2022年电力电子课程方案全控整流电路 .docx

《2022年电力电子课程方案全控整流电路 .docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年电力电子课程方案全控整流电路 .docx（24页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用第 1 章 单相桥式整流电路方案的挑选 我们知道,单相整流器的电路形式是各种各样的,整流的结构也是比较多的；因此在做 设计之前我们主要考虑了以下几种方案：方案一 ：单相桥式半控整流电路 电路简图如下：图 1.1 对每个导电回 路进行掌握,相对于全控桥而言少了一个掌握器件,用二极管代替,有利于降低损耗！假如不加续流二 极管,当 突然增大至 180 或动身脉冲丢失时,由于电感储能不经变压器二次绕组释 放,只是消耗在负载电阻上,会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮番导通的情形,这使ud成为正弦半波,即半周期ud 为正弦,另外半

2、周期为ud 为零,其平均值保持稳固,相当于单相半波不行控整流电路时的波形,即为失控；所以必需加续流二极管,以免发生失控现 象；方案二 ：单相桥式全控整流电路 电路简图如下：图 1.2 此电路对每个导电回 路 进 行 控 制 ,无须用续流二极管,也 不 会 失 控 现 象,负载形式多样,整流成效好,波形平稳,应用广泛；变压器二次绕组中,正负两个半 周电流方向相反且波形对称,平均值为零,即直流重量为零,不存在变压器直流磁化问 题,变压器的利用率也高；方案三 ：单相半波可控整流电路：电路简图如下：图 1.3 此 电 路 只 需 要一个可控器件,电路比较简洁,VT 的 a 移相范畴 为 180 ；但输

3、出脉动大,变压器二次侧电流中含直流重量,造成变压器铁芯直流磁 化；为使变压器铁心不饱和,需增大铁心截面积,增大了设备的容量；实际上很少应 用此种电路；方案四 ：单相全波可控整流电路：电路简图如下：名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 1.4 此电路变压器是带中心抽头的,结构比较复杂,只要用2 个可控器件,单相全波只用2 个晶闸管,比单相全控桥少2 个,因此少了一个管压降,相应地,门极驱动电路也少2个,但是晶闸管承担的最大电压是单相全控桥的2 倍；不存在直流磁化的问题,适用于输出低压的场合作

4、电流脉冲大电阻性负载时）,且整流变压器二次绕组中存在直流重量,使铁心磁化,变压器不能充分利用；而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小,功率因 数高,变压器二次电流为两个等大反向的半波,没有直流磁化问题,变压器利用率高的优 点；综上可知单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路,它们 所连接的负载性质不同就会有不同的特点；下面分析各种单相相控整流电路在带电阻性负载、电感性负载和反电动势负载时的工作情况；单相半控整流电路的优点是：线路简洁、调整便利；弱点是：输出电压脉动冲大,负载电 流脉冲大 电阻性负载时）,且整流变压器二次绕组中存在直流重量 , 使铁心磁化,变压 器不能充分利用

5、；而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小,功率因数高,变压器二次 电 流 为 两 个 等 大 反 向 的 半 波 , 没 有 直 流 磁 化 问 题 , 变 压 器 利 用 率 高 的 优 点 ；单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2 倍,在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半；依据以上的比较分析因此挑选的方案为单相全控桥式整流电路其次章系统主体电路的设计2.1 所示：2.1 系统总设计框图系统原理方框图如图 2.1 系统原理方框图 工作原理在电源电压 正半周期间, VT1、 VT2承担正向电压,如在 时触发, VT1、VT2导通,电流经 VT1、负载、 V

6、T2和 T 二次侧形成回路,但由于大电感的存在,过零变负时,电感上的感应电动势使 VT1、VT2 连续导通,直到 VT3、VT4 被触发导通时,VT1、VT2承担反相电压而截止；输出电压的波形显现了负值部分；在电源电压负半周期间,晶闸管VT3、VT4 承担正向电压,在时触发,VT3、VT4导通, VT1、VT2 受反相电压截止,负载电流从VT1、 VT2中换流至 VT3、VT4中在名师归纳总结 时,电压过零, VT3、VT4 因电感中的感应电动势始终导通,直到下个周期时,负第 3 页,共 15 页VT1、VT2导通时, VT3、 VT4因加反向电压才截止；值得留意的是,只有当- - - - -

