1、武漢理工大學電力電子裝置及控制課程設計說明書目錄摘要11電路設計要求21.1主要任務21.2設計方案22系統硬件選擇3 2.1 系統結構框圖32.2整流變壓器的選擇42.2.1整流變壓器的作用42.2.2整流變壓器的特點42.2.3整流變壓器參數計算52.3整流電路的選擇62.4晶閘管選擇62.5 觸發電路的選擇72.6 晶閘管的保護設計82.6.1 過電流保護82.6.2 過電壓保護92.6.3 電壓上升率與電流上升率的限制102.7 系統總電路圖113心得體會124參考文獻13摘要電力電子技術為電力工業的發展和電力應用的改善提供了先進技術，它的核心是電能形式的變換和控制，并通過電力電子裝置

2、實現其應用。電力電子裝置是以滿足用電要求為目標，以電力半導體器件為核心，通過合理的拓撲和控制方式，采用相關的應用技術對電能實現變換和控制的裝置。本次課程設計為設計亮度可連續調節的電路，通過運用電力電子裝置相關知識，對電路進行分析設計，再對各個硬件進行選擇和參數計算，最后用Protel畫出電路圖。關鍵詞：單相全控橋式整流電路，晶閘管電路設計，Protel畫圖亮度可連續調節電路設計1. 電路設計要求1.1主要任務主要任務：利用可控器件組成整流電路，將輸入交流電變成可利用的直流電，供給電阻負載，并且可以控制輸出電壓的幅值，要求給出電路圖，選定器件參數。基本要求：輸入電壓為220V 單相交流電，頻率

3、50Hz；輸出電壓為024V 直流電；最大負載電流3A，帶電阻性負載（燈泡）。1.2設計方案整流電路是電力電子電路中出現最早的一種，它將交流電變為直流電，應用十分廣泛， 電路形式多種多樣。要實現亮度可連續調節，可通過變壓器變壓，將 220V 交流電壓變為要求幅值（24V）的交流電，再由整流電路把交流電變為直流電，帶動燈泡發光，通過導通角 的控制調節 輸出直流電壓的大小。主電路分為變壓器變壓、交流電整流和保護電路三個部分，整流電 路的選擇有多種方案，我采用的是單相全控橋式整流電路。2.系統硬件選擇2.1系統結構框圖交流電源首先要經過變壓器變壓，然后還要有整流電路把交流電變為直流電，同時晶 閘管還

4、需要有觸發電路、過電流過電壓保護電路，變為直流電后，再接負載（燈泡 ）系統的結構框圖如圖1所示。圖 1 系統的結構框圖2.2 整流變壓器的選擇2.2.1 整流變壓器的作用(1) 變換整流器的輸入電壓等級。由于要求整流器輸出直流電壓一定，若整流橋路的交流輸入電壓太高，則晶閘管運行時的觸發延遲角需要較大；若整流器輸入電壓過低，則可能在觸發延遲角最小時仍不能達到負載要求的電壓額定值。所以，通常采用整流變壓器變換整流器的輸入電壓等級，以得到合適的二次電壓。(2) 利用變壓器漏抗限制晶閘管導通時，整流器短路時上升率di/dt增大。(3) 實現電網與整流裝置的電氣隔離，改善電源電壓波形，以減少整流裝置的諧

5、波對電網的干擾。2.2.2 整流變壓器的特點(1)由于整流器的各橋臂在一周期內輪流導通，整流變壓器二次繞組電流并非正弦波（近似方波），電流中含有直流分量，而一次電流不含直流分量，使整流變壓器視在功率比直流輸出功率大。(2)當整流器短路或晶閘管擊穿時，變壓器中可能流過很大的短路電流。為此要求變壓器阻抗要大些，以限制短路電流。(3)整流變壓器由于通過非正弦波電流引起較大的漏抗壓降，因此，它的直流電壓輸出外特性較軟。(4) 整流變壓器二次側可能產生異常的過電壓，因此要有很好的絕緣。2.2.3 整流變壓器參數計算(1) 二次相電壓U2 的計算，由于連接的是電阻負載，對變壓器要求不高，所以變壓器二次相電

