单相桥式整流电路研究.docx
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单相桥式整流电路研究
大纲
跟着科学技术的日趋发展,人们对电路的要求也愈来愈高,因为在生产实质中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳固,利用它可以方便地获取大中、小各样容量的直流电能,是目前获取直流电能的主要方法,获取了广泛应用。
但是晶杂管相控整流电路中跟着触发角α的增大,电流中谐波重量相应增大,所以功率要素很低。
把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路,就构成了PWM整流电路。
经过对PWM整流电路的合适控制,可以使其输入电流特别凑近正弦波,且和
输入电压同相位,功率要素近似为1。
这类整流电路称为高功率要素整流器,它拥有广泛的应用远景。
要点词:
晶闸管,单相桥式电路,整流
第一章设计要求及方案的选择
1.1设计任务
1、进行设计方案的比较,并选定设计方案;
2、完成单元电路的设计和主要元器件说明;
3、完成主电路的原理解析,各主要元器件的选择;
4、驱动电路的设计,保护电路的设计;
1.2设计要求
1、负载为感性负载L=700mH,R=500欧姆.
2、电网供电电压为单相220V;
3、电网电压颠簸为+5%--10%;
4、输出电压为0~100V.。
1.3整体方案的选择
单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路,它们所连接的负载性质不一样就会有不一样的特色。
下边解析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作状况。
单相半控整流电路的长处是:
线路简单、调整方便。
短处是:
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,使死心磁化,变压器不可以充分利用。
而单相全控式整流电路拥有输出电流脉动小,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,变压器利用率高的长处。
单相全控式整流电路其输出均匀电压是半波整流电路2倍,在同样的负载下贱过晶闸管的均匀电流减小一半;且功率因数提升了一半。
单相半波相控整流电路因其性能较差,实质中极少采纳,在中小功率场合采纳更多的是单相全控桥式整流电路。
依据以上的比较解析所以选择的方案为单相全控桥式整流电路(负载为阻感性负载)。
1.4整流电路的选择
我们知道,我们知道,单相整流器的电路形式是各样各样的,整流的结构也是比许多的。
所以在做设计以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
电路简图如图1-1所示。
图1-1单相桥式半控整流电路
对每个导电回路进行控制,相对于全控桥而言少了一个控制器件,用二极管取代,有益于降低消耗!
假如不加续流二极管,当α忽然增大至180°或出发脉冲扔掉时,因为电感储能不经变压器二次绕组开释,不过耗费在负载电阻上,会发生一个晶闸管
导通而两个二极管轮番导通的状况,这使ud成为正弦半波,即半周期ud为正弦,别的半周期为ud为零,其均匀值保持稳固,相当于单相半波不行控整流电路时的波形,即为失控。
所以一定加
续流二极管,省得发生失控现象。
方案二:
单相桥式全控整流电路
电路简图如图1-2所示。
图1-2单相桥式全控整流电路
此电路对每个导电回路进行控制,不必用续流二极管,也不
会失控现象,负载形式多样,整流成效好,波形安稳,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
电路简图如图1-3所示。
图1-3单相半波可控整流电路
此电路只要要一个可控器件,电路比较简单,VT的a移相
范围为180。
但输出脉动大,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。
为使变压器死心不饱和,需增大死心
截面积,增大了设备的容量。
实质上极少应用此种电路。
方案四:
单相全波可控整流电路
电路简图如图1-4所示。
图1-4单相全波可控整流电路
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,所以少了一个管压降,相应地,门极驱动电路也少2个,但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。
不存在直流磁化的问题,合用于输出低压的场合作电流脉冲大(电阻性负载时),,且整
流变压器二次绕组中存在直流重量,使死心磁化,变压器不可以充分利用。
而单相全控式整流电路拥有输出电流脉动小,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
压器利用率高的长处。
同样的负载下贱过晶闸管的平单相全控式整流电路其输出均匀电压是半波整流电路2倍,在均电流减小一半;且功率因数提升了一半。
依据以上的比较解析所以选择的方案为单相全控桥式整流电路
(负载为阻感性负载)。
综上所述,针对他们的优弊端,我们采纳方案二,即单相桥式全控整流电路。
第二章主电路设计
2.1主电路设计
主电路原理图及其工作波形如图2.1和图2.2所示。
图2-1主电路原理图
图2-2主电路波形图
在电源电压u2正半周时期,VT1、VT2承受正向电压,若在
