單相橋式整流電路課程設(shè)計(jì)

1、頁眉內(nèi)容系 、 部：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：電信系專班業(yè)：級(jí)：自動(dòng)化自本08032011-6-13完成時(shí)間：1頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容目 錄1. 設(shè)計(jì)任務(wù)說明3.2. 方案選擇42.1器件的介紹42.2整流電路的比較63. 輔助電路的設(shè)計(jì)93.1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)93.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)133.3 過壓保護(hù)143.4 電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù)154. 主體電路的設(shè)計(jì)164.1 主要電路原理及說明164.2 感性負(fù)載可控整流電路164.3 主電路的設(shè)計(jì)174.5 主要元器件的說明184.5 性能指標(biāo)分析204.6 元器件清單215. 設(shè)計(jì)總結(jié)226. 參考文獻(xiàn)23頁腳內(nèi)容2頁眉內(nèi)容1 .設(shè)計(jì)任務(wù)和要求

2、：（1）設(shè)計(jì)任務(wù)：1、進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的比較，并選定設(shè)計(jì)方案；2、完成單元電路的設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；（2）設(shè)計(jì)要求：1、單相橋式相控整流的設(shè)計(jì)要求為：1).負(fù)載為感性負(fù)載,L=700mH,R=500 歐姆.2、技術(shù)要求:(1). 電網(wǎng)供電電壓為單相 220V；(2). 電網(wǎng)電壓波動(dòng)為+5%-10%；(3). 輸出電壓為 0100V.頁腳內(nèi)容3頁眉內(nèi)容二.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分析兩種單相橋式整流電路在帶電感性負(fù)載的工作情況。單相半控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)是：輸出電壓

3、脈動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），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(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)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(diǎn)。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(fù)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。更多的是單相全控橋式整流電路。根據(jù)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(fù)載為阻感2.1.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

4、電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代; 20 世紀(jì) 80 年代以來，開200Hz-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(jié)構(gòu)晶閘管是大功率器件，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。4頁腳內(nèi)容2.1.1.2 晶閘管的工作原理圖112211121 23221222.1.1.2（右）所示的兩個(gè)晶閘管 T （P -N P ）和（N -P -N ）組成的等效電路111- 2122圖1）陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)2）陽極電壓上升率 du/dt 過高54）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。2.1.3 晶

5、閘管的派生器件FST6圖圖7電路簡(jiǎn)圖如下：此電路只需要一個(gè)可控器件，電路比較簡(jiǎn)單，VT的 a 移相范圍為 180 。為使變壓器鐵心不飽和，需增大鐵心截面積，增大了設(shè)備的容量。實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。8頁眉內(nèi)容9頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容三.驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 3.1.1 觸發(fā)電路的論證與選擇3.1.1.1 單結(jié)晶體管的工作原理單結(jié)晶體管原理單結(jié)晶體管（簡(jiǎn)稱 UJT）又稱基極二極管，它是一種只有PN 結(jié)和兩個(gè)電阻接觸電極的半導(dǎo)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(gè)基極 b 和 b 。在硅片中間略偏 b 一側(cè)用合金法制作122一個(gè) P 區(qū)作為發(fā)射極 。其結(jié)構(gòu)，符號(hào)和等效電如圖 3.1

6、.1.1 所示。圖3.1.1.2 單結(jié)晶體管的特性從圖一可以看出，兩基極 b 和 b 之間的電阻稱為基極電阻。12Rb =rb +rbb12式中：Rb 第一基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值隨發(fā)射極電流i 而變化，1erb i PN2e管等效。若在兩面三刀基極 b b 間加上正電壓 Vb ，則A點(diǎn)電壓為：21bV =rb /（rb +rb ）vb （rb /rb ）vb =VbA112b1bbb式中：稱為分壓比，其值一般在 0.30.85 之間，如果發(fā)射極電壓 V 由零E逐漸增加，就可測(cè)得單結(jié)晶體管的伏安特性，見圖二：頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容圖（1）當(dāng)V Vb 時(shí)，發(fā)射結(jié)處于反向偏置，管子截止，發(fā)射極只有

