电力电子课程设计-单相可控整流电路设计Word格式.doc
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1、方案的经济技术论证。
2、主电路设计。
3、通过计算选择整流器件的具体型号。
4、确定变压器变比及容量。
5、确定平波电抗器。
6、设计合适的触发电路。
指导教师评语及成绩
成绩:
指导教师签字:
年月日
辽宁工学院课程设计说明书(论文)
目录
第1章课程设计目的与要求 1
1.1课程设计目的 1
1.2课程设计的预备知识 1
1.3课程设计要求 1
第2章课程设计内容 2
第3章课程设计的考核 10
3.1课程设计的考核要求 10
3.2课程性质与学分 10
参考文献 10
第1章课程设计目的与要求
1.1课程设计目的
“电力电子技术”课程设计是在教学及实验基础上,对课程所学理论知识的深化和提高。
因此,要求学生能综合应用所学知识,设计出具有电压可调功能的直流电源系统,能够较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法,并初步掌整流电路设计的基本方法。
培养学生独立思考、独立收集资料、独立设计的能力;
培养分析、总结及撰写技术报告的能力。
1.2课程设计的预备知识
熟悉电力电子技术课程、电机学课程的相关知识。
1.3课程设计要求
按课程设计指导书提供的课题,根据第下表给出的基本要求及参数独立完成设计,课程设计说明书应包括以下内容:
7、触发电路设计或选择。
8、课程设计总结。
9、完成4000字左右说明书,有系统电气原理图,内容完整、字迹工整、图表整齐规范、数据详实。
设计技术参数
工作量
工作计划
1、单相交流220V电源。
2、整流输出电压Ud在0~110V连续可调。
3、整流输出电流最大值100A。
4、反电势负载,Em=100V。
5、要求工作电流连续。
1、方案的经济技术论证。
2、主电路设计。
3、通过计算选择整流器件的具体型号。
4、确定变压器变比及容量。
5、确定平波电抗器
6、触发电路设计或选择。
7、绘制电路图。
第一周:
周一:
收集资料。
周二:
方案论证
周三:
主电路设计。
周四:
理论计算。
周五:
选择器件的具体型号。
第二周:
确定变压器变比及容量
触发电路设计
确定平波电抗器。
周四~五:
总结并撰写说明书。
第2章课程设计内容
2.1方案经济论证
把交流电转换成单一方向、大小可调的直流电的过程,称为可控整流。
可控整流技术是电力电子技术的基础,在生产、生活中应用极广。
用晶闸管组成的可控整流电路,在不影响工程计算精度的情况下,可将晶闸管、二极管看作理想元件,即导通时正向压降与关断时漏电流以及管子的通断时间忽略不计。
单相可控整流电路的形式主要有单相半波、单相全波(又叫双半波)、单相桥式(又分单相全控桥和单相半控桥两种形式)。
这里主要用单相桥式半控整流电路。
在单相半波可控整流电路中,变压器二次侧电压只有半个周期被利用,电能利用率不高。
并且输出电压波形中谐波分量比较多,仅适用于对整流指标要求不高、容量较小的整流装置。
单相桥式可控整流电路用四只晶闸管分别接在四个桥臂上。
电路图(a)所示电路为单相半控桥式整流电路,其中晶闸管V3、V4的阴极连在一起,为共阴极接法,二极管V1、V2阳极连在一起,为共阳极接法。
2.2单相可控整流电路的设计
单相桥式可控整流电路
1.电阻性负载
整流电路如图所示。
桥式电路中晶闸管VT1、VT2阴极为共阴极接法,VT3、VT4阳极为共阳极接法。
共阴极接法的两只晶闸管即使同时触发,也只有阳极电位高的管子导通,另一只管子则承受反向电压。
同理,共阳极接法的两只晶闸管即使同时触发,也只有阴极电位低的管子导通,另一只管子则承受反向电压。
在电源电压u2的正半周中,晶闸管VT2、VT4因承受反向电压而关断,VT1、VT3承受正向电压,当ωt=α时,给其控制极加上触发脉冲,VT1、VT3便导通,负载RL上得到一个上正下负的电压,电流流通路径为u2(+)→VT1→RL→VT3→u2(-)。
