單相橋式整流電路課程設計.doc

湖南工學院 課程設計說明書 課課 題題 單相橋式整流電路的設計單相橋式整流電路的設計 專專 業(yè)業(yè) 電氣自動化電氣自動化 班班 級級 電氣電氣 0601 班班 姓姓 名名 陳陳 澍澍 學學 號 號 401060704 指導老師 指導老師 肖肖 文文 英英 前前 言言 隨著科學技術的日益發(fā)展 人們對電路的要求也越來越高 由于在生產實際 中需要大小可調的直流電源 而相控整流電路結構簡單 控制方便 性能穩(wěn)定 利 用它可以方便地得到大中 小各種容量的直流電能 是目前獲得直流電能的主要 方法 得到了廣泛應用 但是晶雜管相控整流電路中隨著觸發(fā)角 的增大 電 流中諧波分量相應增大 因此功率因素很低 把逆變電路中的 SPWM 控制技術 用于整流電路 就構成了 PWM 整流電路 通過對 PWM 整流電路的適當控制 可以使其輸入電流非常接近正弦波 且和輸入電壓同相位 功率因素近似為 1 這種整流電路稱為高功率因素整流器 它具有廣泛的應用前景 由于電力電子技術是將電子技術和控制技術引入傳統(tǒng)的電力技術領域 利 用半導體電力開關器件組成各種電力變換電路實現(xiàn)電能和變換和控制 而構成 的一門完整的學科 故其學習方法與電子技術和控制技術有很多相似之處 因 此要學好這門課就必須做好實驗和課程設計 因而我們進行了此次課程設計 又因為整流電路應用非常廣泛 而鋸齒波移相觸發(fā)三相晶閘管全控整流電路又 有利于夯實基礎 故我們單結晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全控整流電路這一課題 作為這一課程的課程設計的課題 目目 錄錄 1 設計任務說明 1 2 方案選擇 2 2 1 器件的介紹 2 2 2 整流電路的比較 5 3 輔助電路的設計 7 3 1 驅動電路的設計 7 3 2 保護電路的設計 11 3 3 過壓保護 12 3 4 電流上升率 電壓上升率的抑制保護 13 4 主體電路的設計 14 4 1 主要電路原理及說明 14 4 2 感性負載可控整流電路 15 4 3 主電路的設計 17 4 5 主要元器件的說明 18 4 5 性能指標分析 20 4 6 元器件清單 20 5 設計總結 22 6 參考文獻 23 7 鳴謝 24 1 單相橋式整流電路設計任務書 1 設計任務和要求 1 設計任務 1 進行設計方案的比較 并選定設計方案 2 完成單元電路的設計和主要元器件說明 3 完成主電路的原理分析 各主要元器件的選擇 4 驅動電路的設計 保護電路的設計 2 設計要求 1 單相橋式相控整流的設計要求為 1 負載為感性負載 L 700mH R 500 歐姆 2 技術要求 1 電網供電電壓為單相 220V 2 電網電壓波動為 5 10 3 輸出電壓為 0 100V 2 2 方案的選擇方案的選擇 單相橋式整流電路可分為單相橋式相控整流電路和單相橋式半控整流電路 它們所連接的負載性質不同就會有不同的特點 下面分析兩種單相橋式整流電 路在帶電感性負載的工作情況 單相半控整流電路的優(yōu)點是 線路簡單 調整方便 弱點是 輸出電壓脈動沖 大 負載電流脈沖大 電阻性負載時 且整流變壓器二次繞組中存在直流分 量 使鐵心磁化 變壓器不能充分利用 而單相全控式整流電路具有輸出電流脈 動小 功率因數高 變壓器二次電流為兩個等大反向的半波 沒有直流磁化問 題 變壓器利用率高的優(yōu)點 單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路 2 倍 在相同的負載下 流過晶閘管的平均電流減小一半 且功率因數提高了一半 單相半波相控整流電路因其性能較差 實際中很少采用 在中小功率場合采 用更多的是單相全控橋式整流電路 根據以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路 負載為阻感 性負載 2 1 元器件的選擇元器件的選擇 2 1 1 晶閘管的介紹 晶管又稱為晶體閘流管 可控硅整流 Silicon Controlled Rectifier SCR 開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代 20 世紀 80 年代以來 開 始被性能更好的全控型器件取代 能承受的電壓和電流容量最高 工作可靠 以被廣泛應用于相控整流 