电力电子课设《单相全控整流电路》.docx

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 1 1.1 原理方框图 1.. 1.2 主电路的设计 1.. 1.3 主电路原理说明 2. 1.4 整流电路参数的计算 2. 2元器件的选择 3 2.1 晶闸管的选取 3. 2.2 变压器的选取 4. 3触发电路的设计 4 3.1 对触发电路的要求 4. 3.2 KJ004集成触发器 4. 4保护电路的设计 5 4.1 过电压保护 6 4.1.1 过电压保护 6 4.1.2 过电流保护 7 4.1.3 电流上升率di/dt的抑制 错误！未定义书签。 4.1.4 电压上升率du/dt的抑制 错误！未定义书签。 5仿真分析与调试 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 错误！未定义书签。 参考文献 16 附录 错误！未定义书签。 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: 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:  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a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 a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 —九0 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，要开通品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，品闸管 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|出|>£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 2 . 2U 2 Ji cos： =0.9U 2 cos ; (1-1) 11 (2-3) (2-4) 当a=0时，Ud取得最大值90V即Ud = 0.9 U2=90V从而得出U2=100V, a =18C°时, Ud=0。a角的移相范围为90°o 2)整流输出电压的有效值为 1 . 一 2 U=j-L (v2U2sinwt ) d (wt) (2-2) 3)整流电流的平均值和有效值分别为 Ud U2 -E Id =——=0.9 C°S: R R U 也(石U 2 sin wt ) d (wt ) I =,"' R R 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) , 1 , - U2 -E I dvT = 一 Id = 0.45 cos ; 2 R 2元器件的选择 2.1 品闸管的选取 品闸管的主要参数如下： ①额定电压UTn 通常取Udrm和Urrm中较小的，再取靠近标准的电压等级作为品闸管型的额定电压。 在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的 2〜3倍，以保证电路的工作安全。 品闸管的额定电压UTn =1minUDRM ,Urrm) UTn = (2-3) UTM (2-7) Utm:工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 ②额定电流It(av) 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品闸管的额定电 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，则品闸管的发热、温开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，则品闸管的发热、温开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6=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。 品闸管承受最大反向电压为：. 2U2 =100,2 = 282.8V 考虑到安全裕量，故晶闸管额定电压为： UTn =(2~3)x282.8V = 565.6~848.4V 由式2-6知，流过晶闸管电流有效值最大为： VT max U2 200 2R 一5.2 = 28.28A 晶闸管额定电流为： 1TAV = 1.5〜2 士吧=27〜36A 1.57 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 品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。 3.2 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： KJ004 图3-1 KJ004管脚图 各引脚说明如下表3-1所示： 表3-1 KJ004引脚说明 功能 输 出 空 锯齿波 形成 -Vee (1k Q) 地 同步 输入 综合 比较 微分 阻容 封锁 调制 +Vcc 弓1脚号 1、15 2、6、10 3、4 5 7 8 9 11、12 13、14 16 该触发电路设计中，通过 KJ004集成触发器控制品闸管 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： 2 / £ I-I 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。  同理晶闸管过电压保护，也可采用阻容式保护方法，给每个品闸管并联一个 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，给每个晶闸管用连一个熔断器。 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 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bi和b2。在硅片中间略偏b2一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。 图5.1 5.1.1 单结晶体管的特性 从图a可以看出，两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。 Rbb=rb1+rb2 式中：Rb1——第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流 ie而变化，rb2为 第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关；发射结是PN结，与二极管等效。 若在两面三刀基极b2, b1间加上正电压Vbb,则A点电压为： VA=[rb" (rb〔+rb2)]vbb= (rb1/rbb) vbb= r] Vb 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Ve由零逐渐增加， 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Ve〈刀Vbb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Iceo。 (2)当Ve>“Vbb+VD VD为二极管正向压降(约为 0.7V), PN结正向导通，Ie显著 增加，rbi阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻 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Ip和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流， 显然Vp二4Vbb。 (3)随着发射极电流Ie的不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不再下降了，这 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Iv。 (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 续增加时，ie便缓慢的上升，显然 Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果 Ve (2-3) UTm (5.i ) UTm：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 ②额定电流I T(AV) 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 i70°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品闸管的额定 电流。 