t时触发,VT1、VT2导通,电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路,但因为大电感的存在,u2过零变负时,电感上的
感觉电动势使VT1、VT2连续导通,直到VT3、VT4被触发导通时,VT1、VT2承受反相电压而截止。
输出电压的波形出现了负值部分。
在电源电压u2负半周时期,晶闸管VT3、VT4承受正向电压,
在t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t2时,电压u2过零,VT3、VT4因电感中的感觉电动势向来导通,直到下个周期VT1、VT2导通时,VT3、VT4因加反向电压才截止。
值得注意的是,只有当
时,负载电流id才连续,当
2
2时,负载电流不连续,并且输出电压的均匀值均凑近零,
所以这类电路控制角的移相范围是
0
2。
2.2整流电路参数计算
(1)整流输出电压的均匀值可按下式计算
Ud=
1
2U2sintdt=22
U2cos=0.9U2cos
(2.1)
当α=0时,Ud获得最大值
100V即Ud=0.9U2=100V从而
得出U2=111V,α=90o时,Ud=0。
α角的移相范围为
90o。
(2)整流输出电压的有效值为
1
2
U
2U2sin
tdt=U2=111V
(2.2)
(3)整流电流的均匀值和有效值分别为
Id
Ud
0.9
U2
cos
(2.3)
Rd
Rd
I
U
U2
(2.4)
Rd
Rd
(4)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,电流的均匀值
Id和有效值
I相等,其波形系数为1。
流过每个晶闸管的电流均匀值和有效值分别为:
IdT
TId
Id
1Id
(2.5)
2
2
2
IT
TId
Id
1Id
(2.6)
2
2
2
(5)晶闸管在导通时管压降uT=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u2加到VT1或VT2上,则每个元件承受的最大可能的正向电压等于2U2;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u2加到VT1或VT2上,故两
个晶闸管承受的最大反向电压也为2U2。
2.3元器件采纳
因为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,所以采纳元件时主要考虑晶闸管的参数及其采纳原则。
(1)晶闸管的主要参数以下:
①额定电压UTn
平时取UDRM和URRM中较小的,再取凑近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。
在采纳管子时,额定电压应为正常工作峰
值电压的2~3倍,以保证电路的工作安全。
晶闸管的额定电压UTn
minUDRM,URRM
UTn≥(~)UTM
(
2.7
)
2
3
②额定电流IT(AV)
IT(AV)又称为额定通态均匀电流。
其定义是在室温40°和规定的冷却条件下,元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中,结温不超出额定结温时,所同意的最大通态均匀电流值。
将此电流按晶闸管标准电流取周边的电流等级即为晶闸管的额定电流。
要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期,即便正向电流值没超出额定值,但峰值电流将特别大,可能会超出管子所能供给的极限,使管子因为过热而损坏。
在实质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ITM≤ITn,散热冷却吻合规定,则晶闸管的发热、温升就能限制在同意的范围。
ITn:
额定电流有效值,依据管子的IT(AV)换算出,
IT(AV)、ITMITn三者之间的关系:
I
I
Tn
T(AV)
1/2
(Imsint)2d(t)
2Im
(2.8)
0
1/2
Imsintd(t)
Im
(2.9
)
0
2
波形系数:
有直流重量的电流波形,其有效值IT与均匀值ITd
之比称为该波形的波形系数,用
Kf表示。
Kf
IT
(2.10
)
ITd
额定状态下,晶闸管的电流波形系数
2Im
Kf
ITn
Im
1.11
(2.11)
IT(AV)
2
Ud=1
2U2sintd
t=2
2U2cos
=0.9U2cos
(2.12)
当α=0时,Ud获得最大值
100V即Ud=0.9U2=100V从而
得出
U2
o时,
Ud=0。
α角的移相范围为
o。
=111V,α=90
90
晶闸管承受最大电压为U
TM
U
V
V考虑
22
2111
157
到2倍裕量,取400V.晶闸管的选择原则:
Ⅰ、所选晶闸管电流有效值ITn大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。
Ⅱ、选择时考虑(1.5~2)倍的安全余量。
即ITn=0.707IT(AV)
=(1.5~2)ITM
IT(AV)
(1.5~2)
ITM
(2.13)
1.11
因为
IT
I
则晶闸管的额定电流为
ITAV
=10A(输出电流
2
的有效值为最小值,所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,
取20A.即晶闸管的额定电流最少应大于20A.
