電力電子設(shè)計(jì)單相全控橋式純電阻負(fù)載

1、電力電子課程設(shè)計(jì)單相全控橋式晶閘管整流電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）院別：機(jī)械與電子工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：電氣工程自動(dòng)化0803姓名：徐浩學(xué)號(hào)：2008011251指導(dǎo)老師：施云2011年 1 月6日電力電子課程設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)課題目單相全控橋式晶閘管整流電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）二、設(shè)計(jì)要求1、單相全控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)要求為：負(fù)載為阻性負(fù)載 .2、技術(shù)要求 :(1). 電網(wǎng)供電電壓：交流100V/50Hz；(2). 輸出功率： 500W；(3). 移相范圍： 0 度 180 度；三、課程設(shè)計(jì)的性質(zhì)和目的1、性質(zhì)：是電氣信息專業(yè)的必修實(shí)踐環(huán)節(jié)；2、目的：(1). 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力與實(shí)際動(dòng)

2、手能力；(2).加深理解電力電子技術(shù)課程的基本理論；(3). 初步掌握電力電子電路的設(shè)計(jì)方法。前言電力電子學(xué) , 又稱功率電子學(xué) (Power Electronics) 。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置， 以完成對(duì)電能的變換和控制。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電 ( 高電壓、大電流 ) 或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支，又是電工學(xué)在弱電 ( 低電壓、小電流 ) 或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支， 或者說是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科學(xué)。 電力電子學(xué)是橫跨“電子”、 “電力”和“控制”三個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)新興工程技術(shù)學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展 , 人們對(duì)電路的要求也越來越高 , 由于在生產(chǎn)實(shí)際中需

3、要大小可調(diào)的直流電源 , 而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而在許多場(chǎng)合，例如電解、蓄電池的充電、直流電動(dòng)機(jī)等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機(jī)外，最普遍應(yīng)用的是利用各種半導(dǎo)體元件產(chǎn)生直流電。這個(gè)方法中，整流是最基礎(chǔ)的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?把方向和大小交變的電流變換為直流電。整流的基礎(chǔ)是整流電路。由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域， 利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件

4、組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能和變換和控制， 而構(gòu)成的一門完整的學(xué)科。第一章單相橋式整流電路供電方案的選擇1.1 具體供電方案電源電壓：交流100V/ 50Hz第二章單項(xiàng)全控橋式晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì)2.1 主電路原理圖單相整流電路中應(yīng)用較多的 a 帶電阻負(fù)載的工作情況波形分析見上圖及工作原理如下：VT 1 和 VT 4 組成一對(duì)橋臂， 在 u2 正半周承受電壓 u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng) u2 過零時(shí)關(guān)斷；VT 2 和 VT 3 組成另一對(duì)橋臂，在u2 正半周承受電壓 -u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng) u2 過零時(shí)關(guān)斷。數(shù)量關(guān)系：a 角的移相范圍為 180°。向負(fù)載輸出的直流平均電

5、流為：晶閘管 VT 1、VT 4 和 VT 2、VT 3 輪流導(dǎo)電，流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流電流平均值的一半，即為選擇晶閘管、變壓器容量、導(dǎo)線截面積等定額，需考慮發(fā)熱等問題，為此需計(jì)算電流有效值。流過晶閘管的電流有效值為變壓器二次電流有效值I2 與輸出直流電流有效值I 相等，為由上兩式可見不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量為S=U2I22.2 變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算電源電壓 U1 交流 100/ 50Hz ，輸出功率： 500W ，移相范圍： 0 度-180 度。設(shè) R=5 , =30P=Ud 2/RUd=50v2.3 變壓器一、二次側(cè)電流的計(jì)算P=Id2RId=10AU2= 2

6、Ud/0.9(1+cos30 ) 60VU1/U2=100/60N1/N2=5/3I2 20AI 1=I2/(5/3)=7.2A2.4 變壓器容量的計(jì)算S=U1I 1 =7×100=720 V·A2.5 變壓器型號(hào)的選擇N1:N2=5/3 ;S=720 V ·A第三章電路元件的選擇3.1 整流元件的選擇由于單相橋式全控整流帶電感性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。3.1.1整流元件中電壓、電流最大值的計(jì)算1). 晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓 UNVT通常取 UDRM和 URRM中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型

