实际波形如图２所示.图中M点是V4由截止到导通的转折点。由前面分析可知Ｖ4经过M点时使电路输出脉冲.因此当up为固定值时，改变便可改变M点的时间坐标，即改变了脉冲产生的时刻,脉冲被移相.可见，加up的目的是为了确定控制电压＝０时脉冲的初始相位。当接阻感负载电流连续时,三相全控桥的脉冲初始相位应在α＝9０度。如果是可逆系统,需要在整流和逆变状态下工作，这时要求脉冲的移相范围理论上为180度(由于考虑αｍin和βmin,实际一般为12０度)，由于锯齿波波形两端的非线性，因而要求锯齿波的宽度大于180度，例如240度，此时,令=０，调节Up的大小使产生脉冲的M点移至锯齿波２4０度的中央(120度处),对应于α=90度的位置.这时,如为正值，M点就向前移，控制角α〈９0度,晶闸管电路处于整流工作状态。如为负值，M点就向后移,控制角α>9０度，晶闸管电路处于逆变状态。2．4.3同步环节在锯齿波同步的触发电路中，触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且和相位关系确定.从图1可知，锯齿波是由开关Ｖ2管来控制的.V2由导通变截止期间产生锯齿波,V２截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度,Ｖ２开关的频率就是锯齿波的频率。要使触发脉冲与主电源同步,使Ｖ２开关的频率与主电路电源频率同步就可达到。图１中的同步环节，是由同步变压器ＴS和作同步开关用的晶体管V２组成的．同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用,这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。同步变压器Ts二次电压UTS经二极管VD１间接加在Ｖ2的基极上.当二次电压波形在负半周的下降段时,ＶD1导通,电容C１被迅速充电。因Ｏ点接地为零电位，R点为负电位,Ｑ点电位与R点相近，故在这一阶段Ｖ2基极为反向偏置，V2截止.在负半周的上升段,＋E1电源通过R1给电容C１反向充电，为电容反向充电波形，其上升速度比波形慢，故VＤ1截止,如图2所示。当Q点电位达1．4V时,Ｖ2导通，Q点电位被钳位在1。４V.直到TS二次电压的下一个负半周到来时，VD1重新道统，C１迅速放电后又被充电,V２截止.如此周而复始.在一个正弦波周期内,V2包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步,达到同步的目的．可以看出,Q点电位从同步电压负半周上升段开始时刻到达１。4Ｖ的时间越长，锯齿波就越宽.可知锯齿波的宽度是又充电时间常数R１C1决定的。2.４．4双窄脉冲形成环节本方案是采用性能价格比优越的，每个触发单元的一个周期内输出两个间隔6０度的脉冲的电路，称内双脉冲电路。图1中V５,V６两个晶体管构成一个”或”门.当Ｖ5,V６都导通时，uc5约为—15V,使V7,V8都截止,没有脉冲输出.但只要V5，V6中有一个截止,都会使uc5变为正电压，使V7，V８导通,就有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制V5或V６的截止（前后间隔6０度),就可以产生符合要求的双脉冲.其中，第一个脉冲由本相触发单元的对应的控制角α所产生,使Ｖ4由截止变为导通造成Ｖ５瞬时截止,于是V８输出脉冲.相隔60度的第二个脉冲是有滞后60度相位的后一相触发单元产生,在其生成第一个脉冲时刻将其信号引至本触发单元V６的基极,使Ｖ6瞬时截止，于是本相触发单元的V8管又导通，第二次输出一个脉冲,因而得到间隔60度的双脉冲.其中Vd4和R17的作用,主要是防止双脉冲信号互相干扰.第３章课程设计的考核３．１课程设计的考核要求课程设计采用五级(优、良、中、及格、不及格）评分制。最后成绩依据课程设计论文及平时成绩决定，其中平时考核成绩占20％。3.２课程性质与学分电力电子技术课程设计的课程性质:考查学分：2第4章设计总结这次课程设计，我掌握了电力电子设计的技巧，在查阅资料的过程中，学会了许多书本上学不到的东西，并且使自己的动手能力得到了加强，这次课程设计是我们学习完《电力电子技术》之后一次较为综合的设计，毫无疑问,每个人理论与实践的能力都得到了前所未有的锻炼，经过为期10余天的查阅资料、自己总结、与同学探讨等渠道，发现了自己在平时学习时的不足，以及出现的问题都得到了有效的解决，大学生课程设计对每个在校大学生都有很大意义,不但锻炼了我们运用知识的能力，并且为我们以后的毕业设计提供了基础，这次课程设计我更加清楚了以往学习过单相全波整流的现实意义，详细的了解了它的用途，学以致用是每一个学者学习的最终目的,尤其对我们理科生来讲，通过这次课程设计更加坚定了我学其他专业课的信心，并增强了兴趣，激发了自己学习的动力,对以后的工作、研究有很大的帮助.参考文献[１］王兆安。电力电子技术．第四版。北京：机械工业出版社,20０3［2］黄俊，秦祖荫编。电力电子自关断器件及电路.北京：机械工业出版社[3］陈治明。电力电子器件