逆變 交流調壓 直流變換等領域 成為功率低頻 200Hz 以下 裝置中的主要器件 晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型 普 通晶閘管 廣義上講 晶閘管還包括其許多類型的派生器件 2 1 1 1 晶閘管的結構 晶閘管是大功率器件 工作時產生大量的熱 因此必須安裝散熱器 外行 螺栓型和平板型兩種封裝 引出陽極 A 陰極 K 和門極 或稱柵極 G 三個聯(lián)接端 對于螺栓型封裝 通常螺栓是其陽極 能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便 平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間 內部結構 四層三個結如圖 2 1 1 1 圖2 1 1 1 晶閘管的外形 內部結構 電氣圖形符號和模塊外形 a 晶閘管外形 b 內部結構 c 電氣圖形符號 d 模塊外形 2 1 1 2 晶閘管的工作原理圖 晶閘管由四層半導體 P1 N1 P2 N2 組成 形成三個結 J1 P1N1 J2 N1P2 J3 P2N2 并分別從 P1 P2 N2引入 A G K 三個電極 如圖 1 2 左 所示 由于具有擴散工藝 具有三結四層結構的普通晶閘管可以等效成 如圖 2 1 1 2 右 所示的兩個晶閘管 T1 P1 N1 P2 和 N1 P2 N2 組成的等效 電路 圖 2 1 1 2 晶閘管的內部結構和等效電路 晶閘管的驅動過程更多的是稱為觸發(fā) 產生注入門極的觸發(fā)電流 的電 路稱為門極觸發(fā)電路 也正是由于能過門極只能控制其開通 不能控制其關斷 晶閘管才被稱為半控型器件 其他幾種可能導通的情況 1 陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應 2 陽極電壓上升率 du dt 過高 3 結溫較高 4 光直接照射硅片 即光觸發(fā) 光控晶閘管 只有門極觸發(fā)是最精確 迅速而可靠的控制手段 2 1 2 可關斷晶閘管 可關斷晶閘管簡稱 GTO 它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點 如耐壓高 電流 大等 同時它又是全控型器件 即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導通 在負脈沖電 流觸發(fā)下關斷 2 1 2 1 可關斷晶閘管的結構 GTO 的內部結構與普通晶閘管相同 都是 PNPN 四層結構 外部引出陽 極 陰極 和門極 如圖 1 3 和普通晶閘管不同 GTO 是一種多元胞的功 率集成器件 內部包含十個甚至數百個共陽極的小 GTO 元胞 這些 GTO 元胞 的陰極和門極在器件內部并聯(lián)在一起 使器件的功率可以到達相當大的數值 2 1 2 1 GTO 的結構 等效電路和圖形符號 2 1 2 2 可關斷晶閘管的工作原理 GTO 的導通機理與 SCR 是完全一樣的 GTO 一旦導通之后 門極信號是 可以撤除的 在制作時采用特殊的工藝使管子導通后處于臨界飽和 而不像普 通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài) 這樣可以用門極負脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài) 使其關斷 GTO 在關斷機理上與 SCR 是不同的 門極加負脈沖即從門極抽出 電流 即抽出飽和導通時儲存的大量載流子 強烈正反饋使器件退出飽和而關 斷 2 1 3 晶閘管的派生器件 在晶閘管的家族中 除了最常用的普通型晶閘管之外 根據不同的的實際 需要 珩生出了一系列的派生器件 主要有快速晶閘管 FST 雙向晶閘管 TRIAL 可關斷晶閘管 GTO 逆導晶閘管 RCT 和光控晶閘管 2 2 整流電路 我們知道 單相整流器的電路形式是各種各樣的 整流的結構也是比較多 的 因此在做設計之前我們主要考慮了以下幾種方案 方案一方案一 單相橋式半控整流電路 電路簡圖如下 圖 2 2 1 對每個導電回路進行控制 相對于全控橋而言少了一個控制器件 用二極管代 替 有利于降低損耗 如果不加續(xù)流二極管 當 突然增大至 180 或出發(fā)脈 沖丟失時 由于電感儲能不經變壓器二次繞組釋放 