6、壓可采用簡便公式： (1)其中，UN 為負載的額定電壓，在這里UN = Ud max =24V ， KUV為整流電壓系數，對于單相全控橋 KUV = 0.9 ，電網電壓波動系數 b =0.9 1.05 。(2) 二次相電流I2的計算變壓器二次相電流 I2 = KIV IdN = 1× 3 = 3A (2)其中，KIV為二次相電流計算系數，對于單相全控橋KIV=1，額定直流電流IdN = IN = Id max = 3A(3) 一次相電流的計算變壓器一次側相電流 (3)其中，KIL為一次相電流計算系數，對于單相全控橋KIL=1，電壓器的電壓比(4) 變壓器容量的計算 變壓器容量S =

7、U2 I2 = (25.4 35.6)V × 3A= (76.2 106.8)VA (4)2.3整流電路的選擇整流電路按電路的構成形式，可分為半波、全波和橋式（含全控橋式和半控橋式）整流電路。半波整流電路只利用了交流電的正半周，而全波整流電路不僅利用了正半周，而且還巧妙地利用了負半周，從而大大地提高了整流效率，但是全波整流電路，需要變壓器有一個使兩端對稱的次級中心抽頭，這給制作上帶來很多的麻煩，同時繞組及鐵心對銅、鐵等材料的消耗更多，在當今世界上有色金屬資源有限的情況下，這是不利的。另外，這種電路中，每只晶閘管承受的最大反向電壓，是變壓器次級電壓最大值的兩倍，因此需用能承受較高電壓的

8、晶閘管。而橋式整流電路，不僅具有全波整流電路的優點，同時在一定程度上也克服了它的缺點。所以本次設計選擇了單相全控橋。2.4晶閘管選擇晶閘管的選擇主要是根據整流器的運行條件，計算晶閘管電壓、電流量，選出晶閘管的型號規格。在工頻整流裝置中一般選擇KP型普通晶閘管，其主要參數為額定電壓、額定電流值。(1) 額定電壓UTN 的計算晶閘管額定電壓UTN = (2 3)KUTU2 = (2 3) ×1.41× (25.4 35.6) = (71.6 150.6)V (5) 其中，KUT為晶閘管的電壓計算系數，對于單相全控橋KUT=1.41。(2) 額定電流 IT( AV)的計算當整流電

9、路電抗足夠大且整流電流連續時，晶閘管額定通態平均電流可用經驗公式IT( AV) (1.5 2)KIT Id max= (1.5 2) × 0.45 × 3 = (2 2.7)A (6)其中，KIT為晶閘管電流計算系數，對于單相全控橋KIT=0.45。2.5 觸發電路的選擇晶體管為一種可控開關器件，欲使其由阻斷轉為導通，應在晶閘管陽極和陰極之間加正向電壓、門極與陰極之間加上足夠功率的正向觸發電壓，導通后控制信號失去作用。正確設計選擇與使用觸發電路，可以充分發揮晶閘管及裝置的功能。由于本次設計采用的是單相橋式整流電路電阻性負載，所以要求的移相范圍為0。 180。，同時所需觸發的

10、晶閘管的額定電流很小，所以可以采用單結晶體管觸發電路。單結晶體管觸發電路具有結構簡單，成本低，觸發脈沖前沿陡，工作可靠，抗干擾能力強，溫度補償性能好、易于調試的優點，但其不能附加放大環節，所以只可觸發50A以下的晶閘管，且移相范圍一般小于180。，正好滿足本次設計的要求。單結晶體管觸發電路如圖2所示。由同步變壓器副邊輸出60V的交流同步電壓，經VD1半波整流，再由穩壓管V1、V2進行削波，從而得到梯形波電壓，其過零點與電源電壓的過零點同步，梯形波通過R7及等效可變電阻V5向電容C1充電，當充電電壓達到單結晶體管的峰值電壓時，單結晶體管V6導通，電容通過脈沖變壓器原邊放電，脈沖變壓器副邊輸出脈沖

11、。同時由于放電時間常數很小，C1兩端的電壓很快下降到單結晶體管的谷點電壓，使V6 關斷，C1再次充電，周而復始，在電容C1兩端呈現鋸齒波形，在脈沖變壓器副邊輸出尖脈沖。在一個梯形波周期內，V6可能導通、關斷多次，但只有輸出的第一個觸發脈沖對晶閘管的觸發時刻起作用。充電時間常數由電容C1和等效電阻等決定，調節RP1改變C1的充電的時間，控制第一個尖脈沖的出現時刻，實現脈沖的移相控制。圖2 單結晶體管觸發電路圖2.6 晶閘管的保護設計2.6.1 過電流保護過電流是晶閘管電路經常發生的故障，因此，過電流保護應當首先考慮。由于晶閘管承受過電流的能力比一般電器差很多，故必須在極短的時間內把電源斷開或把電