在电源电压u2的负半周中(下+上-),VT2、VT4被触发导通,负载RL也得到一个上正下负的电压,电流流通路径为u2(+)→VT2→RL→VT4→u2(-)。
负载两端电压的波形如图中所示,ud是一个不完整的全波整流电压(阴影部分)。
变压器二次侧电流i2为正负缺角正弦波,平均电流为零,没有直流分量。
对晶闸管VT1而言,VT1、VT3导通时,uT1=0;
VT2、VT4导通时,uT1承受全部反向电源电压,即uT1=-u2。
各电量的计算公式:
同单相半波可控整流电路一样,只要改变控制角α的大小,便可调节输出直流电压ud的大小。
显然,与单相半波可控整流电路比较,它的输出电压的平均值可大一倍,即
电压的可控范围为(0~0.9U2)。
输出电流的平均值为
(a)电路图
(b)波形图
单相桥式电阻性负载整流电路
负载电流有效值I与交流输入电流I2相同为:
晶闸管承受的最大正、反向电压,均等于电源电压u2的最大值(),即
流过每个晶闸管和二极管的电流的平均值等于负载电流的一半,即
有效值为
电路功率因数为:
当α=0°
,变压器二次测电流i2波形没有畸变,为完整的正弦交流波形。
2.电感性负载
单相桥式整流电路电感性负载电路如图所示。
(a)(b)
单相桥式可控整流电路电感性负载
(a)电路图(b)波形图
在整流电路输出端串联一个电感量足够大的平波电抗器,负载对外呈现感性,使得负载电流Id波形基本是水平直线,这时负载称为大电感负载。
由于电感Ld的作用,当电源电压u2正半周过零开始变负时,L上感应电动势上(-)下(+),阻碍电流下降,只要eL>
u2(电源负电压),已经导通的晶闸管继续导通,负载两端出现负电压。
直到触发VT2、VT4导通,VT1、VT3承受反电压而关断。
每只晶闸管导通角为180°
,晶闸管电流iT为底宽180。
高度Id的矩形波,变压器二次侧电流为正负对称的矩形波无直流分量。
输出电压ud连续且有负值出现。
各电量计算公式如下:
输出电压平均值为
输出电压ud的移相范围为(0~90°
)。
当α=90°
时,ud波形的正负面积相等,输出电压平均值为零。
负载电流平均值为
式中,电阻RL为负载等效电阻。
负载电流有效值I与负载电流平均值Id及变压器二次侧电流有效值I2相同,即
晶闸管电流平均值为
晶闸管电流有效值为
晶闸管承受的最大正反向电压
大电感负载时id=Id=I,电流无交流分量所以谐波功率为零,大电感负载的有功功率等于直流功率。
视在功率为
功率因数
3.
带反电动势负载时的单相桥式可控整流电路
(1)工作原理
当负载为蓄电池、直流电动机的电枢(忽略其中的电感)等时,负载可看成一个直流电压源,对于整流电路,它们就是反电动势负载。
如图(a)所示,下面着重分析反电动势一电阻负载时的情况。
当忽略主电路各部分的电感时,只有在u2瞬时值的绝对值大于反电动势即|u2|>
E时,才有晶闸管承受正电压,有导通的可能。
晶闸管导通之后,ud=u2,,直至|u2|=E,id即降至0使得晶闸管关断,此后ud=E。
与电阻负载时相比,晶闸管提前了电角度δ停止导电,ud和id的波形如图3b)所示,δ称为停止导电角。
在α角相同时,整流输出电压比电阻负载时大。
如图(b)所示id波形在一周期内有部分时间为0的情况,称为电流断续。
与此对应,若id波形不出现为0的情况,称为电流连续。
当α<δ时,触发脉冲到来时,晶闸管承受负电压,不可能导通。
为了使晶闸管可靠导通,要求触发脉冲有足够的宽度,保证当ωt=δ时刻晶闸管开始承受正电压时,触发脉冲仍然存在。
这样,相当于触发角被推迟为δ,即α=δ。
负载为直流电动机时,如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。
从图(b)可看出,导通角
θ
越小,则电流波形的底部就越窄。
电流平均值是与电流波形的面积成比例的,因而为了增大电流平均值,必须增大电流峰值,这要求较多地降低反电动势。
因此,当电流继续时,随着Id的增大,转速
n(与反电动势成比例)降落较大,机械特性较软,相当于整流电源的内阻增大。