7、 - -精选学习资料 - - - - - - - - - 载电流才连续,当个人资料整理仅限学习使用时,负载电流不连续,而且输出电压的平均值均接近零,因此这种电路掌握角的移相范畴是2.3 原理图的分析图 2.4 该电路主要由四部分构成,分别为电源,过电爱护电路,整流电路和触发电路构成；输入的信号经变压器变压后通过过电爱护电路,保证电路显现过载或短路故障时,不至于 损害到晶闸管和负载；在电路中仍加了防雷击的爱护电路；然后将经变压和爱护后的信号 输入整流电路中；整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作,以发挥整流电路的整流 作用；在电路中 ,过电爱护部分我们分别挑选的快速熔断器做过流爱护,而过压爱护

8、就采纳RC电路；这部分的挑选主要考虑到电路的简洁性,所以才这样的爱护电路部分；整流部分电 路就是依据题目的要求,挑选的我们学过的单相桥式整流电路；该电路的结构和工作原理 是利用晶闸管的开关特性实现将沟通变为直流的功能；触发电路是由设计题目而定的,题 目要求了用单结晶体管直接触发电路；单结晶体管直接触发电路的移相范畴变化较大,而 且由于是直接触发电路它的结构比较简洁；一方面是便利我们对设计电路中变压器型号的 挑选；2.4 整流电路参数运算1）整流输出电压的平均值可按下式运算名师归纳总结 = 0.9 = 2-1 ）=111V,第 4 页,共 15 页当 =0 时,取得最大值100V 即=100V

9、从而得出 =90 o 时,=0；角的移相范畴为90o；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用2）整流输出电压的有效值为= =111V 2-2）3）整流电流的平均值和有效值分别为 2-3）在一个周期内每组晶闸管各导通180 ,两组轮番导通,变压器二次电流是正、负对称的方波,电流的平均值和有效值相等,其波形系数为1；流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为： 2-5） 晶闸管在导通时管压降 =0, 故其波形为与横轴重合的直线段；VT1 和 VT2 加正向电压但触发脉冲没到时,VT3、VT4 已导通,把整个电压 加到 VT1 或 VT2

10、 上,就每个元件承担的最大可能的正向电压等于；VT1 和 VT2 反向截止时漏电流为零,只要另一组晶闸管导通,也就把整个电压加到 VT1 或 VT2 上,故两个晶闸管承担的最大反向电压也为；2.5 元器件的选取 由于单相桥式全控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管,所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原就；1. 晶闸管的主要参数如下：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晶闸管型的额定电压；在选用管子时,额定电压应为正常工作峰值电压的 晶闸管的额定电压2 3 倍,以保证电路的工作安全；UTn23）UTM ITAV又称为额定通态平均电流；其定义

11、是在室温40 和规定的冷却条件下,元件在电阻名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用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,所答应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晶闸管的额 定电流；要留意的是如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,但峰值电流将特别大,可能会超过管子所能供应的极限,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 I TMI Tn ,

12、 散热冷却符合规定,就晶闸管的发热、温升就能限制在答应的范畴；ITn ：额定电流有效值,依据管子的ITAV 换算出,I TAV 、I TMI Tn 三者之间的关系： 2-8）2-9 ）波形系数：有直流重量的电流波形,其有效值与平均值之比称为该波形的波形系数,用 Kf 表示；额定状态下,晶闸管的电流波形系数= 2-10=2-11）=2-12 ）当 =0时,取得最大值100V 即= 0.9 =100V 从而得出=111V , =90 o 时,=0； 角的移相范畴为90o；考虑到 2 倍裕量,取400V. 晶闸管承担最大电压为晶闸管的挑选原就：所选晶闸管电流有效值I Tn大于元件在电路中可能流过的最

13、大电流有效值；、 挑选时考虑 1.5 2）ITM考虑到 2 倍裕量 , 取 20A. 即晶闸管的额定电流至应大于在本次设计中我选用4 个 KP20-4 的晶闸管 . 、 如散热条件不符合规定要求时,就元件的额定电流应降低使用； 通态平均管压降 UTAV ；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； 维护电流 I H；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； 门极触发电流I g；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

14、流,一般为毫安级； 断态电压临界上升率du/dt ；在额定结温顺门极开路的情形下,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； 通态电流临界上升率di/dt；在规定条件下,晶闸管能承担的最大通态电流上升率；如晶闸管导通时电流上升太快,就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；2变压器的选取依据参数运算可知: 变压器应选变比为2, 容量至少为 24.2VA；2.6 性能指标分析 整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的用整流输出电压 的平均值表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的,称为纹波系数；1整

