遼遼 寧寧 工工 業業 大大 學學 電力電子技術電力電子技術課程設計 論文 課程設計 論文 題目 題目 110V 200A單相半控橋式整流電路單相半控橋式整流電路 院 系 院 系 專業班級 專業班級 學學 號 號 學生姓名 學生姓名 指導教師 指導教師 簽字 起止時間 起止時間 課程設計 論文 任務及評語課程設計 論文 任務及評語 院 系 電氣學院 教研室 學 號學生姓名專業班級 設計題目110V 200A單相半控橋式整流電路單相半控橋式整流電路 課程設計 論文 任務 課題完成的設計任務及功能 要求 技術參數課題完成的設計任務及功能 要求 技術參數 實現功能實現功能 直流電機具有良好的啟動性能和調速性能 在工業生產中得到廣泛的應用 本次設計的目的是為 1 臺額定電壓 110V 功率為 5kW 的直流電動機提供直流 可調電源 以實現直流電動機的調速 設計任務設計任務 1 對設計方案進行經濟技術論證 2 完成整流主電路設計 3 通過計 算選擇整流器件的具體型號 4 若采用整流變壓器 確定變壓器變比及容量 5 確定平波電抗器的參數 6 觸發電路設計或選擇 7 繪制相關電路圖 8 在實驗室進行模擬驗證或 MATLAB 仿真 9 完成 4000 字左右的設計說明書 要求要求 1 1 文字在 4000 字左右 2 2 文中的理論分析與計算要正確 3 3 文中的圖表工整 規范 4 元器件的選擇符合要求 技術參數技術參數 1 交流電源 單相220V 2 整流輸出電壓Ud在0 110V連續可調 3 整 流輸出電流最大值50A 4 直流電動機負載 5 根據實際工作情況 最小控 制角取20 300左右 進度計劃 第 1 天 集中學習 第 2 天 收集資料 第 3 天 方案論證 第 4 天 主 電路設計 第 5 天 選擇器件 第 6 天 確定變壓器變比及容量 第 7 天 確 定平波電抗器 第 8 天 觸發電路設計 第 9 天 總結并撰寫說明書 第 10 天 答辯 指導教師評語及成績 平時 論文質量 答辯 總成績 指導教師簽字 年 月 日 本科生課程設計 論文 2 注 成績 平時20 論文質量60 答辯20 以百分制計算 本科生課程設計 論文 3 摘 要 單相橋式半控整流電路是電力電子電路中出現較早的一種整流電路 它的作 用是將交流電變成直流電供給直流用電設備 整流電路的應用十分廣泛 例如直 流電動機 電鍍 電解電源 同步發電機勵磁 通信系統等 本次的課程設計是要完成單相橋式半控整流電路的設計 以及他的工作原理 電路的元件的選擇和定量計算 單相橋式半控整流電路的負載性質對整流的影響 以及主電路的設計 觸發電路的設計 還有保護電路的設計 設計目的是為 1 臺 額定電壓 110V 功率為 5kW 的直流電動機提供直流可調電源 以實現直流電動 機的無級調速 因為是設計橋式半控整流電路 因此在電路中會用到晶閘管和二 極管 此外 根據設計要求還要用 MATLAB 對所設計的單相橋式半控整流電路 進行建模并仿真 得到電壓和電流的波形 在單相橋式半控整流電路中 每一個導通回路中有一個晶閘管和一個二極管 所以是半控的 該電路在實際應用中需要加續流二極管 以避免發生的失控現象 關鍵詞 整流電路 橋式電路 晶閘管 半控 本科生課程設計 論文 4 目 錄 第 1 章 緒論 1 1 1 單相半控橋式整流電路技術概況 1 1 2 本文設計內容 2 第 2 章 單相半控橋式整流電路電路設計 3 2 1 單相半控橋式整流電路總體設計方案 3 2 2 具體電路設計 5 2 2 1 主電路設計 5 2 2 2 觸發電路設計 6 2 2 3 保護電路設計 8 2 3 元器件型號選擇 10 2 4 MATLAB 仿真實驗 13 第 3 章 課程設計總結 1 參考文獻 2 本科生課程設計 論文 1 第 1 章 緒論 1 1 單相橋式半控整流電路技術概況 電力電子學 又稱功率電子學 Power Electronics 