只是消耗在負載電阻上 會發(fā)生一個晶閘管導通而兩個二極管輪流導通的情況 這使 ud 成為正弦半波 即半周期 ud 為正弦 另外半周期為 ud 為零 其平均值保持穩(wěn)定 相當于單相 半波不可控整流電路時的波形 即為失控 所以必須加續(xù)流二極管 以免發(fā)生 失控現(xiàn)象 方案二方案二 單相橋式全控整流電路 電路簡圖如下 圖 2 2 2 此電路對每個導電回路進行控制 無須用續(xù)流二極管 也不會失控現(xiàn)象 負載形式多樣 整流效果好 波形平穩(wěn) 應用廣泛 變壓器二次繞組中 正負 兩個半周電流方向相反且波形對稱 平均值為零 即直流分量為零 不存在變 壓器直流磁化問題 變壓器的利用率也高 方案三方案三 單相半波可控整流電路 電路簡圖如下 圖 2 2 3 此電路只需要一個可控器件 電路比較簡單 VT 的 a 移相范圍為 180 但輸出脈動大 變壓器二次側電流中含直流分量 造成變壓器鐵芯直流磁化 為使變壓器鐵心不飽和 需增大鐵心截面積 增大了設備的容量 實際上很 少應用此種電路 方案四方案四 單相全波可控整流電路 電路簡圖如下 圖 2 2 4 此電路變壓器是帶中心抽頭的 結構比較復雜 只要用 2 個可控器件 單 相全波只用 2 個晶閘管 比單相全控橋少 2 個 因此少了一個管壓降 相應地 門極驅動電路也少 2 個 但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的 2 倍 不 存在直流磁化的問題 適用于輸出低壓的場合作電流脈沖大 電阻性負載時 且整流變壓器二次繞組中存在直流分量 使鐵心磁化 變壓器不能充分利用 而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動小 功率因數高 變壓器二次電流為 兩個等大反向的半波 沒有直流磁化問題 變壓器利用率高的優(yōu)點 相同的負 載下流過晶閘管的平單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路 2 倍 在均電流減小一半 且功率因數提高了一半 根據以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路 負載為阻感性 負載 綜上所述 針對他們的優(yōu)缺點 我們采用方案二 即單相橋式全控整流電路 3 3 驅動電路的設計驅動電路的設計 3 13 1 驅動電路的設計驅動電路的設計 3 1 1 觸發(fā)電路的論證與選擇觸發(fā)電路的論證與選擇 3 1 1 1 單結晶體管的工作原理 單結晶體管原理單結晶體管 簡稱 UJT 又稱基極二極管 它是一種只有 PN 結和兩個電阻接觸電極的半導體器件 它的基片為條狀的高阻 N 型硅片 兩端分別用歐姆接觸引出兩個基極 b1和 b2 在硅片中間略偏 b2一側用合金法制 作一個 P 區(qū)作為發(fā)射極 e 其結構 符號和等效電如圖 3 1 1 1 所示 圖 3 1 1 1 3 1 1 2 單結晶體管的特性 從圖一可以看出 兩基極 b1和 b2之間的電阻稱為基極電阻 Rbb rb1 rb2 式中 Rb1 第一基極與發(fā)射結之間的電阻 其數值隨發(fā)射極電流 ie而變化 rb2為第二基極與發(fā)射結之間的電阻 其數值與 ie無關 發(fā)射結是 PN 結 與二 極管等效 若在兩面三刀基極 b2 b1間加上正電壓 Vbb 則 A 點電壓為 VA rb1 rb1 rb2 vbb rb1 rbb vbb Vbb 式中 稱為分壓比 其值一般在 0 3 0 85 之間 如果發(fā)射極電壓 VE由零 逐漸增加 就可測得單結晶體管的伏安特性 見圖二 圖 3 1 1 2 單結晶體管的伏安特性 1 當 Ve Vbb時 發(fā)射結處于反向偏置 管子截止 發(fā)射極只有很小的 漏電流 Iceo 2 當 Ve Vbb VD VD 為二極管正向壓降 約為 0 7V PN 結正向導通 Ie顯著增加 rb1阻值迅速減小 Ve相應下降 這種電壓隨電流增加反而下降的 特性 稱為負阻特性 管子由截止區(qū)進入負阻區(qū)的臨界 P 稱為峰點 與其對應 的發(fā)射極電壓和電流 分別稱為峰點電壓 Ip和峰點電流 Ip Ip是正向漏電流 它是使單結晶體管導通所需的最小電流 顯然 Vp Vbb 3 隨著發(fā)射極電流 Ie的不斷上升 