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1、 烟 台 南 山 学 院电力电子技术课程设计题目:三相全控整流电路姓名:所在学院:自动化工程学院专业:电气工程及其自动化班级:08级02班学号:200806709032指导老师:王选诚完成时间:2010-6-11目录摘要1Abstract2一设计任务及要求21.1设计任务21.2设计要求2二.方案的比较与论证32.1单相桥式全控整流32.1.1电阻负载3电路分析4基本数量关系42.1.2带阻感负载的工作情况5电路分析5基本数量关系62.2单相桥式半控整流7电路分析7三总体电路的功能框图及其说明8四功能块及单元电路的设计、计算与说明94.1整流电路94.2触发电路101常见的晶闸管触发电路102
2、晶闸管的触发电路10五保护电路115.1过电流过载和短路两种情况115.2电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压125.3保护措施13A、避雷器保护13B、利用非线性过电压保护元件保护13C、利用储能元件保护13D、利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护145.4.限制du/dt保护措施145.5 限制di/dt保护措施15六系统的原理电路图156.1所用的全部元器件型号参数16七设计体会17八参考文献17摘要 本文描述了单相桥式可控电路的设计。主电路采用晶闸管并联的桥式整流,并将直流电传送到电动机,带动负载。晶闸管的控制应用的是锯齿波触发电路。电路中的保护电路保证了电路工作时各个
3、元件的安全。主电路采用全控桥,保证了各项参数有较好的精度AbstractThis paper describes the design of single phase bridge type controlled rectifier circuit。The main circuit adopts bridge rectifier of thyristors parallel connection,and the DC.will be send to motor driving loads. Thyristors will be controlled by sawtooth wave trigg
4、er circuit. Protection circuit inside the main circuit ensure that every components safety in the running circuit. The main circuit adopts all controlled bridge, to make sure various parameters have good precision.一设计任务及要求1.1设计任务(1)综合运用所学知识,进行电力电子电路和系统设计的能力。(2)了解与熟悉常用的电力电子电路的电路拓扑、控制方法。(3)理解和掌握常用的电力电
5、子电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法,掌握元器件的选择计算方法。(4)具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。 (5).培养学生综合分析问题.发现问题.解决问题的能力.1.2设计要求 1).输入电压:22v交流电,50赫兹.(2).输出功率:(3).用集成电路组成触发电路.(4).负载性质:电阻.电阻电感.(5).对电路进行设计.计算与说明.(6).计算所有元器件型号参数二.方案的比较与论证2.1单相桥式全控整流2.1.1电阻负载图3-5 单相全控桥式带电阻性负载波形带电阻负载时的电路及波形u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4电路分析 闸
6、管VT1和VT4组成一对桥臂,VT2和VT3组成另一对桥臂。 在u2正半周(即a点电位高于b点电位) 若4个晶闸管均不导通,id=0,ud=0,VT1、VT4串联承受电压u2。 在触发角a处给VT1和VT4加触发脉冲,VT1和VT4即导通,电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。 当u2过零时,流经晶闸管的电流也降到零,VT1和VT4关断。 在u2负半周,仍在触发角a处触发VT2和VT3,VT2和VT3导通,电流从电源b端流出,经VT3、R、VT2流回电源a端。 到u2过零时,电流又降为零,VT2和VT3关断。 基本数量关系 晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 和 。 整流电压平
7、均值为: =0时,Ud= Ud0=0.9U2。=180时,Ud=0。可见,角的移相范围为180。 向负载输出的直流电流平均值为:流过晶闸管的电流平均值 : 流过晶闸管的电流有效值为: 变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等,为 由式(3-12)和(3-13)可见:不考虑变压器的损耗时,要求变压器的容量为S=U2I2 2.1.2带阻感负载的工作情况 电路分析在u2正半周期 触发角a处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通,ud=u2负载电感很大,id不能突变且波形近似为一条水平线u2过零变负时,由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id,并不关断。 wt=p+a时刻,触发
8、VT2和VT3,VT2和VT3导通,u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断,流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上,此过程称为换相,亦称换流。 2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u图3-6 单相桥式全控整流电流带阻感负载时的电路及波形 基本数量关系 整流电压平均值为: 当a=0时,Ud0=0.9U2。a=90时,Ud=0。晶闸管移相范围为90。 晶闸管承受的最大正反向电压均为 。 晶闸管导通角q与a无关,均为180,其电流平均值和有效值分别为: 和 。 变压器二次侧电流i2
9、的波形为正负各180的矩形波,其相位由a角决定,有效值I2=Id2.2单相桥式半控整流 电路分析每一个导电回路由1个晶闸管和1个二极管构成。 在u2正半周,a处触发VT1,u2经VT1和VD4向负载供电。 u2过零变负时,因电感作用使电流连续,VT1继续导通,但因a点电位低于b点电位,电流是由VT1和VD2续流 ,ud=0。 在u2负半周,a处触发触发VT3,向VT1加反压使之关断,u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时,VD4导通,VD2关断。VT3和VD4续流,ud又为零。 Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1i