15、流输出电压平均值= 纹波系数纹 波 系 数 用 来 表 示 直 流 输 出 电 压 中 相 对 纹 波 电 压 的 大 小 , 即 2-15）第三章 帮助电路的设计3.1 驱动电路的设计 对于使用晶闸管的电路,在晶闸管阳极加正向电压后,仍必需在门极与阴极之间加触发 电压,使晶闸管在需要导通的时刻牢靠导通；驱动电路亦称触发电路；依据掌握要求打算 晶闸管的导通时刻,对变流装置的输出功率进行掌握；触发电路是变流装置中的一个重要 组成部分,变流装置是否能正常工作,与触发电路有直接关系,因此,正确合理地挑选设 计触发电路及其各项技术指标是保证晶闸管变流装置安全,牢靠,经济运行的前提；3.1.1 对触发电

16、路的要求 晶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、沟通或脉冲电压；2）触发信号应有足够的功率 组成：由自激振荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成如图 3.2工作原理：经 整流后的直流电源,一路经、加在单结晶体管两个基极、之间；另一路通过 对电容 C 充电、通过单结晶体管放电；掌握 BT 的导通、截止；在电容上形成锯齿波振荡电压,在 上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲,如图 3.2b 所示,其振荡频率为： 3-1上式中是单结晶体管的分压比,即调剂,可调剂振荡频率；4同步电源名师归纳总结 同步电压由变压器TB 获得,而同步变

17、压器与主电路接至同一电源,故同步第 8 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理仅限学习使用,而电压与主电压同相位、同频率；同步电压经桥式整流、稳压管削波为梯形波削波后的最大值既是同步信号,又是触发电路电源；当过零时,电容C 经 e-、快速放电到零电压；这就是说,每半周开头,电容C 都从零开头充电；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 移相掌握当 增大时,单结晶体管发射极充电到峰点电压 的时间增大,第一个脉冲显现的时刻推迟,即掌握角 增大,实现了移相；锯齿波形成电路由、和等元件组成,其中、和 为一恒流源电路；截止时,

18、恒流源电流 对电容 充电,所以 两端电压 为：3.2 爱护电路的设计相对于电机和继电器,接触器等掌握器而言,电力电子器件承担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；但又不能完全依据装置运行时可能出现的临时过电流和过电压的数值来确定器件参数,必需充分发挥器件应有的过载才能；因此,爱护就成为提高电力电子装置运行牢靠性必不行少的重要环节；3.2.1 主电路的过电压爱护设计所谓过压爱护,即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承担的最大峰值电压 Um都称为过电压,其电路图见图 3.3图3.3 产生过电压的缘由一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起

19、；其中,对雷击产生的过电压,需在变压器的初级侧接上避雷器,以爱护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压,一般发生在沟通侧、直流侧和器件上,因而,下面介绍单相桥式全控整流主电路的电压爱护方法；1. 沟通侧过电压爱护过电压产生过程：电源变压器初级侧突然拉闸,使变压器的励磁电流突然切断,铁芯中的磁通在短时间内变化很大,因而在变压器的次级感应出很高的瞬时电压；爱护方法：阻容爱护名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用2. 直流侧过电压爱护 过电压产生过程：当某一桥臂的晶闸管在

20、导通状态突然因果载使快速熔断器熔断时,由于 直流住电路电感中储存能量的释放,会在电路的输出端产生过电压；爱护方法：阻容爱护图 3.4 主电路的过电压爱护 3.2.2 晶闸管的爱护电路 1. 晶闸管过电压爱护过电流爱护 第一种是采纳电子爱护电路,检测设备的输出电压或输入电流,当输出电压或输入 电流超过答应值时,借助整流触发掌握系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态,从而抑制过电压或过电流的数值；其次种是在适当的地方安装爱护器件,例如,R-C 阻容吸取回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等；我们这次的课程设计采纳的是其次种爱护电路；1）晶闸管变流装置的过电流爱护 晶闸管变流装置运行不正常或

21、者发生故障时,可能会发生过电流,过电流分过载和短 路两种情形,由于晶闸管的热容量较小,以及从管心到散热器的传导途径中要遭受到一 系列热阻,所以一旦过电流,结温上升很快,特殊在瞬时短路电流通过时,内部热量来 不及传导,结温上升更快,晶闸管承担过载或短路电流的才能主要受结温的限制；可用 作过电流爱护电路的主要有快速熔断器,直流快速熔断器和过电流继电器等；在此我们 采纳快速熔断器措施来进行过电流爱护；名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 3.5 过电流爱护 采纳快速熔断器是电力电子装置中最有效