Ve不斷下降 降到 V 點后 Ve不再下降 了 這點 V 稱為谷點 與其對應的發(fā)射極電壓和電流 稱為谷點電壓 Vv和谷 點電流 Iv 4 過了 V 后 發(fā)射極與第一基極間半導體內的載流子達到了飽和狀態(tài) 所 以 uc繼續(xù)增加時 ie便緩慢的上升 顯然 Vv是維持單結晶體管導通的最小發(fā)射 極電壓 如果 Ve Vv 管子重新截止 單結晶體管的主要參數 1 基極間電阻 Rbb發(fā)射極開路時 基極 b1 b2之間的電阻 一般為 2 10 千 歐 其數值隨溫度的上升而增大 2 分壓比 由管子內部結構決定的參數 一般為 0 3 0 85 3 eb1間反向電壓 Vcb1 b2開路 在額定反向電壓 Vcb2 下 基極 b1 與發(fā)射 極 e 之間的反向耐壓 4 反向電流 Ieo b1開路 在額定反向電壓 Vcb2下 eb2間的反向電流 5 發(fā)射極飽和壓降 Veo在最大發(fā)射極額定電流時 eb1間的壓降 6 峰點電流 Ip單結晶體管剛開始導通時 發(fā)射極電壓為峰點電壓時的發(fā)射極 電流 3 1 2 觸發(fā)電路 晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā) 過零觸發(fā)和脈沖列調制觸發(fā)等 觸發(fā)電路對 其產生的觸發(fā)脈沖要求 1 觸發(fā)信號可為直流 交流或脈沖電壓 2 觸發(fā)信號應有足夠的功率 觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流 3 觸發(fā)脈沖應有一定的寬度 脈沖的前沿盡可能陡 以使元件在觸發(fā)導通后 陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通 4 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步 脈沖移相范圍必須滿足電路要求 3 1 2 1 單結晶體管觸發(fā)電路 由單結晶體管構成的觸發(fā)電路具有簡單 可靠 抗干擾能力強 溫度補償 性能好 脈沖前沿徒等優(yōu)點 在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應用 他由 自激震蕩 同步電源 移相 脈沖形成等部分組成 電路圖如 3 1 2 2 a 所示 3 1 2 2 單結晶體管自激震蕩電路 利用單結晶體管的負阻特性與 RC 電路的充放電可組成自激振蕩電路 產 生頻率可變的脈沖 從圖 3 1 2 2 a 可知 經 D1 D2整流后的直流電源 UZ 一路徑 R2 R1加 在單結晶體管兩個基極 b1 b2之間 另一路通過 Re 對電容 C 充電 發(fā)射極電 壓 ue uc按指數規(guī)律上升 Uc剛沖點到大于峰點轉折電壓 Up的瞬間 管子 e b1 間的電阻突然變小 開始導通 電容 C 開始通過管子 e b1迅速向 R1放電 由 于放電回路電阻很小 故放電時間很短 隨著電容 C 放電 電壓 Ue小于一定值 管子 BT 又由導通轉入截止 然后電源又重新對電容 C 充電 上述過程不斷重 復 在電容上形成鋸齒波震蕩電壓 在 R1上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖脈沖 us 如圖 3 1 2 2 b 所示 其震蕩頻率為 f 1 T 1 ReCLn 1 1 式中 0 3 0 9 是單結晶體管的分壓比 即調節(jié) Re 可調節(jié)振蕩頻率 圖 3 1 2 2 單結晶體管觸發(fā)電路及波形 3 1 3 同步電源 步電壓又變壓器 TB 獲得 而同步變壓器與主電路接至同一電源 故同步 電壓于主電壓同相位 同頻率 同步電壓經橋式整流 穩(wěn)壓管 DZ削波為梯形波 uDZ 而削波后的最大值 UZ既是同步信號 又是觸發(fā)電路電源 當 UDZ過零時 電容 C 經 e b1 R1迅速放電到零電壓 這就是說 每半周開始 電容 C 都從零開始充電 進而保證每周期觸發(fā)電路送出第一個脈沖距離過零的時刻 即控制角 一致 實 現(xiàn)同步 1 1 ln 11 CR T f e 1 1 ln 11 CR T f e 3 1 4 移相控制 當 Re增大時 單結晶體管發(fā)射極充電到峰點電壓 Up的時間增大 