7、很小的漏eb電流 I 。ceo（2）當(dāng) V Vb +VD VD為二極管正向壓降（約為 0.7VPN 結(jié)正向?qū)?，ebI 顯著增加，rb 阻值迅速減小，V 相應(yīng)下降，這種電壓隨電流增加反而下降的e1e P 發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點(diǎn)電壓I 和峰點(diǎn)電流 I I 是正向漏電流，它是ppp使單結(jié)晶體管導(dǎo)通所需的最小電流，顯然 V Vb 。pb（3）隨著發(fā)射極電流 I 的不斷上升，V 不斷下降，降到 V點(diǎn)后，V 不再下降eee了，這點(diǎn)V稱為谷點(diǎn)，與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點(diǎn)電壓V 和谷點(diǎn)v電流 I 。v（4）過了V后，發(fā)射極與第一基極間半導(dǎo)體內(nèi)的載流子達(dá)到了飽和狀態(tài)，所以u(píng) 繼續(xù)增加時(shí)，i

8、便緩慢的上升，顯然V 是維持單結(jié)晶體管導(dǎo)通的最小發(fā)射極cev電壓，如果 V V ，管子重新截止。ev單結(jié)晶體管的主要參數(shù)（1 Rb b b 2-10千歐，b12其數(shù)值隨溫度的上升而增大。（2）分壓比由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的參數(shù)，一般為 0.3-0.85。（3）eb 間反向電壓 Vcb b 開路，在額定反向電壓Vcb2下，基極 b1 與發(fā)射極112e之間的反向耐壓。（4）反向電流 I b 開路，在額定反向電壓 Vcb 下，eb 間的反向電流。eo 122（5）發(fā)射極飽和壓降 V 在最大發(fā)射極額定電流時(shí)，eb 間的壓降。eo1（6）峰點(diǎn)電流 I 單結(jié)晶體管剛開始導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射極電壓為峰點(diǎn)電壓時(shí)的發(fā)射極p

9、電流。3.1.2 觸發(fā)電路頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求：1）觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。23）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。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(jié)晶體管觸發(fā)電路震蕩、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(jié)晶體管自激震蕩電路利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性與 RC 電路的充放電可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可變的脈沖。從圖 3.1.2.2（）可知，經(jīng) D -D 整流后的直流電源 UZ 一路徑 R2

10、、R 加121在單結(jié)晶體管兩個(gè)基極 b b 之間，另一路通過Re 對(duì)電容 C 充電，發(fā)射極電壓12u =u 按指數(shù)規(guī)律上升。U 剛沖點(diǎn)到大于峰點(diǎn)轉(zhuǎn)折電壓 U e-b 間的eccp1電阻突然變小，開始導(dǎo)通。電容 C 開始通過管子 e-b 迅速向 R 放電，由于放電11回路電阻很小，故放電時(shí)間很短。隨著電容 C 放電，電壓 U 小于一定值，管子eBT又由導(dǎo)通轉(zhuǎn)入截止，然后電源又重新對(duì)電容C 充電，上述過程不斷重復(fù)。在 R 上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖脈沖us， 如1圖 3.1.2.2（b）所示，其震蕩頻率為f=1/T=1/R CLn(1/1-)e式中=0.30.9 是單結(jié)晶體管的分壓比。即調(diào)節(jié) R

11、 ，可調(diào)節(jié)振蕩頻率11e11頁腳內(nèi)容1211)ZZ11當(dāng) R 增大時(shí)，單結(jié)晶體管發(fā)射極充電到峰點(diǎn)電壓U ep沖出現(xiàn)的時(shí)刻推遲，即控制角增大，實(shí)現(xiàn)了移相。g13.2.1 保護(hù)電路的論證與選擇子電路進(jìn)行保護(hù)。常見的電子保護(hù)原理圖如 6.2.3 所示圖 圖 3.4 電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù)1）電流上升率 di/dt 的抑制2）電壓上升率 dv/dt 的抑制4.1 主要電路原理及說明dddd在電源電壓 u 正半周期間， 晶閘管 T T t=時(shí)2121212r2123T 被觸發(fā)時(shí)，T T 41223434121234234周期 T 、T T 、T 因加反向電壓才截止。12344.2 電感負(fù)載可控

