110v50a单相半控桥式整流电路.doc

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1、辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文）题目：110V/50A单相半控桥式整流电路院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气111 学 号： 110303032 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2013-12-26至2014-01-06课课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气学 号110303032学生姓名专业班级电气111设计题目110V/50A单相半控桥式整流电路课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能直流电动机具有良好的启动性能和调速性能，在工业生产中获得广泛应用，本次设计的目的是为1台额定电压110V、功率为5kW

2、的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的无级调速。设计任务与要求1、对设计方案进行经济技术论证。2、完成整流主电路设计。3、通过计算选择整流器件的具体型号。4、若采用整流变压器，确定变压器变比及容量。5、确定平波电抗器的参数。6、触发电路设计或选择。7、绘制相关电路图。8、在实验室进行模拟验证或matlab仿真。9、完成4000字左右的设计说明书。技术参数1、交流电源：单相220V。2、整流输出电压Ud在0110V连续可调。3、整流输出电流最大值50A。4、最小控制角取20300左右。工作计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：主电路设计；第5天：选择器件；第

3、6天：确定变压器变比及容量及平波电抗器参数；第7天：触发电路设计；第8天：进行模拟验证或matlab仿真；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。他在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动

4、直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路。关键词：整流；变压；触发；晶闸管目 录第1章 绪论11.1 电力电子技术概况11.2 本文研究内容1第2章 单相半控桥式整流电路设计22.1总体设计方案22.2 具体电路设计32.2.1主电路设计32.2.2触发设计42.2.3保护电路设计62.3元器件型号选择92.4 主电路图102.5系统

5、调试或仿真、数据分析10第3章 课程设计总结12参考文献13第1章 绪论1.1 电力电子技术概况电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。目前所用的电力电子器件采用半导体制成，故称电力半导体器件。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心，伴随变换技术和控制技术的发展而发展的。电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比

6、，其特殊之处不仅仅因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开关方式。这种开关运行方式就是电力电子器件运行的特点。三相异步电动机因具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等优点，而广泛应用在工业、农业、交通运输业、国防工业以及其他各行各业中。但它也有明显的缺点，那就是起动转矩小，起动电流过大。这种情况对电机本身及周围电网都有非常不利的影响。为了减小异步电动机起动过程中对电网的冲击、消除传统降压起动设备的有级触点控制对异步电动机的冲击、改善异步电动机的起动特性，本文对基于晶闸管调压软起动器

7、进行讨论。1.2 本文研究内容本文通过对三相桥式可控整流电路的构成原理分析，完成设计一款三相桥式可控整流电路实验装置。设计任务包括：1方便电力电子技术实验教学使用2使学生通过该装置测试、观察三相桥式可控整流的各个参数及波形3通过实验验证所学的理论知识第2章 单相半控桥式整流电路设计2.1总体设计方案普通稳压电源一般采用二极管整流，而本设计主要采用晶闸管，包括整流，输出电压控制均采用。通常我们所用的电力主要有交流和直流，从公用网上所得的电力是交流的，从蓄电池和干电池得到的电力是直流的。这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，需要进行电力变换，而普通的二极管并不能满足所有整流的要求，因为它主要用于

8、开关频率不高的整流电路中。当要求的电流和耐压值很大时，这时就需要用上晶闸管。它不但开通时刻可以控制，而且各方面性能都很可靠。本课设主要利用晶闸管的可控性，完成设计。保护电路220V交流输入输出直流电源桥式整流电路触发电路图 2.1 总设计方框图各部分电路图作用220V交流输入部分作用:为电路提供电源，主要是市电输入。桥式整流电路部分作用:将交流220V电源经过桥式整流变成直流电路转换为可变的直流输出。 触发电路部分作用:形成触发脉冲使主电路触发保护电路部分作用:保护电路。输出直流电源部分作用:为电动机提供电源。2.2 具体电路设计2.2.1主电路设计在桥式整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一

9、对桥臂，VT2和VT3组成一对桥臂。在U2正半周是，若四个晶闸管均不导通，流过电动机的电流为零，且电动机两端电压为零，VT1和VT4串联承受电压U2，设VT1和VT2漏电阻相等，则承受U2的一半。若在触发角处给VT1和VT4加触发脉冲， VT1和VT4导通，电流从电源A端经VT1、VT4流回电源B端。当U2过零时，流经晶闸管的电流也将降到零，VT1和VT4关断。在U2负半周时，仍在触发角处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通电流从电源B端流出，经VT3、VT2流回电源A端。到U2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此循环地工作下去。晶闸管承受的最大正向电压