第一個 脈沖出現(xiàn)的時刻推遲 即控制角 增大 實現(xiàn)了移相 3 1 5 脈沖輸出 觸發(fā)脈沖 ug由 1直接取出 這種方法簡單 經濟 但觸發(fā)電路與主電路 有直接的電聯(lián)系 不安全 對于晶閘管串聯(lián)接法的全控橋電路無法工作 所以 一般采用脈沖變壓器輸出 3 23 2 保護電路的設計保護電路的設計 3 2 1 保護電路的論證與選擇 電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時可能會發(fā)生過流 過壓 造成開關器件的永久 性損壞 過流 過壓保護包括器件保護和系統(tǒng)保護兩個方面 檢測開關器件的 電流 電壓 保護主電路中的開關器件 防止過流 過壓損壞開關器件 檢測 系統(tǒng)電源輸入 輸出及負載的電流 電壓 實時保護系統(tǒng) 防止系統(tǒng)崩潰而造 成事故 例如 R C 阻容吸收回路 限流電感 快速熔斷器 壓敏電阻或硒堆 等 再一種則是采用電子保護電路 檢測設備的輸出電壓或輸入電流 當輸出 電壓或輸入電流超過允許值時 借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內工作于 有源逆變工作狀態(tài) 從而抑制過電壓或過電流的數值 3 2 2 過電流保護 當電力電子變流裝置內部某些器件被擊穿或短路 驅動 觸發(fā)電路或控制 電路發(fā)生故障 外部出現(xiàn)負載過載 直流側短路 可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產生逆變失敗 以及交流電源電壓過高或過低 均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作 電流 即出現(xiàn)過電流 因此 必須對電力電子裝置進行適當的過電流保護 采用快速熔斷器作過電流保護 其接線圖 見圖 3 2 2 熔斷器是最簡單的過 電流保護元件 但最普通的熔斷器由于熔斷特性不合適 很可能在晶閘管燒壞 后熔斷器還沒有熔斷 快速熔斷器有較好的快速熔斷特性 一旦發(fā)生過電流可 及時熔斷起到保護作用 最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔 因流過快熔 電流和晶閘管的電流相同 所以對元件的保護作用最好 這里就應用這一方法 快熔抑制過電流電路圖如下圖所示 圖 3 2 2 快速熔短器的接入方法 A 型熔斷器 特點 是熔斷器與每一個元件串連 能可靠的保護每一個元件 B 型熔斷器 特點 能在交流 直流和元件短路時起保護作用 其可靠性稍有降低 C 型熔斷器 特點 直流負載側有故障時動作 元件內部短路時不能起保護作用 對于第二類過流 即整流橋負載外電路發(fā)生短路而引起的過電流 則應當采用 電子電路進行保護 常見的電子保護原理圖如 6 2 3 所示 圖 3 2 3 過流保護原理圖 3 3 過壓保護 設備在運行過程中 會受到由交流供電電網進入的操作過電壓和雷擊過電 壓的侵襲 同時 設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn) 過電壓保護的第一種方法是并接 R C 阻容吸收回路 以及用壓敏電阻或硒 堆等非線性元件加以抑制 見圖 3 3 1 和圖 3 3 2 圖 3 3 1 阻容三角抑制過電壓 圖 3 3 2 壓敏電阻過壓 過電壓保護的第二種方法是采用電子電路進行保護 常見的電子保護原理圖 如圖 3 3 3 所示 圖 3 3 3 過電壓保護電路 3 4 電流上升率 電壓上升率的抑制保護 1 電流上升率 di dt 的抑制 晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域 局部電流密 度很大 然后以 0 1mm s 的擴展速度將電流擴展到整個陰極面 若晶閘管開通 時電流上升率 di dt 過大 會導致 PN 結擊穿 必須限制晶閘管的電流上升率使 其在合適的范圍內 其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感 如下圖 3 4 所示 圖 3 4 串聯(lián)電感抑制回路 2 電壓上升率 dv dt 的抑制 加在晶閘管上的正向電壓上升率 dv dt 也應有所限制 如果 dv dt 過大 由于 