要注意的是若晶闸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 Itm < iTn ,散热冷却符合规定，则品闸管的发热、温开就能限制在允许的范围。 iTn :额定电流有效值，根据管子的IT(AV)换算出， I T(AV)、I TM I Tn二者之间的关系： 2 ITn =、1/2冗［(Im sincet) d(cot) = Im/2 = 0.5Im (5.2) IT(AV) =1/2n，Imsincotd(6t) = Im/n =0.318Im (5.3) 波形系数：有直流分量的电流波形，具有效值I与平均值Id之比称为该波形的波形系 数，用K表示。 Kf (5.4) 额定状态下，晶闸管的电流波形系数 (5.5) I Tn K f — — — — 1.57 IT(AV) 2 品闸管承受最大电压为Utm = V 2U 2 =V2M 167V =236V考虑到2倍裕量，取500V 品闸管的选择原则： I、所选品闸管电流有效值ITn大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。 H、选择时考虑(1.5〜2)倍的安全余量。即 I Tn =1.57 I T(AV) = (1.5 〜2) I TM (5.6) It(av)》(1.5〜2) -I^M 1.57 因为It=I/ V2 ，则晶闸管的额定电流为I~av)=12.5A(输出电流的有效值为最小 值，所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量，取25A.即品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勺晶闸管. 田、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。 ③通态平均管压降UT(av)。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 期内阳极与阴极电压的平均值，一般在 0.4〜1.2V。 ④ 维持电流Ih。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Ih值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。 ⑤门极触发电流Ig。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 流，一般为毫安级。 ⑥ 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。 ⑦ 通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，品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udz,而削波后的最大值 Uz既是同步信号，又是触发电路电源.当Udz过零时，电容C经e-bi、Ri迅速放电到零电压 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a）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 Up的时间增大，第一个脉冲出现的 时刻推迟，即控制角a增大，实现了移相。 5.3.触发电路的设计与说明 品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）。 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 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。 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。 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D1-D2整流后的直流电源UZ一路径R2、Ri加在单结晶体管 两个基极bi、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。 Uc刚冲点到大于峰点转折电压 Up的瞬间，管子e-bi间的电阻突然变小，开始导通。电容 C开始通过管子e-bi迅速向Ri放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。随着电容 C放电，电压Ue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, 上述过程不断重复。在电容上形成锯齿波震荡电压，在Ri上得到一系列前沿很陡的触发尖 脉冲us,如图5.3 (b)所示， - - n -- ■ - Q ■ ■ . ，，6 :， ::・,2: ■ ■ ■玉瓦 ":口出. AUDIO VIRTUAL (a) -o-』■ :5 : ・ 。 ， A-- 亩步 帆e “5CK i2 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 1 1 U Il i I ln( J (b) 其震荡频率为 f=1/T=1/R eCLn(1/1- y]) 图5.3单结晶体管触发电路及波形 14 式中“=0.3〜0.9是单结晶体管的分压比。即调节 Re,可调节振荡频率 5.4.整流电路的设计与技术要求 (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) 图5.4单相全控桥式整流电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；⑴ 晶闸管V -1 , V -4 上的电流；(g)晶闸管V -2 , V -3 上的电 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： ,, 1 2、2. Ud = — 、2U2sin td（ t） U2 cos： -0.9U2 cos： n ot n 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a无关，变压器二次绕组中电流i 2的波形是对称的正、负 方波。负载电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为1。在这种情况下： 当 a =0° 时，U=0.9U2; 当a =90°时，Ud=0,其移相范围为90°。 品闸管承受的最大正、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： 4I I dV Id 兀 2 二 Id 2 6 .调试 success 7 .设计总结 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。 整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又可以设计出很多不同的电路。 其中单相全控桥式整流电路其负载我们用的多的主要是电阻型、带大电感型，接反电动势 型。它们各自有自己的优点。 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。 这次的课程设计是我收获最大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但还是被我逐步解 决了。这次是我首次做课程设计，感觉比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题 目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的，尽管 如此，我还是迎难而上了，首先把设计任务搞清，不能盲目地去做，你连任务都不清楚从 何做起呢，接下来就是找相关资料，我每天除了上图书馆就是在网上找资料，然后对资料 进行整理，找资料说起来好像很简单，但真正做起来是需要耐心的，不是你所找的就一定 是有用的，所以这个过程中要花费一些时间做看似无用功的事，其实不尽然，这其中也拓 展了你的知识面。 通过这次课程设计我对于文档的编排格式有了一定的掌握， 这对于以后的毕业设计及 工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把 以前一些没弄懂的问题这次弄明白了很多。 15 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 参考文献 [1]王兆安、黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2008 [2]王维平.现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，1999 [3]叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，1999 [4]马建国.孟宪元.电子设计自动化技术基础.清华大学出版社，2004 [5]马建国.电子系统设计.北京：高等教育出版社,2004 [6]王锁萍.电子设计自动化教程.四川：电子科技大学出版社，2002 17