在本次设计中我采纳4个KP20-4的晶闸管.
Ⅲ、若散热条件不吻合规定要求时,则元件的额定电流应降低使用。
③通态均匀管压降UT(AV)。
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均匀值,一般在0.4~1.2V。
④保持电流IH。
指在常温门极开路时,晶闸管从较大的通态电流降到恰巧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。
⑤门极触发电流Ig。
在常温下,阳极电压为6V时,使晶闸管能完整导通所需的门极电流,一般为毫安级。
(2)变压器的采纳
依据参数计算可知:
变压器应选变比为2,容量最少为
24.2V·A。
2.4性能指标解析
整流电路的性能常用两个技术指标来衡量:
一个是反响变换关系的用整流输出电压的均匀值表示;另一个是反响输出直流电压光滑程度的,称为纹波系数。
(1)整流输出电压均匀值
Ud=12U2sintdt=22U2cos=0.9U2cos(2.14)
(2)纹波系数
纹波系数Kr用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小,
ULr
U2
2
Ud
2
即Kr
Ud
。
Ud
第三章触发电路和保护电路的设计
对于使用晶闸管的电路,在晶闸管阳极加正向电压后,还一定在门极与阴极之间加触发电压,使晶闸管在需要导通的时辰靠谱导通。
驱动电路亦称触发电路。
依据控制要求决定晶闸管的导通时辰,对变流装置的输出功率进行控制。
触发电路是变流装置中的一个重要构成部分,变流装置能否能正常工作,与触发电路有直接关系,所以,正确合理地选择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,靠谱,经济运转的前提。
3.1触发电路的设计
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、交流或脉冲电压。
2)触发信号应有足够的功率(触发电压和触发电流)。
3)触发脉冲应有必定的宽度,脉冲的前沿尽可能陡,以使元件在触发导通后,阳极电流能迅速上涨超出掣住电流而保持导通。
4)触发脉冲一定与晶闸管的阳极电压同步,脉冲移相范围一定满足电路要求。
由单结晶体管构成的触发电路拥有简单、靠谱、抗搅乱能力强、温度赔偿性能好,脉冲前沿徒等长处,在容量小的晶闸管装置中获取了广泛应用。
它由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分构成,电路图如图3-1所示。
图3-1单结晶体管触发电路
3.2保护电路的设计
相对于电机和继电器,接触器等控制器而言,电力电子器件承受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。
但又不可以完整依据装置运转时可能出现的临时过电流和过电压的数值来确立器件参数,一定充分发挥器件应有的过载能力。
所以,保护就成为提升电力电子装置运转靠谱性必不行少的重要环节。
所谓过压保护,即指流过晶闸管两端的电压值超出晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压,其电路图如图3-2所示。
图3-2过压保护电路
第四章设计总结
经过本次课程设计,我加深了对整流电路的理解,也给了我们一次实质运用所学知识的机遇。
经过对单相桥式全控整流电路
的研究,更认识了整流电路的线路、原理,知道了好多触发电路,加深了对触发电路的功能认识,还有保护电路,认识保护电路的重要,并对其深入了研究。
本次设计我们遇到了许多困难,但经过查阅资料,我们还是将其一一解决了。
在课程设计中,我们分组合作,真切领会到团队的力量,一个团队绝不是个人的事,合作很重要。
因为本次设计时间匆促以及我们的技术水平所限,触发电路和保护电路的设计其实不是十分完美。
特别是保护电路,仍存在很大的不足。
这是我们此后要提升的地方。
总而言之,经过本次设计,我们学到了好多,收获了好多。
参照文件
[1]王兆安,黄俊.电力电子技木.北京:
机械工业第一版社,2004
[2]刘志刚.电力电子学.北京:
清华大学第一版社,2004
[3]邵丙衡.电力电子技术.北京:
中国铁道第一版社,1997
[4]李序葆.电力电子器件及应用.北京:
机械工业第一版社,1996
[5]张立,赵永建.现代电力电子技术.北京:
科学第一版社,1992
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