电力电子课程设计单相可控整流电路设计.doc

辽 宁 工 业 大 学电力电子技术 课程设计（论文）题目： 单相可控整流电路设计 院（系）：信息科学与工程学院专业班级： 电气042 学 号： 040303061 学生姓名： 秦丽娜 指导教师： 巴金祥 教师职称： 副教授 起止时间：07-06-19至06-07-2课程设计（论文）任务及评语院（系）：信息科学与工程学院 教研室：电气042学 号040303061学生姓名秦丽娜专业班级电气042课程设计（论文）题目单相可控整流电路设计课程设计（论文）任务将单相220V交流电转换为连续可调的直流电，为1台直流电动机供电。设计的主要任务包括：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 日目 录第1章 课程设计目的与要求11.1 课程设计目的11.2 课程设计的预备知识11.3 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103.1 课程设计的考核要求103.2 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：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。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0110V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：周一： 确定变压器变比及容量周二：触发电路设计周三：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t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 (+)VT1RLVT3u2 (-) 。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 (+)VT2RLVT4u2 (-)。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，uT10；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（00.9U2）。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（090）。当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停止导电，ud和id的波形如图3 b)所示，称为停止导电角。 在角相同时，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t=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，即=。 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；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Si510，单相整流电路SiLpao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= Rb1Rb2，一般约有 215 k。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UpUbb0。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0110V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0时电压、电流最大。 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,19993 苏玉刚.电力电子技术 重庆大学出版社 2004.3