基于單相全控橋式整流電路的有環(huán)流可逆直流拖動系統(tǒng)的設(shè)計

1、摘要本次課程設(shè)計主要是運用單相全控橋式晶閘管整流電路來控制直流電動機的可你運行的研究。通過對整流電路主電路的設(shè)計，用兩組晶閘管反并聯(lián)的 V-M 系統(tǒng)來控制直流電動機。本設(shè)計主要應(yīng)用電力電子技術(shù)中單相全控橋式整流電路的知識來設(shè)計。主電路中包括電路參數(shù)的計算，器件的選型；觸發(fā)電路中包括器件選擇，參數(shù)設(shè)計；保護電路包括過電壓保護，過電流保護，電壓上升率抑制，電流上升率抑制。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：單相全控整流電路 直流電動機 晶閘管目錄引言 .1第一章 主電路設(shè)計 .21.1 主電路的結(jié)構(gòu) .21.2 主電路的工作原理 .21.3 整流電路參數(shù)的計算 .3第二章 晶閘管元器件的選擇 .42.1 晶閘管額定電壓

2、的確定 .42.2 晶閘管額定電流的確定 .42.3 晶閘管的型號確定 .4第三章 驅(qū)動電路的設(shè)計 .63.1 觸發(fā)電路的簡介 .63.2 對觸發(fā)電路的要求 .63.3 集成觸發(fā)電路 TCA785 .6第四章 保護電路的設(shè)計 .84.1 過電壓保護 .84.1.1 交流側(cè)過電壓保護可采用阻容保護或壓敏電阻保護 .84.1.2 直流側(cè)過電壓保護.94.1.3 晶閘管兩端的過電壓保護.94.2 過電流保護 .94.3 電壓上升率DU/DT的抑制 .104.4 電流上升率DI/DT的抑制 .10結(jié)論結(jié)論 .11心得體會 .12參考文獻 .13遼寧工程技術(shù)大學課程設(shè)計1引言整流電路按組成的器件不同，可

3、分為不可控、半控與全控三種，利用晶閘管半導體器件構(gòu)成的主要有半控和全控整流電路；按電路接線方式可分為橋式和零式整流電路；按交流輸入相數(shù)又可分為單相、多相（主要是三相）整流電路。正是因為整流電路有著如此廣泛的應(yīng)用，因此整流電路的研究無論在是從經(jīng)濟角度，還是從科學研究角度上來講都是很有價值的。單相全控橋式整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數(shù)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。單相全控橋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(shù)提高了一半。因此在本次可逆有環(huán)流拖動系統(tǒng)的設(shè)計中采用單相全控橋式整流電

4、路。祝杰：基于單相全控橋式整流電路的有環(huán)流可逆直流拖動系統(tǒng)的設(shè)計2第一章 主電路設(shè)計1.1 主電路的結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示為可逆有環(huán)流拖動系統(tǒng)的主電路線路。D4D1D2D3D5D6D7D8S1M7T1T25423L181圖 1-1 可逆有環(huán)流拖動系統(tǒng)的主電路1.2 主電路的工作原理改變電樞兩端的電壓能使電動機改變轉(zhuǎn)向。盡管電樞反接需要較大容量的晶閘管裝置，但是它反向過程快，由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕枰赡孢\行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，電動機正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管裝置 VF 供電；反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置 VR 供電。如圖 1 所示兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，可以做到

5、互不干擾，都能靈活地控制電動機的可逆運行，所以本設(shè)計采用兩組晶閘管反并聯(lián)的方式。并且采用三相橋式整流。雖然兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆 V-M 系統(tǒng)解決了電動機的正、反轉(zhuǎn)運行的問題，但是兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流， ，稱作環(huán)流，一般地說，這樣的環(huán)流對負載無益，只會加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功率。環(huán)流太大時會導致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應(yīng)該在正組處于整流狀態(tài)、為正時，強迫dofU讓反組處于逆變狀態(tài)、使為負，且幅值與相等，使逆變電壓把整流電壓dorUdofUdorU頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是dofUdo