10、VD4iVT2iVD3vdRiVDRu图3-11 单相桥式半控整流电路,有续流二极管,阻感负载时的电路及波形 与全控桥式相似,假设负载中电感很大,且电路已工作于稳态,在U2正半周,触发角处给晶闸管VT1加触发脉冲,u2经VT1和VT4向负载供电,u2过零变负时,因电感作用使电流连续,VT1继续导通但因a点电位低于b点,使得电流从VD4转移至VD2,VD4,关断,电流不再流经变压器二次绕组,而是由VD1和VD2续流。此阶段,忽略器件的通态压降,则ud=0,不想全控桥电路那样出现ud为负的情况在u2负半周触发角时刻触发VT3,VT3导通,则像VT1加反向电压使之关断,u2经VT3和VD2向负载供电
11、。U2过零变正时,VD4导通,VD2关断,VT3和VD4续流,ud又为零。此后重复以上过程在实际应用中需加续流二极管若无续流二极管,则当a突然增大至180或触发脉冲丢失时,会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况,这使ud成为正弦半波,即半周期ud为正弦,另外半周期ud为零,其平均值保持恒定,相当于单相半波不可控整流电路时的波形,称为失控。 有续流二极管VDR时,续流过程由VDR完成,避免了失控的现象。 续流期间导电回路中只有一个管压降,少了一个管压降,有利于降低损耗。 综合比较:单相全控桥式整流电路具有输出电流较小,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,
12、变压器的利用率高的优点。三总体电路的功能框图及其说明交流市电经过变压得到四功能块及单元电路的设计、计算与说明4.1整流电路整流电压平均值为: 当a=0时,Ud0=0.9U2。a=90时,Ud=0。晶闸管移相范围为90。 晶闸管承受的最大正反向电压均为 。 晶闸管导通角q与a无关,均为180,其电流平均值和有效值分别为: 和 。 变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波,其相位由a角决定,有效值I2=Id。 4.2触发电路1常见的晶闸管触发电路 由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。 当V1、V2导通时,通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之
13、间输出触发脉冲。 VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。 为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分,还需适当附加其它电路环节。 2晶闸管的触发电路 作用:产生符合要求的门极触发脉冲,保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。 晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。 触发电路应满足下列要求 触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通,比如对感性和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发。 触发脉冲应有足够的幅度,对户外寒冷场合,脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的35倍,脉冲前沿的陡度也需增加,一般需达12A/ms。 触发脉冲应不超过晶闸管
14、门极的电压、电流和功率定额,且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。 应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。 (单结晶体管触发电路)。 五保护电路5.1过电流过载和短路两种情况保护措施:负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器过电流保护措施及其配置位置 *同时采用几种过电流保护措施,提高可靠性和合理性。*电子电路作为第一保护措施,快熔仅作为短路时的部分 区段的保护,直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护,过电流继电器整定在过载时动作。*全保护:过载、短路均由快熔进行保护,适用于小功率装置或
15、器件裕度较大的场合。*短路保护:快熔只在短路电流较大的区域起保护作用5.2电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压 外因过电压:主要来自雷击和系统操作过程等外因 操作过电压:由分闸、合闸等开关操作引起 雷击过电压:由雷击引起 内因过电压:主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 换相过电压:晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后,反向电流急剧减小,会由线路电感在器件两端感应出过电压。 关断过电压:全控型器件关断时,正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 5.3保护措施A、避雷器保护B、利用非线性过电压保护元件保护C、利用储能元件保护阻容过电压保护的连接方法RCD过电
16、压吸收电路D、利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护晶闸管变流装置过电压保护主要措施及设置位置A 避雷器;B 接地电容,C 阻容保护;D 整流式阻容保护; E 压敏电阻保护;F 器件侧阻容保护5.4.限制du/dt保护措施(1)产生电压上升率dudt的原因 由电网侵入的过电压。 由于晶闸管换相时造成的dudt过大。(2) 电压上升率dudt的限制方法在晶闸管两端并联一个RC或RCD吸收电路5.5 限制di/dt保护措施(1)变换器中产生过大的didt 的原因 在晶闸管开通时,与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然向晶闸管放电。 交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容放电。 直流侧负载突然短路。(2
17、) 电流上升率didt的限制方法 在阻容保护中选择合适的电阻。 在每个桥臂上与晶闸管串联一个约几到几十微亨的小电感。六系统的原理电路图6.1所用的全部元器件型号参数电动机型号为Z2-11,额定功率:0.4KW 额定电压:220v 额定电流:2.68A晶闸型号:KK350 额定电压:350V电容型号:CZ32D33 熔断器型号:HC150七设计体会又有了这个机会,自己动手,自己动脑,查资料,用CAD绘图,自己策划做课程设计。每次课程设计都能使自己提高不少,这次也不例外。通过对单相桥式可控整流电路的研究,更了解了整流电路的线路、原理,知道了许多触发电路,加深了对触发电路的功能了解,还要保护电路,认识保护电路的重要,并对其深入了研究。其次,我还学习了电气CAD,虽不很专业,但也了解不少,对word文档也复习了一遍,更深层的理解了。在课程设计中,我们分组合作,真正体会到团队的力量,一个团队绝不是个人的事,合作很重要。最后,非常感谢那些无私的将资料共享的朋友们,最重要的是老师和同学的帮助,是我在这次设计中学到很多八参考文献王兆安,刘进军主编 电力电子技术 第五版 机械工业出版社 2009.7 叶斌主编 电力电子应用技术 清华大学出版社 2006.5唐志宏韩振振主编 数字电路与系统 北京邮电大学出版社 2008.2