它主要研究各種電力電 子器件 以及由這些電力電子器件所構成的各式各樣的電路或設置 以完成對電 能的變換和控制 電力電子學是橫跨 電子 電力 控制 三個領域的一個新 興工程技術學科 隨著科學技術的日益發展 人們對電路的要求也越來越高 由于在生產實際 中需要大小可調的直流電源 而相控整流電路結構簡單 控制方便 性能穩定 利用它可以方便地得到大 中 小各種容量的直流電能 是目前獲得直流電能的 主要方法 得到了廣泛的應用 但是晶閘管相控整流電路中隨著觸發角的增 大 電流中諧波分量相應增大 因此功率因數很低 把逆變電路中得 PWM 控制 技術用于整流電路 就構成了 PWM 整流電路 通過對 PWM 整流電路的適當控 制 可以使其輸入電流非常接近正弦波 且輸入電壓同相位 功率因數近似為 1 這種整流電路稱為高功率因數整流器 它具有廣泛的應用前景 由于電力電子技術是將電子技術和控制技術引入傳統的電力技術領域 利用 半導體電力開關器件組成各種電力變換電路實現電能的變換和控制 而構成的一 門完整的學科 故其學習方法與電子技術和控制技術有很多的相似之處 單相橋式整流電路是一種相對重要的整流電路 把交流電能轉換成直流電能 的一種橋式整流電路 它可以應用到很多的地方 在許多的元器件中都有用到 范圍廣泛 本科生課程設計 論文 2 1 2 本文研究內容 課程設計內容是設計一個單相半控橋式整流電路為 1 臺額定電壓 110V 功 率為 5kW 的直流電動機提供直流電源 其中交流電源為單相 220V 整流輸出電 壓在 0 110V 連續可調 整流輸出電流最大值 50A 同時根據實際工作情況 d U 最小控制角取 20 300左右 因此本文需要研究的是設計一個主電路 控制電路 保護電路組成的總電路 以及要進行 MATLAB 仿真實驗 其中主電路是要設計 一個單相半控橋式整流電路 控制電路是要同步信號為鋸齒波的觸發電路 而保 護電路需要過電壓保護和過電流保護兩種 本科生課程設計 論文 3 第 2 章 單相半控橋式整流電路設計 2 1 單相半控橋式整流電路總體設計方案 單相半控橋式整流電路總體設計框圖如圖 2 1 所示 圖 2 1 總電路整體框圖 220V 交流輸入部分是主要是由市電輸入 為電路提供電源 橋式整流部分 是將 220V 電源經過橋式整流將之前輸入的交流電整流變換成直流電輸出 脈沖 寬度調節即調節觸發脈沖的寬度改變直流輸出電壓的大小 最后由輸出直流電源 部分為電動機提供電源 總電路由主電路 觸發電路 保護電路三部分組成 其電路圖如圖 2 2 所示 200V 交流輸入橋式整流電路 脈沖寬度調節 輸出直流電源 本科生課程設計 論文 4 圖 2 2 總電路圖 本科生課程設計 論文 5 2 2 具體電路設計 2 2 1 主電路設計 在單相式全控橋式整流電路中 每一個導電回路中有兩個晶閘管 即用兩個 晶閘管同時導通以控制導電的回路 實際上為了對每個導電回路進行控制 只需 一個晶閘管就行 另一個晶閘管可用二極管代替 從而簡化整個電路 如圖 2 3 所示 圖 2 3 單相橋式半控整流電路 圖 2 4 單相橋式半控整流電路波形圖 本科生課程設計 論文 6 與全控橋時相似 假設負載中得電感很大 且電路已工作在穩態 在正 2 u 半周 觸發角處給晶閘管加觸發脈沖 經和向負載供電 過 1 VT 2 u 1 VT 4 VD 2 u 零變負時 因電感作用是電流連續 繼續導通 但因 a 點電位低于 b 點電位 1 VT 是得電流從轉移至 關斷 電流不再流經變壓器的二次繞組 而是 4 VD 2 VD 4 VD 由和續流 此階段 忽略器件的通態壓降 則 0 不像全控橋時出現 1 VT 2 VD d U 為負的情況 d U 在的負半周觸發角時刻觸發 導通 則向加反壓使之關斷 2 u 3 VT 3 VT 1 VT 經和向負載供電 過零變正時 導通 關斷 VT3 和續 2 u 3 VT 2 VD 2 