晶閘管結電容的存在而產生較大的位移電流 該電流可以實際上起到觸發(fā)電流 的作用 使晶閘管正向阻斷能力下降 嚴重時引起晶閘管誤導通 為抑制 dv dt 的作用 可以在晶閘管兩端并聯(lián) R C 阻容吸收回路 如圖 6 5 所示 圖 6 5 并聯(lián) R C 阻容吸收回 4 主體電路的設計主體電路的設計 4 1 主要電路原理及說明主要電路原理及說明 當負載由電阻和電感組成時稱為阻感性負載 例如各種電機的勵磁繞組 整 流輸出端接有平波電抗器的負載等等 單相橋式整流電路帶阻感性負載的電路 如圖 5 1 所示 由于電感儲能 而且儲能不能突變因此電感中的電流不能突變 即 電感具有阻礙電流變化的作用 當流過電感中的電流變化時 在電感兩端將產生 感應電動勢 引起電壓降 UL 負載中電感量的大小不同 整流電路的工作情況及輸出 Ud id 的波形具有不同 的特點 當負載電感量 L 較小 即負載阻抗角 控制角 時 負載上 的電流不連續(xù) 當電感 L 增大時 負載上的電流不連續(xù)的可能性就會減小 當 電感 L 很大 且 Ld Rd示時 這種負載稱為大電感負載 此時大電感阻止負 載中電流的變化 負載電流連續(xù) 可看作一條水平直線 各電量的波形圖如圖 5 1 所示 在電源電壓 u2 正半周期間 晶閘管 T1 T2 承受正向電壓 若在 t 時 觸發(fā) T1 T2 導通 電流經 T1 負載 T2 和 Tr二次形成回路 但由于大電 感的存在 u2 過零變負時 電感上的感應電動勢使 T1 T2 繼續(xù)導通 直到 T3 T4 被觸發(fā)時 T1 T2 承受反向電壓而截止 輸出電壓的波形出現(xiàn)了負 值部分 在電源電壓 u2 負半周期間 晶閘管 T3 T4 承受正向電壓 在 t 時觸 發(fā) T3 T4 導通 T1 T2 反向則制 負載電流從 T1 T2 中換流至 T3 T4中 在 t 2 時 電壓 u2過零 T3 T4因電感中的感應電動勢一直導 通 直到下個周期 T1 T2 導通時 T3 T4因加反向電壓才截止 值得注意的是 只有當 2 時 負載電流才連續(xù) 當 2 時 負 載電流不連續(xù) 而且輸出電壓的平均值均接近于零 因此這種電路控制角的移 相范圍是 0 2 4 24 2 電感負載可控整流電路電感負載可控整流電路 4 2 14 2 1 單相全控橋式整流電路單相全控橋式整流電路 在生產實踐中 除了電阻性負載外 最常見的負載還有電感性負載 如 電動機的勵磁繞組 整流電路中串入的濾波電抗器等 為了便于分析和計算 在電路圖中將電阻和電感分開表示 當整流電路帶電感性負載時 整流工作的物理過程和電壓 電流波形都與 帶電阻性負載時不同 因為電感對電流的變化有阻礙作用 即電感元件中的電 流 圖 4 2 1 單相全控橋式整流電路電感性負載及其波形 a 電路 b 電源電壓 c 觸發(fā)脈沖 d 輸出電壓 e 輸出電流 f 晶閘管 V 1 V 4 上的電流 g 晶閘管 V 2 V 3 上的電流 h 變壓器副邊電流 i 晶閘管 V 1 V 4 上的電壓 不能突變 當電流變化時電感要產生感應電動勢而阻礙其變化 所以 電 路電流的變化總是滯后于電壓的變化 負載電流連續(xù)時 整流電壓平均值可按下式計算 T u2 u1 i2 V2V1 V4V3 ud id R a b c d e f L g h i u2 0 t ug 0 t1 t2 t ud 0 t 0 id t iV1 4 0 iV2 3 0 t t i2 0 uV1 4 0 t t cos9 0cos 22 sin2 1 222 UUttdUUd 輸出電流波形因電感很大 平波效果很好而呈一條水平線 兩組晶閘管輪 流導電 一個周期中各導電 180 且與 無關 變壓器二次繞組中電流i2 的波形是對稱的正 負方波 負載電流的平均值Id和有效值I相等 其波形系 數為 1 在這種情況下 當 0 時 Ud 0 9U2 當 90 時 Ud 0 其移相范圍為 90 晶閘管承受的最大正 反向電壓都是 流過每個晶閘管的電流平均值和有效值分別為 4 3 主電路的設計主電路的設計 4 3 1 主電路原理圖主電路原理圖 ddd V V ddd V dV IIII IIII 2 2 22 2 1 22 4 3 2 原理圖分析 該電路主要由四部分構成 分別為電源 過電保護電路 整流電路和觸發(fā) 電路構成 輸入的信號經變壓器變壓后通過過電保護電路 