6、fdorUU又由于rdodorfdodofUUUUcoscosmaxmax遼寧工程技術(shù)大學課程設(shè)計3其中，分別為 VF 和 VR 的控制角。由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大rf和輸出電壓是一樣的，因此，當直流平均環(huán)流為零時，應(yīng)有maxdoU180coscosrffr如果反組的控制角用逆變角表示，則按照這樣控制就可以消除環(huán)流。rrf1.3 整流電路參數(shù)的計算在整流電路的參數(shù)計算過程中直流電動機和平波電抗器的串聯(lián)可以看作是整流電路帶阻感負載的形式。假設(shè)直流電動機的參數(shù)如下：直流電動機：PN=3KW,UN=220V,IN=17.5A,nN=1500r/min,Ra=1.25，電樞回路總電阻 ：R=

7、2.85平波電抗器的阻抗值：。mHL401.在阻感負載下電流連續(xù)，整流輸出電壓的平均值為22212 22sin()cos0.9cosdUUtdtUU 由設(shè)計任務(wù)有電感，電阻 R=1.25，則輸出電壓平均值的mHL40220VU2dU最大值可由下式可求得。20.9cos00.9 220 1198VdUU 可見，當在范圍內(nèi)變化時，整流器輸出電壓可在范圍內(nèi)取值。2/00 198V2.整流輸出電壓有效值為2221( 2sin)()220VUUtdtU 3.整流輸出電流平均值為：ARRfLURUIdd1522a2dd祝杰：基于單相全控橋式整流電路的有環(huán)流可逆直流拖動系統(tǒng)的設(shè)計4第二章 晶閘管元器件的選擇

8、2.1 晶閘管額定電壓的確定晶閘管在導通時管壓降=0,故其波形為與橫軸重合的直線段；VT1 和 VT2 加正向電Tu壓但觸發(fā)脈沖沒到時，VT3、VT4 已導通，把整個電壓加到 VT1 或 VT2 上，則每個元2u件承受的最大可能的正向電壓等于；VT1 和 VT2 反向截止時漏電流為零，只要另一22U組晶閘管導通，也就把整個電壓加到 VT1 或 VT2 上，故兩個晶閘管承受的最大反向2u電壓也為。UN 為 23 倍的最大反向電壓22U2.2 晶閘管額定電流的確定在一個周期內(nèi)每組晶閘管各導通 180，兩組輪流導通，整流變壓器二次電流是正、負對稱的方波，電流的平均值和有效值相等，其波形系數(shù)為 1。d

9、II流過每個晶閘管的電流平均值與有效值分別為：AIIVT5 . 721ddAIIVT6 .1021d2.3 晶閘管的型號確定由以上分析計算知選取晶閘管的型號 KP20-8。3、KP20-8 晶閘管的具體參數(shù)額定通態(tài)平均電流（）：20A;)(AVTI斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（）:500V;DRMU反向重復(fù)峰值電壓（）:1800V;RRMU斷態(tài)重復(fù)平均電流（）:8mA;)(AVDRI反向重復(fù)平均電流（）:8mA;)(AVRRI遼寧工程技術(shù)大學課程設(shè)計5門極觸發(fā)電流（）:60mA;GTI門極觸發(fā)電壓（）:1.8V;GTU斷態(tài)電壓臨界上升率（du/dt）:50V/uS維持電流（）：100mA;HI額定結(jié)溫（）

10、：125jMT祝杰：基于單相全控橋式整流電路的有環(huán)流可逆直流拖動系統(tǒng)的設(shè)計6第三章 驅(qū)動電路的設(shè)計3.1 觸發(fā)電路的簡介電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用良好的性能的驅(qū)動電路?？梢允闺娏﹄娮悠骷ぷ髟诒容^理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，對裝置的運行效率，可靠性和安全性都有很大的意義。對于相控電路這樣使用晶閘管的場合，在晶閘管陽極加上正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上觸發(fā)電壓，晶閘管才能從截止轉(zhuǎn)變?yōu)閷?，習慣上稱為觸發(fā)控制。提供這個觸發(fā)電壓的電路稱為晶閘管的觸發(fā)電路。它決定每一個晶閘管的觸發(fā)導通時刻，是晶閘管裝置