u 4 VD 2 VD 4 VD 流 又為零 此后重復以上過程 d U 2 2 2 觸發電路設計 本課設采用的觸發電路為相位控制晶閘管的觸發電路 并以同步信號為鋸齒 波的觸發電路作為控制電路 如圖 2 5 所示 此電路可分為六個基本環節 脈沖 的形成與放大 鋸齒波的形成和脈沖移相 同步環節 雙窄脈沖形成環節 強觸 發環節 封鎖環節 本課設主要以脈沖形成 脈沖移相 同步作介紹 圖 2 5 觸發電路 1 脈沖形成環節 脈沖形成環節由晶體管 組成 起脈沖放大作用 控制電壓 4 V 5 V 7 V 8 V 本科生課程設計 論文 7 Uco 加在基極上 電路的觸發脈沖由脈沖變壓器 TP 二次側輸出 其一次繞組 4 V 接在集電極電路中 8 V 當 Uco 0 時 截止 電源通過供給一個足夠大的基極電流 使 4 V 1 E 11 R 5 V 飽和導通 所以的集電極電壓接近于 處于截止狀態 無脈 5 V 5 V 5c U 1 E 7 V 8 V 沖輸出 另外 電源的 15V 經 發射結到 15V 對電容充 1 E 9 R 5 V 1 E 3 C 電 充滿后電容兩端電壓接近 2 30V 1 E 當控制電壓 Uco 0 7V 時 導通 A 點電位由 15V 迅速降低至 4 V 1 E 1 0V 左右 由于電容兩端電壓不能突變 所以基極電位迅速降至約 2 3 C 5 V 1 E 30V 由于發射結反偏置 立即截止 它的集電極電壓由 15V 迅速 5 V 5 V 1 E 上升到 3 1V 三個 PN 結正向壓降之和 于是 導通 輸出 6 VD 7 V 8 V 7 V 8 V 觸發脈沖 同時 電容經電源 放電和反向充電 使基 3 C 1 E 11 R 4 VD 4 V 5 V 極電位又逐漸上升 直到 15V 又重新導通 這時又立即降 5b U 1 E 5 V 5c U 到 使 截止 輸出脈沖終止 可見 脈沖前沿由導通時刻確定 1 E 7 V 8 V 4 V 或 截止持續時間即為脈沖寬度 所以脈沖寬度與反向充電回路時間常數 5 V 6 V 有關 11 R 3 C 2 鋸齒波的形成和脈沖移相環節 鋸齒波的形成和脈沖移相環節中 鋸齒波電壓形成的方案較多 如采用自舉 式電路 恒流源電路等 如圖所示為恒流源電路方案 由和等元件組 1 V 2 V 3 V 2 C 成 其中 和為一恒流源電路 1 V s V 2 RP 3 R 3 同步環節 在鋸齒波同步的觸發電路中 觸發電路與主電路的同步是指要求鋸齒波的頻 率與主電路電源的頻率相同且相位關系確定 從圖可知 鋸齒波是由開關管來 2 V 控制的 由導通變截止期間產生鋸齒波 截止狀態持續的時間就是鋸齒波的 2 V 2 V 寬度 開關的頻率就是鋸齒波的頻率 要使觸發脈沖與主電路電源同步 使 2 V 的開關頻率與主電路電源頻率同步就可達到 圖中的同步環節 是由同步變壓 2 V 器 TS 和作同步開關用的晶體管組成的 同步變壓器和整流變壓器接在同一電 2 V 源上 用同步變壓器的二次電壓來控制的通斷作用 這就保證了觸發脈沖與主 2 V 電路的電源同步 同步變壓器二次電壓經二極管間接加在的基極上 當二次電壓波形 TS u 1 VD 2 V 在負半周的下降段時 導通 電容被迅速充電 因 O 點接地為零電位 R 1 VD 1 C 點為負電位 Q 點電位與 R 點相近 故在這一階段基極為反向偏置 截止 2 V 2 V 在負半周的上升段 電源通過給電容反向充電 為電容反向充電波形 1 E 1 R 1 C Q u 其上升速度比波形慢 故截止 當 Q 點電位達 1 4V 時 導通 Q 點電 TS u 1 VD 2 V 位被鉗位在 1 4V 直到 TS 二次電壓的下一個負半周到來時 重新導通 1 VD 本科生課程設計 論文 8 迅速放電后又被充電 截止 如此周而復始 在一個正弦波周期內 包 1 C 2 V 2 V 括截止與導通兩個狀態 對應鋸齒波波形恰好是一個周期 