较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花。
同时,对于相等的电流平均值,若电流波形底部越窄,则其有效值越大,要求电源的容量也大。
为了克服以上缺点,一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器,用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。
有了电感,当u2小于
E
时甚至u2值变负时,晶闸管仍可导通。
只要电感量足够大就能使电流连续,晶闸管每次导通180o,这时整流电压
ud
的波形和负载电流
id
的波形与电感负载电流连续时的波形相同,ud的计算公式亦一样。
针对电动机在低速轻载运行时电流连续的临界情况,给出ud和id波形如图4所示。
为保证电流连续所需的电感量
L
可由下式求出:
式中,u2单位为V;
Idmin单位为A;
ω是工频角速度;
L为主电路总电感量,其单位为H。
2.3主电路中串入电抗器的电感量计算
使电动机在轻载下仍能维持电流连续的电感叫临界电感L1(mH),计算式为
(1)
式中,V2为晶闸管整流电路交流侧相电压的有效值(V);
ILmin为使电流维持连续的最小负载电流平均值(A);
K1为和整流电路形式有关的系数,a为触发延迟角(又叫移相角)。
使电动机能够得到比较恒定的电压和电流的电感叫平波电感LP(mH),计算式为
(2)
式中,VLm为输出电压VL中交变基波分量幅值
对于不同形式的整流电路,fL为整流电路输出电压脉动频率,IL为输出电流平均值(A);
Si为电流脉动系数,通常在三相整流电路中Si<
5%~10%,单相整流电路Si<
20%。
根据式1和式2计算出的电感量都是指整流回路中应有的总电感量,其中包括了电动机的电感量LM和变压器折合到二次侧的每相漏电感量LB,为了准确地设计电抗器,应从L1和Lp中减去(LM+LB),因此得到
式中电动机的电感LM(mH)按下式计算:
式中,VM为直流电动机的额定电压(V);
IM为直流电动机的额定电流(A);
P为磁极对数;
n为直流电动机的额定转速(r/min);
KM为计算系数,无补偿电动机的KM=8~12;
快速无补偿电动机的KM=6~8;
有补偿电动机的KM=5~6。
变压器折合到二次侧的每相漏电感LB(mH)按下式计算:
式中,KB为与整流电路形式有关的系数,VK%为变压器短路电压百分数,100kVA以下取VK%=O.05,100~1000kVA取VK%=0.05~0.08,容量越大,VK%越大,最大为0.12。
在具体计算Lla和Lpa时应注意:
在不可逆整流电路中或无环流可逆系统中,可以只用一只电抗器,使它在额定负载电流时,电感量不小于Lpa;
而在最小负载电流时,电感量不小于Lla,一般总是Lla>
Lpao这样一来,电抗器的电感量要随负载电流的减小而增大,通过调节电抗器的空气隙,可同时满足两种情况。
气隙增大,大电流时电抗器也不饱和。
对限制电流脉动有利;
气隙减小,小电流时电抗器的电抗值增大,对维持电流连续有利。
如果计算结果Lpa、Lla相近,则电抗器的电感量不随负载电流变化,此时的电抗器统称为平波电抗器。
电抗器的电感量的选取主要考虑满足最小电流时电流连续的需要。
2.4触发电路的选择与设计
对于晶闸管来说,其触发脉冲主要作用是决定晶闸管的导通时刻,同时还应提供相应的门极触发电压和门极触发电流。
所以向晶闸管控制极提供触发信号的电路.对触发电路的基本要求:
1.触发脉冲应有足够的电压和功率,触发电压或电流应大于晶闸管参数中的规定值。
2.触发信号的波形应有一定宽度、前沿要陡,能准确地控制晶闸管的导通,使整流输出电压波形均匀。
3.触发电路与主电路同步,有移相范围。
触发电路都能在每个周期相同的控制角α提供触发脉冲,并能触发相应晶闸管导通。
对不同的整流电路类型和不同性质的负载,触发脉冲都能在规定的范围内移相,可以方便地调整输出电压的波形和大小。
4.防止干扰与误触发
5.在触发脉冲发送之前,触发电路的输出电压应小于0.15--0.2V.