11、中不可缺少的一個重要組成部分。晶閘管相控整流電路，通過控制觸發(fā)角的大小即控制觸發(fā)脈沖起始位來控制輸出電壓的大小，為保證相控電路的正常工作，很重要的一點是應(yīng)保證觸發(fā)角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。3.2 對觸發(fā)電路的要求晶閘管的型號很多，其應(yīng)用電路種類也很多，不同的晶閘管型號，應(yīng)用電路對觸發(fā)信號都會有不同的要求。但是，歸納起來，晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)，過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。不管是哪種觸發(fā)電路，對它產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖都有如下要求：1、觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。2、觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流） 。 3、觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以

12、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。3.3 集成觸發(fā)電路 TCA785TCA785 芯片介紹TCA785 是德國西門子(Siemens)公司于 1988 年前后開發(fā)的第三代晶閘管單片移相觸發(fā)集成電路，它是取代 TCA780 及 TCA780D 的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其引腳排列與TCA780、TCA780D 和國產(chǎn)的 KJ785 完全相同，因此可以互換。目前，它在國內(nèi)變流行業(yè)中已廣泛應(yīng)用。與原有的 KJ 系列或 KC 系列晶閘管移相觸發(fā)電路相比，它對零點的識別更加可靠，輸出脈沖的齊整度更好，而移相范圍更寬

13、，且由于它輸出脈沖的寬度可人為自由調(diào)節(jié)，所以適用范圍較廣。1、引腳排列、各引腳的功能及用法TCA785 是雙列直插式 16 引腳大規(guī)模集成電路。它的引腳排列如圖 3-1 所示。遼寧工程技術(shù)大學課程設(shè)計7圖 3-1 TCA785 的引腳排列各引腳的名稱、功能及用法如下：引腳 16(VS)：電源端。 引腳 1(OS)：接地端。引腳 4(Q1)和 2(Q2)：輸出脈沖 1 與 2 的非端引腳 14(Q1)和 15(Q2)：輸出脈沖 1 和 2 端。 引腳 13(L)：非輸出脈沖寬度控制端。 引腳 12(C12)：輸出 Q1、Q2 脈寬控制端。引腳 11(V11)：輸出脈沖 Q1、Q2 或 Q1、Q2

14、 移相控制直流電壓輸入端。引腳 10(C10)：外接鋸齒波電容連接端。引腳 9(R9)：鋸齒波電阻連接端。引腳 8(VREF)：TCA785 自身輸出的高穩(wěn)定基準電壓端。引腳 7(QZ)和 3(QV)：TCA785 輸出的兩個邏輯脈沖信號端。引腳 6(I)：脈沖信號禁止端。 。引腳 5(VSYNC)：同步電壓輸入端。2、基本設(shè)計特點TCA785 的基本設(shè)計特點有：能可靠地對同步交流電源的過零點進行識別，因而可方便地用作過零觸發(fā)而構(gòu)成零點開關(guān)；它具有寬的應(yīng)用范圍，可用來觸發(fā)普通晶閘管、快速晶閘管、雙向晶閘管及作為功率晶體管的控制脈沖，故可用于由這些電力電子器件組成的單管斬波、單相半波、半控橋、全

15、控橋或三相半控、全控整流電路及單相或三相逆變系統(tǒng)或其它拓撲結(jié)構(gòu)電路的變流系統(tǒng)；它的輸入、輸出與 CMOS 及 TTL 電平兼容，具有較寬的應(yīng)用電壓范圍和較大的負載驅(qū)動能力，每路可直接輸出 250mA 的驅(qū)動電流；其電路結(jié)構(gòu)決定了自身鋸齒波電壓的范圍較寬，對環(huán)境溫度的適應(yīng)性較強，可應(yīng)用于較寬的環(huán)境溫度范圍(-25+85C)和工作電源電壓范圍(-0.5+18V)。3、極限參數(shù)電源電壓：+818V 或49V；移相電壓范圍：0.2VVS-2V;輸出脈沖最大寬度：180；最高工作頻率：10500Hz；高電平脈沖負載電流：400mA；低電平允許最大灌電流：250mA；輸出脈沖高、低電平幅值分別為 VS 和