與主電路電源頻率和 相位完全同步 達到同步的目的 可以看出 Q 點電位從同步電壓負半周上升段 開始時刻到達 1 4V 的時間越長 截止時間就越長 鋸齒波就越寬 可知鋸齒 2 V 波的寬度是由充電時間常數決定的 1 R 1 C 2 3 保護電路設計 電力電子系統在發生故障時可能會發生過流 過壓 造成開關器件的永久 性損壞 過流 過壓保護包括器件保護和系統保護兩個方便 檢測開關器件的 電流 電壓 保護主電路中得開關器件 防止過流 過壓損壞開關器件 檢測 系統電源輸入 輸出及負載的電流 電壓 實時保護系統 防止系統崩潰而造 成事故 例如 R C 阻容吸收回路 限流電感 快速熔斷器 壓敏電阻等 再 一種則是采用電子保護電路 檢測設備的輸出電壓或輸入電流 當輸出電壓或 輸入電流超過允許值時 借助整流觸發控制系統使整流橋式電路短時間內工作 于有源逆變工作狀態 從而抑制過電壓或過電流的數值 2 3 1 過電流保護 當電力電子變流裝置內部某些器件被擊穿或短路 驅動 觸發電路或控制電 路發生故障 外部出現負載 直流側短路 可逆傳動系統產生逆變失敗 以及交 流電源電壓過高或過低 均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作電流 即 出現過電流 因此 必須對電力電子裝置進行適當的過電流保護 采用快速熔斷器作過電流保護 如圖 2 6 所示 熔斷器是最簡單的過電流保 護元件 但最普通的熔斷器由于熔斷特性不適合 很可能在晶閘管燒壞后熔斷器 還沒有熔斷 快速熔斷器有較好的快速熔斷特性 一旦發生過電流可及時熔斷起 到保護作用 最好的辦法是晶閘管元件上直接串快速熔斷器 因流過快速熔斷器 電流和晶閘管的電流相同 所以對元件的保護作用最好 這里就應用這一方法 圖 2 6 過電流保護電路 本科生課程設計 論文 9 2 3 2 過電壓保護 設備在運行過程中 會受到交流供電電網進入的操作過電壓和雷擊過電壓的 侵襲 同時 設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現 過電壓保護的一種方法是并接 R C 阻容吸收回路 以及用壓敏電阻等非線性 元件加以抑制 如圖 2 7 所示 圖 2 7 過電壓保護電路 電流上升率 電壓上升率的抑制保護 晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區域 局部電流很大 然后以一定的擴展速度將電流擴展到整個陰極面 若晶閘管開通時電流上升率 di dt 過大 會導致 PN 結擊穿 必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍 內 有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯入電感 如圖 2 8 所示 圖 2 8 電流上升率抑制保護電路 加在晶閘管上的正向電壓上升率 dv dt 也應有所限制 如果 dv dt 過大 由 于晶閘管接電容的存在而產生較大的位移電流 該電流可以實際上起到觸發電流 本科生課程設計 論文 10 的作用 使晶閘管正向阻斷能力下降 嚴重時引起晶閘管的誤導通 有效辦法可 以在晶閘管兩端并聯 R C 吸收回路 如圖 2 9 所示 圖 2 9 R C 吸收回路 2 4 元器件型號選擇 單相橋式半控整流電流 阻感負載 與單相全控橋式整流電路的電阻負載時 的工作情況相同 直流輸出電壓平均值 2 cos1 9 0 sin2 1 22 UttUUd 直流輸出電流平均值 2 cos1 9 0 R U R U I dd d 流經晶閘管的電流有效值 2sin 2 1 2 sin 22 2 1 22 R U tdt R U IVT 變壓器二次有效值 2sin 2 1 sin 22 1 22 2 R U tdt R U I 參數計算 ddI UP 