12、整流電路u0tttu0ttu0i00ttiiVVViTi0ttiuu1700uVt圖12 2 Ucos 0.9 cosUUd222負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，整流電壓平均值可按下式計(jì)算：iI在這種情況下：當(dāng) =0時(shí)， =0.9 ；U1V2ddd2IV2Vddd頁眉內(nèi)容4.3.2 原理圖分析作用下動(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。4.4 主要元器件的說明件時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。4.4.1 晶閘管的主要

13、參數(shù)如下：U額定電壓TnUDRMURRM通常取 和 中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額定 倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 U U,UUTnU TMUTM：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓IT(AV)額定電流IT(AV)電流等級(jí)即為晶閘管的額定電流。19頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容沒超過額定值，但峰值電流將非常大，可能會(huì)超過管子所能提供的極限，使管子由于過熱而損壞。ITMI,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有效值的范圍。：額定電流有效值，根據(jù)管子的ITnITn換算出，T(AV)IT(AV)I I三者之間的關(guān)系：、TMTnI 1/2 Tn ) ) 2 0.5t

14、2d t 0Itd t 1/ Imsin ) Im/ 0.318ImT(AV)0波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，其有效值 與平均值I 之比稱為該波形IdK的波形系數(shù)，用 表示。fIK Ifd額定狀態(tài)下，晶閘管的電流波形系數(shù)IK 1.57TnI2fT(AV)晶閘管承受最大電壓為U U 2111V V 考慮到22400V.晶閘管的選擇原則：、所選晶閘管電流有效值 大于元件在電路中可能流過的最大電流有ITn效值。IIT(AV)、 TnITMII 1.57T()II T2因?yàn)?則晶閘管的額定電流為 =10A(輸出電流的有效值為最小值，所以T I該額定電流也為最小值)考慮到2倍裕量,取20A.即晶閘管的

15、額定電流至少應(yīng)大于20A.在本次設(shè)計(jì)中我選用4個(gè)KP20-4的晶閘管.20頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容、 若散熱條件不符合規(guī)定要求時(shí)，則元件的額定電流應(yīng)降低使用。UT(AV) 通態(tài)平均管壓降。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通的正弦IH 維持電流。指在常溫門極開路時(shí)，晶閘管從較大的通態(tài)電流降到剛好能I H流容量大小而定。I 門極觸發(fā)電流 時(shí)，使晶閘管能完全導(dǎo)通所需g的門極電流，一般為毫安級(jí)。 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不會(huì)導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。

16、若晶閘管導(dǎo)通時(shí)電流上升太快，則會(huì)在晶閘管剛開通時(shí)，有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。4.4.3 變壓器的選取2,容量至少為4.5性能指標(biāo)分析：整流電路的性能常用兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)來衡量：一個(gè)是反映轉(zhuǎn)換關(guān)系的用整流輸出電壓的平均值表示；另一個(gè)是反映輸出直流電壓平滑程度的，稱為紋波系數(shù)。1)整流輸出電壓平均值12 2 U =d 2U sin =td tU =0.9 U（4.5.1）2222)紋波系數(shù)紋波系數(shù) K 用來表示直流輸出電壓中相對(duì)紋波電壓的大小，即rU2U2UUK 2ddUrd4.6 元器件清單元器件整流變壓器變比為 1 個(gè)21頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容其中主電路負(fù)載電阻最大為 500 若干個(gè)，熔斷電流為 15A若干個(gè)2 個(gè)脈沖變壓器五.設(shè)計(jì)總