10、和反相电压都为2U2。整流电压平均值为 Ud=0.9U2cos=0时，Ud =Ud0=0.9U2 。=时，Ud =0。角的移相范围为。向负载输出的直流电流平均值为Id=U2/R=0.9U2/Rcos晶闸管VT1、VT4、VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即Idvt=1/2Id为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此需计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为Ivt=0.707Id变压器二次电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为I=I2=Id当不考虑变压器的损耗时，变压器的容量为S=U2*I2 同时该课设的变压器采用多分接输出

11、。各部分电路图作用220V交流输入部分作用:为电路提供电源，主要是市电输入。桥式整流电路部分作用:将交流220V电源经过桥式整流变成直流电路转换为可变的直流输出。 触发电路部分作用:形成触发脉冲使主电路触发保护电路部分作用:保护电路。输出直流电源部分作用:为电动机提供电源。主电路图如下图所示图 2.2 主电路图2.2.2触发设计（1）晶闸管触发电路晶闸管触发电路应满足下列要求：1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。2）触发脉冲应有足够的幅度。3）需要合适的电流、电压和额定功率。4）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。图2.3触发电路图 （2）同步信号为锯齿波的触发电路电路输

12、出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。脉冲形成环节由晶体管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。 控制电压uco加在V4基极上。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等，本电路采用恒流源电路。 恒流源电路方案由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为

13、一恒流源电路同步环节触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。 锯齿波是由开关V2管来控制的，V2开关的频率就是锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度取决于充电时间常数R1C1。双窄脉冲形成环节内双脉冲电路：每个触发单元的一个周期内输出两个间隔60的脉冲的电路。V5、V6构成一个“或”门，当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。 第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的

14、控制角a产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过V6）。在三相桥式电路图中,器件的导通次序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此间隔60，相邻器件成双接通，所以某个器件导通的同时，触发单元需要给前一个导通的器件补送一个脉冲。锯齿波同步触发脉冲不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，而且移相范围宽。（所以我选取该触发器做设计。）图2.4 触发电路图2.2.3保护电路设计保护电路的设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护也是必要的。过电压保护电力电子装置中可能发生

15、的过电压分为外因过电压和内应过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：（1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。（2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：（1）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。（2）关断过电压：全控型器件

16、在较高的频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡示。图 2.5 过电压保护过电流保护晶闸管承受过电流的能力很低，若过电流数值较大

17、且时间较长，则晶闸管会因热容量小而产生热击穿损坏。为了使晶闸管不受损坏，必须设置过流保护，使晶交流侧自动开关或直流侧接触器跳闸。其动作时间约为100200ms，因此只能保护因机械过负载而引起的过电流，或在短路电流不大时，对晶闸管起保护作用。（1）直流快速开关对于大容量高功率经常容易短路的场合，可采用动作时间只有2ms的直流快速开关。它的断弧时间仅有2530ms，装在直流侧可有效的用于直流侧的过载保护与短路保护。它经特殊的设计，可以先于快速熔断器熔断而保护晶闸管。但此开关昂贵复杂，使用不多。快速熔断器闸管在被损坏之前就迅速切断电流，并断开桥臂中的故障元件以保护其他元件。晶闸管过流保护措施有以下几

18、种。（2）交流短路器交流短路器的作用是当过电流超过其整定值时动作，切断变压器一次侧交流电路，使变压器退出运行。短路器动作时间较长，约为100200ms。晶闸管不能在这样长的时间里承受过电流，故它只能作为变流装置的后备保护。（3）进线电抗器进线电抗器串接在变流装置的交流进线侧，以限制过电流。其缺点是有负载时会产生较大的压降，增加了线路损耗。 （4）过电流继电器（5） 过电流继电器可安装在直流侧或交流侧，在发生过电流时动作，使熔断器是最简单有效的且应用普遍的过流保护器件。针对晶闸管的特点，专门设计了快速熔断器，简称快熔。其熔断时间小于20ms，能很快的熔断，达到保护晶闸管的目的。快熔的选择：快熔的

19、额定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的原件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流IT来选择，一般小于被保护晶闸管的额定有效值1.57IT。快熔接法如右：其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同个电流因而被广泛使用。 图2.6 过电流保护电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时

20、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。2.3元器件型号选择整流电压平均值为 Ud=0.9U2cos=0时，Ud =Ud0=0.9U2 。=时，Ud =0。角的移相范围为。向负载输出的直流电流平均值为Id=U2/R=0.9U2/Rcos晶闸管VT1、VT4、VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即Idvt=1/2Id为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此需计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为Ivt=0.707Id变压器二次电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为I=I2