保證電路出現(xiàn)過載 或短路故障時 不至于傷害到晶閘管和負載 在電路中還加了防雷擊的保護電 路 然后將經變壓和保護后的信號輸入整流電路中 整流電路中的晶閘管在觸 發(fā)信號的作用下動作 以發(fā)揮整流電路的整流作用 在電路中 過電保護部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護 而過壓保護 則采用 RC 電路 這部分的選擇主要考慮到電路的簡單性 所以才這樣的保護 電路部分 整流部分電路則是根據題目的要求 選擇的我們學過的單相橋式整 流電路 該電路的結構和工作原理是利用晶閘管的開關特性實現(xiàn)將交流變?yōu)橹?流的功能 觸發(fā)電路是由設計題目而定的 題目要求了用單結晶體管直接觸發(fā) 電路 單結晶體管直接觸發(fā)電路的移相范圍變化較大 而且由于是直接觸發(fā)電 路它的結構比較簡單 一方面是方便我們對設計電路中變壓器型號的選擇 4 44 4 主要元器件的說明主要元器件的說明 由于單相橋式全控整流帶電感性負載主電路主要元件是晶閘管 所以選取 元件時主要考慮晶閘管的參數及其選取原則 4 4 1 晶閘管的主要參數如下 額定電壓UTn 通常取UDRM和URRM中較小的 再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額 定電壓 在選用管子時 額定電壓應為正常工作峰值電壓的2 3 倍 以保證 電路的工作安全 晶閘管的額定電壓 RRMDRMTn UUU min UTn 2 3 UTM 4 4 1 UTM 工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓 額定電流IT AV IT AV 又稱為額定通態(tài)平均電流 其定義是在室溫40 和規(guī)定的冷卻條件 下 元件在電阻性負載流過正弦半波 導通角不小于170 的電路中 結溫不 超過額定結溫時 所允許的最大通態(tài)平均電流值 將此電流按晶閘管標準電流 取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流 要注意的是若晶閘管的導通時間遠小于正弦波的半個周期 即使正向電流 值沒超過額定值 但峰值電流將非常大 可能會超過管子所能提供的極限 使 管子由于過熱而損壞 在實際使用時不論流過管子的電流波形如何 導通角多大 只要其最大電 流有效值ITM ITn 散熱冷卻符合規(guī)定 則晶閘管的發(fā)熱 溫升就能限制在 允許的范圍 ITn 額定電流有效值 根據管子的IT AV 換算出 IT AV ITM ITn 三者之間的關系 4 4 2 Im5 02Im sin Im2 1 0 2 tdtITn 4 4 3 Im318 0 Im sinIm2 1 0 ttdI AVT 波形系數 有直流分量的電流波形 其有效值 與平均值之比稱為該波形I d I 的波形系數 用Kf表示 4 4 2 d f I I K 額定狀態(tài)下 晶閘管的電流波形系數 4 4 6 57 1 2 AVT Tn f I I K 晶閘管承受最大電壓為考慮到 2 倍裕量 VVUUTM15711122 2 取 400V 晶閘管的選擇原則 所選晶閘管電流有效值ITn 大于元件 在電路中可能流過的最大電流 有效值 選擇時考慮 1 5 2 倍的安全余量 即ITn 1 57 IT AV 1 5 2 ITM 4 4 7 57 1 2 5 1 TM AVT I I 因為 則晶閘管的額定電流為 10A 輸出電流的有效值為最小 2 I IT AVT I 值 所以該額定電流也為最小值 考慮到 2 倍裕量 取 20A 即晶閘管的額定 電流至少應大于 20A 在本次設計中我選用 4 個 KP20 4 的晶閘管 若散熱條件不符合規(guī)定要求時 則元件的額定電流應降低使用 通態(tài)平均管壓降 UT AV 指在規(guī)定的工作溫度條件下 使晶閘管導通的正 弦波半個周期內陽極與陰極電壓的平均值 一般在0 4 1 2V 維持電流IH 指在常溫門極開路時 晶閘管從較大的通態(tài)電流降到剛好 能保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流 一般IH值從幾十到幾百毫安 由晶閘 管電流容量大小而定 門極觸發(fā)電流Ig 在常溫下 陽極電壓為6V