16、 0.3V；同步電壓隨限流電阻不同可為任意值；最高工作頻率：10500Hz；工作溫度范圍：軍品 -55+125，工業(yè)品 -25+85，民品 0+70。祝杰：基于單相全控橋式整流電路的有環(huán)流可逆直流拖動系統(tǒng)的設(shè)計8第四章 保護電路的設(shè)計相對于電機和繼電器，接觸器等控制器而言，電力電子器件承受過電流和過電壓的能力較差，短時間的過電流和過電壓就會把器件損壞。但又不能完全根據(jù)裝置運行時可能出現(xiàn)的暫時過電流和過電壓的數(shù)值來確定器件參數(shù)，必須充分發(fā)揮器件應(yīng)有的過載能力。因此，保護就成為提高電力電子裝置運行可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)。4.1 過電壓保護以過電壓保護的部位來分，有交流側(cè)過壓保護、直流側(cè)過電壓保護

17、和器件兩端的過電壓保護三種。4.1.1 交流側(cè)過電壓保護可采用阻容保護或壓敏電阻保護在這里我們采用阻容保護（即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻 R 和電容 C 進行保護）如圖4-1 所示。 圖 4-1 交流側(cè)的阻容保護單相阻容保護的計算公式如下：220%6USiC %3 . 2022iUSURKS：變壓器每相平均計算容量（VA） ；：變壓器副邊相電壓有效值（V） ；2U%：變壓器激磁電流百分值；0iD4D1D2D3T28R2C21123遼寧工程技術(shù)大學課程設(shè)計9%：變壓器的短路電壓百分值。Uk當變壓器的容量在（10000）KVA 里面取值時%=(410)在里面取值，0i%=(510）里面取值。Uk電容

18、C 的單位為 F，電阻的單位為 。電容 C 的交流耐壓1.5U 。eU ：正常工作時阻容兩端交流電壓有效值。e根據(jù)公式算得電容值為 4.8F,交流耐壓為 165V，電阻值為 12.86，在設(shè)計中我們?nèi)‰娙轂?5F，電阻值為 13。4.1.2 直流側(cè)過電壓保護直流側(cè)保護可采用與交流側(cè)保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成加大。因此，一般不采用dtdi阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。(1.82)=(1.82.2)198=356.4435.6VMaU1DCU選 MY31-440/5 型壓敏電阻(允許偏差+10)作直流側(cè)過壓保護。4.1

19、.3 晶閘管兩端的過電壓保護 抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法，可查下面的經(jīng)驗值表確定阻容參數(shù)值。表 4-1 阻容保護的數(shù)值(一般根據(jù)經(jīng)驗選定)晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/F0.10.150.20.250.512電阻/1008040201052由于=20A,由上表可知選取 C=0.15F，R=80。)(AVTI4.2 過電流保護快速熔斷器的斷流時間短，保護性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 接阻感負載的單相全控橋電路，通過晶閘管的有效值：AIIVT6 .1021d祝杰：基于單

20、相全控橋式整流電路的有環(huán)流可逆直流拖動系統(tǒng)的設(shè)計10選取 RLS-11 快速熔斷器，熔體額定電流 11A。4.3 電壓上升率 du/dt 的抑制加在晶閘管上的正向電壓上升率 du/dt 也應(yīng)有所限制,如果 du/dt 過大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)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 du/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 4-2 所示。DR3C3101516圖 4-2 電壓上升率 du/dt 的抑制4.4 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(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如圖 4-3 所示 。DL10圖 4-3 電流上升率 di/dt 的抑制遼寧工程技術(shù)大學課程設(shè)計11結(jié)論此課程設(shè)計通過單相全控橋式整流電路實現(xiàn)了有環(huán)流可逆直流拖動系統(tǒng)的設(shè)計。