7、的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)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 U NVTmin U DRM ,U RRMU （23）2U（3-1 ）NVT2UNVT：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓U =(2-3)U=169.7V254.6VNVT2 2額定電流 I NVT通過晶閘管的電流的平均值I dvTIDvt=I d /2=Ud/R=5A3.1.2整流元件型號(hào)的選擇晶閘管的選擇原則：所選晶閘管電流有效值I VT大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。I VT =cos45·I2=14A、 選擇時(shí)考慮（ 1.5 2）倍的安全余量。即Im=(1.5

8、 2)k· IVT =(15.75 21)A.在本次設(shè)計(jì)中我選用4 個(gè)型號(hào)為： KP20-3 的晶閘管 .第四章保護(hù)元件的選擇4.1 變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：1）電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。2）電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接， 在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。3）快熔的 I 2t 值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I 2 t 值、4）為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。因?yàn)榫чl管的額定電流為 1

9、0A,快速熔斷器的熔斷電流大于 1.5 倍的晶閘管額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為 15A。4.2 晶閘管保護(hù)電路的選擇4.2.1 過電流保護(hù)當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路； 驅(qū)動(dòng)、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負(fù)載過載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生逆變失??；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(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。4.2.2 過壓保護(hù)設(shè)備在運(yùn)行過程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電

10、壓保護(hù)。4.3 保護(hù)電路原理圖及工作原理圖 4.3 過流保護(hù)原理圖圖 4.3 過電壓保護(hù)電路第五章單項(xiàng)全控橋式晶閘管整流電路的相控觸發(fā)器電路5.1 相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理圖 5.0 單結(jié)晶體管觸發(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(diào)制觸發(fā)等。 觸發(fā)電路對(duì)其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求：觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡， 以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后， 陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。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。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路由單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸發(fā)電路具

11、有簡(jiǎn)單、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、 溫度補(bǔ)償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點(diǎn)， 在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應(yīng)用。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如圖5.0 所示。第六章單項(xiàng)全控橋式晶閘管整流電路設(shè)計(jì)總設(shè)計(jì)結(jié)果6.2 總電路的原理框圖系統(tǒng)原理方框圖如6.2 所示：圖 6.2 系統(tǒng)原理方框圖6.3 總電路原理圖6.4 總電路工作原理該電路主要由四部分構(gòu)成， 分別為電源， 過電保護(hù)電路， 整流電路和觸發(fā)電路構(gòu)成。輸入的信號(hào)經(jīng)變壓器變壓后通過過電保護(hù)電路， 保證電路出現(xiàn)過載或短路故障時(shí)，不至于傷害到晶閘管和負(fù)載。 在電路中還加了防雷擊的保護(hù)電路。 然后將經(jīng)變壓和保護(hù)后的信號(hào)輸入整流電路

12、中。 整流電路中的晶閘管在觸發(fā)信號(hào)的作用下動(dòng)作，以發(fā)揮整流電路的整流作用。在電路中 ,過電保護(hù)部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護(hù) ,而過壓保護(hù)則采用 RC 電路。這部分的選擇主要考慮到電路的簡(jiǎn)單性，所以才這樣的保護(hù)電路部分。整流部分電路則是根據(jù)題目的要求， 選擇的我們學(xué)過的單相橋式整流電路。該電路的結(jié)構(gòu)和工作原理是利用晶閘管的開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ?。觸發(fā)電路是由設(shè)計(jì)題目而定的， 題目要求了用單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路。 單結(jié)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(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。一方面是方便我們對(duì)設(shè)計(jì)電路中變壓器型號(hào)的選擇。6.5 繪制輸出波形 ( 即 Ud

13、,i2波形 )ud (i d)u di db)0u VT 1,4c)0i2d)0ttt圖 2-5 單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形6.6 繪制觸發(fā)信號(hào)波形總結(jié)：通過單相全控橋式整流電路的設(shè)計(jì)，使我加深了對(duì)整流電路的理解，讓我對(duì)電力電子該課程產(chǎn)生了濃烈的興趣。對(duì)于一個(gè)電路的設(shè)計(jì)， 首先應(yīng)該對(duì)它的理論知識(shí)很了解，這樣才能設(shè)計(jì)出性能好的電路。 整流電路中， 開關(guān)器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關(guān)鍵的，開關(guān)器件和觸發(fā)電路選擇的好，對(duì)整流電路的性能指標(biāo)影響很大。在這次課程設(shè)計(jì)過程中，碰到的難題就是對(duì)晶閘管的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)中沒能很好的系統(tǒng)的總結(jié)晶閘管相關(guān)知識(shí)。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中貫穿的計(jì)算過程沒能很好的把握。 在今后的學(xué)習(xí)中要認(rèn)真總