出 4 2 2 出 P U R d 輸出電流平均值 本科生課程設計 論文 11 A V R U I d d 8 45 4 2 110 流過晶閘管電流有效值 A R U tdt R U IVT9 482sin 2 1 2 sin 22 2 1 22 變壓器二次側電流有效值 A R U tdt R U I1 692sin 2 1 sin 22 1 22 2 器件選擇 晶閘管的額定電流 AA I I VT N 2 62 7 46 2 5 1 57 1 這里取 2 倍安全電流儲備 并考慮晶閘管元件的額定電流 所以選擇額定電 流為 100A 的晶閘管 晶閘管的額定電流 VVUUN 4 933 3 622 3 2 2 2 這里取 3 倍安全電壓儲備 并考慮晶閘管元件的額定電壓 所以選擇額定電 壓為 1000V 的晶閘管 通過在網上查詢的資料顯示 額定電壓為 1000V 和額定電流 100A 的參數的 晶閘管可以出自同一種型號的晶閘管 保護電路的晶閘管阻容吸收的計算表格如表 2 1 所示 保護電路阻容吸收網絡的電阻大小為 20 歐姆 電容為 0 25 uF 表 2 1 阻容吸收計算表格 IT AV 1000500200100502010 電容 F210 50 250 21 150 1 電阻 2510204080100 2 5 MATLAB 仿真實驗 啟動 MATLAB 打開 Simulink 新建文件 根據單相橋式半控整流電路所需 的元器件添加相應的控件并連線 完成仿真圖的繪制 繪制完成后的仿真圖如圖 2 10 所示 本科生課程設計 論文 12 圖 2 10 單相半控橋式整流電路的 MATLAB 仿真圖 由前面的計算我們已經知道 當觸發角從 0 連續變化到 1800時 對應的直 流輸出電壓逐漸變小 圖 2 11 2 12 2 13 2 14 分別給出了控制角 為 0 450 900 1800時的仿真波形圖 從上到下的分別是電源電壓 U 晶閘管 VT1 的觸發脈沖 P1 晶閘管 VT3 的觸 發脈沖 P2 流經晶閘管 VT1 的電流 Id1 流經晶閘管 VT3 的電流 Id2 輸出電壓 Ud 的波形 所產生的波形與理論波形相同 符合設計要求 本科生課程設計 論文 13 圖 2 11 觸發角 0 時的仿真波形 圖 2 12 觸發角 450時的仿真波形 本科生課程設計 論文 14 圖 2 13 觸發角 900時的仿真波形 圖 2 14 觸發角 1800時的仿真波形 本科生課程設計 論文 1 第 3 章 課程設計總結 本課程設計是要求設計一個單相半控橋式整流電路為額定電壓 110V 功率 為 5kW 的直流電動機提供直流可調電源 在設計過程中需要設計一個單相半控 橋式整流電路作為主電路 以及需要設計一個控制電路 同時還要有保護電路 在總電路設計之后還需要進行 MATLAB 仿真實驗 本課程設計主要是單相半控橋式整流電路的工作原理 包括 電路中開關器 件的通斷狀態以及交流電源電壓的波形和負載的性質 分析其輸出的直流電壓 電路中各元器件的電壓和電流波形 單相半控橋式整流電路基本數量關系 包括 輸出的平均電壓 平均電流 晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓 流過晶閘 管的電流 電壓的有效值 導通角的范圍 單相半控橋式整流電路負載對整流的 影響包括感性負載 容性負載 阻性負載 在選擇器件時最重要的是掌握其基本特性 工作原理 主要參數以及使用中 注意的問題 在設計過程中先要設計一個橋式電路作為主電路 單相半控橋式整流電路的 設計需要用到晶閘管和電力二極管 相對于單相全控橋式整流電路來說 需要的 器件更加簡單 經濟 對于晶閘管的應用數量更少 但是相對去全控整流電路更 容易出現失控現象 對于單相半控橋式整流電路 需要一個控制電路 所以在主 電路設計完成之后就是對控制電路的設計 而本課程設計中所用到的是同步信號