6.触发脉冲要有足够的宽度
在小功率的晶闸管可控整流电路中,常采用单结晶体管触发电路,如图所示。
在可控整流电路中,要求触发电路加到晶闸管上的触发脉冲必须与交流电源同步,即交流电压每次过零后,送到晶闸管控制极的第一个触发脉冲的时刻应该相同。
单结晶闸管的结构
单结晶体管称基极二极管(简称UJT),它是一种只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件,在高阻N型硅片的两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。
在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。
单结晶体管的发射极与任一基极之间都存在着单向导电性,其结构、符号和等效电路如图7.9所示。
其中Rb1和Rb2分别为两个基极至PN结之间的电阻。
两基极之间的电阻Rbb=Rb1+Rb2,一般约有2~15kΩ。
RL
结晶体管触发电路及波形
(a)电路图
(b)波形图
图中,同步变压器TS、整流桥、电阻R3、稳压管V构成梯形波同步电压形成环节。
同步变压器TS把主电路电压降低后经过整流桥得到全波电压,再经过由V与R3组成的削波电路转换为梯形波Ubb作为触发电路的同步电源。
(b)图中,当电源电压u1过零时,梯形波Ubb也过零,单结晶体管的峰点电压Up≈ηUbb≈0。
即使电容C上的电压uc不为零值,就会通过单结晶体管的e、b1结对R1放电,使迅速uc下降至零,使电容C在电源每次过零后都从零开始重新充电,只要R与C的数值不变,则每半周由过零点到产生第一个脉冲的时间间隔是固定的。
虽然在每个半周期内回产生多个脉冲,但只有第一个脉冲起到触发晶闸管的作用,一旦晶闸管被触发导通,后面的脉冲不再起作用。
2.5参数的计算和器件的选择
单相桥式可控整流电路,电阻负载,直接接到单相交流220V电上,要求整流输出电压Ud在0~110V连续可调。
整流输出电流最大值100A。
反电势负载,Em=100V。
由公式计算
选择晶闸管应以电压、电流最大值考虑。
控制角α=0°
时电压、电流最大。
α=0°
时,
当电阻为1.5时
波形系数
电路中最大电流有效值
已知晶闸管的额定电流
所以
选定额定电流为130A晶闸管
晶闸管两端电压波形可见,元件承受的最大正反向电压
晶闸管额定电压
选择额定电压为700V晶闸管。
2.6设计总结
在本次课程设计中,使我对电力电子技术这门课程有了更进一步的认识,同时也对课堂上所学到的知识更进一步的加深巩固,也开阔了自己的视野。
在课设过程中,把电机学和电力电子技术有机的结合起来,更加进一步的了解到这两门课程的重要性,这次课设让我学到了许多课堂上没有学到的东西,让我的知识面大大的扩展,同时也给我以后的就业打下了良好的基础。
在这次课设过程中,遇到了许多问题,但是这些问题都在老师和同学们的帮助下得到了解决,让自己的知识更加丰富,更加充实了自己。
第3章课程设计的考核
3.1课程设计的考核要求
课程设计采用五级(优、良、中、及格、不及格)评分制。
最后成绩依据课程设计论文及平时成绩决定,其中平时考核成绩占20%。
3.2课程性质与学分
电力电子技术课程设计的课程性质:
考查
学分:
2
参考文献
[1]王兆安.电力电子技术.第四版.北京:
机械工业出版社,2003
[2]石玉.电力电子技术题例与电路设计指导北京:
机械工业出版社,1999
[3]苏玉刚.电力电子技术重庆大学出版社2004.3
12
- 配套讲稿:
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