22、、应用最广的一种过电流爱护措施；在挑选快 熔时应考虑：1）电压等级应依据熔断后快熔实际承担的电压来确定；2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定；快熔一般与电力半导体 器件串联连接,在小容量装置中也可串接于阀侧沟通母线或直流母线中；3）快熔的值应小于被爱护器件的答应值、4）为保证熔体在正常过载情形下不熔化,应考虑其时间电流特性；由于晶闸管的额定电流为10A, 快速熔断器的熔断电流大于1.5 倍的晶闸管额定电流,所以快速熔断器的熔断电流为15A ；2）晶闸管变流装置的过电压爱护 电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类；外因过电压主要 来自雷击和系统中的操作

23、过程等外部缘由,内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的 开关过程,过电压爱护有避雷器爱护,利用非线性过电压爱护元件爱护,利用储能元件保 护,利用引入电压检测的电子爱护电路作过电压爱护；在此我们采纳储能元件爱护即阻容 爱护；图 3.6晶闸管的过电压爱护 单相阻容爱护的运算公式如下：名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3-2个人资料整理仅限学习使用）S:变压器每相平均运算容量VA） 3-3）U ：变压器副边相电压有效值V）i%:变压器激磁电流百分值U %：变压器的短路电压百分值；当变压器的容量在10-1000） KV

24、A里面取值时i%=4-10 ）在里面取值,U %=5-10 ）里面取值；电容 C的单位为 F,电阻的单位为欧姆,电容 C的沟通耐压 1.5UU ：正常工作时阻容两端沟通电压有效值；依据公式算得电容值为4.8 F, 沟通耐压为165V,电阻值为12.86 ,在设计中我们取电容为5 F,电阻值为13 ；3.3 电流上升率、电压上升率的抑制爱护3.3.1电流上升率di/dt的抑制晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域,局部电流密很大,然后以0.1mm/ s 的扩展速度将电流扩展到整个阴极面,如晶闸管开通时电流上升率 di/dt 过大,会导致 PN结击穿,必需限制晶闸管的电流上升率使其在

25、合适的范畴内；其有效方法是在晶闸管的阳极回路串联入电感；如下图 :图 3.7 串联电感抑制回路3.3.2电压上升率du/dt的抑制du/dt也应有所限制 , 假如 du/dt过大加在晶闸管上的正向电压上升率由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流,该电流可以实际上起到触发电流的作用 , 使 晶 闸 管 正 向 阻 断 能 力 下 降 , 严 重 时 引 起 晶 闸 管 误 导 通 ；为抑制 du/dt的作用,可以在晶闸管两端并联R-C 阻容吸取回路；如下图：图 3.8 并联 R-C 阻容吸取回路名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 15 页精选学习资料 - - - - -

26、 - - - - 第四章电路仿真个人资料整理仅限学习使用4.1 SIMULINK 仿真软件介绍Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一,它供应一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境；在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简洁直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统；Simulink 具有适应面广、结构和流程清楚及仿真精细、贴近实际、效率高、敏捷等优点,并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于掌握理论和数字信号处理的复杂仿真和设计；同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用 Simulink；4.2 仿真波形打开新建模型窗口,将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口

27、并改名,设定有关参数后将各模块库连接组成仿真模型,如下图 4-2 所示,设置好各模块参数,点击下拉菜单仿真 命令设定有关仿真参数,设定停止时间 Stop Time 为 0.1 秒,仿真算法挑选可变步长 Variable-step 积分算法函数, L=700mH,R=500 欧姆,其他参数用默认值；然后点击启动仿真按钮,就开头仿真,双击显示模块 scope ）就能显示其信号波形；图 4.1 单相桥式全控整流电路仿真电路单相桥式全控整流电路在触发角为0 时的仿真波形如下所示：名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料

28、整理 仅限学习使用图 4.2 触发角为 0 时的仿真波形单相桥式全控整流电路在触发角为60 时的仿真波形如下所示：图 4.3 触发角为 60 时的仿真波形课程设计总结 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懂得,让我对电力电子该 课程产生了浓烈的爱好；整流电路的设计方法多种多样,且依据负载的不同,又可以设计出许多不同的电路；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,第一应当对它的理论学问很明白,这样才能设计出性能好的电名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用路；整流电路中,开关器件的挑选和触发电路的挑选是最关键的,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；在这次课程设计过程中,遇到的难题就是爱护电路的设计；由于爱护电路的种类较多,因此要挑选一个适合本课题的爱护电路就比较难；后来经老师,仍有同学的帮忙,挑选了 一个较好的爱护电路；感谢在这次课程设计过程中帮忙我的老师和同学；名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页