21、=Id当不考虑变压器的损耗时，变压器的容量为S=U2*I2 同时该课设的变压器采用多分接输出。变压器参数要求电压在0110V连续可调，当a=0时，。由公式1Ud得，Ud=1.17cosa：则 U2=Ud/0.9cos得之：二次侧电压有效值U2=122.22V，考虑到一定的裕量取U2=130V。单相交流电源，线电压线电压为220V，则一次侧的有效值U0=127V。变压器变比变压器变比 q=U0/U2=127/130=0.98晶闸管参数把U2=130V ，Ud=110V代入公式可知最小控制角；把U2=130V ，Ud=0V代入公式可知最大控制角晶闸管最大有效值：把最小控制角代入公式得Itmax变压

22、器容量S=U2I2，把U2、I2代入可知晶闸管额定电压晶闸管电压定额（一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的23倍）Un=(23)1.414U2晶闸管额定电流晶闸管通态平均电流晶闸管额定电流In=（1.52)Ivt/1.572.4 主电路图图2.7 总电路图2.5系统调试或仿真、数据分析工作原理1)假定负载中电感足够大，负载电流iD连续并近似为一条直线，在u2的 正半周的值等于导通角的值t=时刻触发晶闸管VT1，则VT1， VD4导通，电流从电源正端经VT1、负载、 VD4回到负端，负载两端整流电压uD= u2。2）当u2进入负半周，而下一个触发脉冲尚未到来时，电感上的电流iD经

23、续流二极管VD续流，负载两端整流电压uD=0。当触发VT3并导通时，续流二极管VD因受到反压关断，负载电流从电源负端经过VT3、负载、 VD2回到正端，负载两端得到整流电压uD=- u2。 3）当u2在t大于一个周期的时间进入正半周而下一个触发脉冲尚未到来时，电感上的电流iD又经续流二极管VD续流，如此循环工作。图 2.8 仿真图小结：单相桥式半控整流电路接大电感负载时，流过晶闸管元件的平均电流与元件的导通角成正比。当导通角为120时，流过续流二极管和晶闸管的平均电流相等。当小于120时，流过续流二极管的平均电流比流过晶闸管的电流大，导通角越小，前者大的越多。第3章 课程设计总结本课程设计是要

24、求设计一个单相半控桥式整流电路为额定电压110V、功率为5kW的直流电动机提供直流可调电源，在设计过程中需要设计一个单相半控桥式整流电路作为主电路，以及需要设计一个控制电路，同时还要有保护电路。在总电路设计之后还需要进行MATLAB仿真实验。在设计过程中先要设计一个桥式电路作为主电路。单相半控桥式整流电路的设计需要用到晶闸管和电力二极管，相对于单相全控桥式整流电路来说，需要的器件更加简单、经济，对于晶闸管的应用数量更少，但是相对去全控整流电路更容易出现失控现象。对于单相半控桥式整流电路，需要一个控制电路，所以在主电路设计完成之后就是对控制电路的设计，而本课程设计中所用到的是同步信号为锯齿波的触

25、发电路作为该设计中的控制电路。对于一个电路来说需要保护电路来保护器件和系统，所以在最后要设计保护电路，而对于保护电路来说有过电压保护和过电流保护两种。根据不同的原因要设计不同的保护电路，所以就需要过电压和过电流两种保护电路。在设计电路完成之后，要进行MATLAB的仿真实验来验证所设计的电路是否成功，通过MATLAB仿真实验可以验证设计的电路符合设计要求。从方案的经济技术论证，在网上查阅相关资料。然后是整流电路的设计，通过对这一学期以来电力电子课程的学习及上学期电动机课程的复习，结合现有成品设计出自己所需的整流电路。通过计算选择器件的具体型号，在计算时，需要一些不太熟悉的公式，我在查阅相关书籍，

26、并在网络上搜集相关材料。由于推挽型开关稳压电源主电路主要元件是二极管和变压器，所以选取元件时主要考虑二极管和变压器的参数，最终计算出具体数据，并顺利选出所需器件。单相桥式半控整流电路结构，它由整流电路、保护电路、触发电路等模块构成。绘制相关电路图时，充分运用课上所学的各种绘图，仿真软件，熟练绘制自己所需的图，但也有在网上复制的图片。最后通过电力电子课程设计对于主要器件晶闸管的原理和作用有了很大的提高，在这个过程中也学到了很多东西。参考文献1 王兆安主编.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,20032 郝万新主编.电力电子技术.化学工业出版社, 20023 孟志强主编.电力电子技术.晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方法, 2007.64 吕宏主编.电力电子技术.感应加热电源的PWM-PFM控制方法, 2009.15 吴雷主编.电力电子技术.基于DSP大功率中频感应焊机的研究, 2007.46 李金刚主编.电力电子技术.基于DSP感应加热电源频率跟踪控制的实现, 2003.4 7 张兴主编 电力电子技术 科学出版社 2010. 78 曲永印主编 机械工业出版社 2003. 69 钟晓强 李方圆 主编 电力电子技术简明教程 2013 .2 10高建主编 电力电子技术 清华大学出版社 2012. 6