12、流值降下來。造成晶閘管過電流的主要原因有：電網電壓波動大，電動機軸上負載超過允許值，電路中管子誤導通以及管子擊穿短路等。晶閘管過流保護方式有脈沖移相限流保護、直流快速斷路器保護、快速熔斷器保護等。 其中快速熔斷器過流保護在晶閘管電路中使用較為普遍。快速熔斷器作為晶閘管過流保護 可以串聯在交流側、直流側或直接與晶閘管串聯，其中以快速熔斷器與晶閘管直接串聯對 晶閘管保護作用最好。所以本次設計采用快速熔斷器與晶閘管直接串聯的方式對晶閘管進 行保護。(1) 快速熔斷器額定電壓的計算快速熔斷器的額定電壓應大于線路正常工作電壓的有效值，即 (7) (2) 快速熔斷器額定電流的計算快速熔斷器的額定電流（有效

13、值）應大于等于被保護晶閘管額定電流，由于晶閘管額定電流在選擇時已考慮了安全裕量1.52，因此，通常按下式選擇，即IFN = IT( AV) = (2 2.7)A (8)2.6.2 過電壓保護(1) 產生過電壓的原因晶閘管對于電壓很敏感，當正向電壓超過其正向斷態重復峰值電壓UDRM一定值時，就會誤通，引起電路故障；當外加的反向電壓超過其反向斷態重復峰值電壓URRM一定值時， 晶閘管將立即損壞。因此必須進行過電壓保護。過電壓產生的原因主要是：電路中開關的 開、閉引起的沖擊電壓，也稱操作過電壓；二是雷擊或其他外來沖擊干擾引起的浪涌過電 壓。(2) 交流側過電壓保護措施 本次設計采用阻容吸收保護，接法

14、是在變壓器的二次側用并聯電阻R和電容C的串聯支路進行保護。對于單相回路電容 (µF) 的估算式為 (9)其中，Iem 為變壓器勵磁電流百分比，對于10100kVA的變壓器，一般為10%4%。電容的耐壓UC 1.5Um = 1.5 ×1.41× (25.4 35.6) = (53.7 75.3)V (10)其中，Um 為晶閘管所承受的最大電壓。 電阻 () 的估算式為 (11)UdL為變壓器的短路比，對于10100kVA的變壓器，一般為5%10%。通過電阻的電流(A)RCI = 2fCU2 ×10 6= 2 × 3.14 × 50 &#

15、215; 0.06 × (1.41× 30) 2×10 6= 0.034A (12)其中，UC 為阻容兩端正常工作時交流電壓峰值。電阻功率(W)RRP (3 4)I2 R = (3 4) × 0.034 2×14.6 = (0.05 0.07)W (13)(3) 晶閘管換相過電壓保護措施為了抑制晶閘管的關斷過電壓，通常采用在晶閘管兩端并聯阻容保護電路的方法。阻容保護的元件參數可由經驗數據選定。在本次設計中，因為晶閘管額定電流很小，所以電容可選取 0.1(µF) ，電阻可選取100() 。電容的耐壓UC = (1.1 1.5)Um =

16、(1.1 1.5) ×1.41× (25.4 35.6) = (39.4 75.3)V (14) 電阻功率(W)RmP = fCU2 ×10 6= 50 × 0.1× (1.41× 30) 2×10 6= 0.009W (15)2.6.3 電壓上升率與電流上升率的限制不同規格的晶閘管對最大的電壓上升率 du/ dt 及電流上升率 di/ dt 有相應的規定，當超 過其值時，會使晶閘管誤導通。可以用交流進線電抗器限制的方法。交流進線電抗器電感量 LB 的計算公式為 (16) 其中， IdN 為交流器輸出額定電流。2.7 系統總

17、電路圖按照結構框圖，將上述的各模塊組合起來，得到系統總電路圖，如圖3所示。圖 3 系統總電路圖3.心得體會通過電路分析，選擇了單相全控橋式整流電路，然后對各硬件進行選擇和參數計算，最后通過Protel得到電路圖。理論上符合要求，完成無誤。由于電力電子裝置這門課程我學習的比較認真，再加上期末階段對理論知識進行了鞏固，因而這次課程設計的理論部分我很容易掌握，設計思路很清晰。但是在實際設計時，電路從無到有的過程中還是遇到了各種各樣的小問題，使我明白終日紙上談兵仍然無法提高獨立設計的能力，對于自動化這一類靈活多變的學科，不能局限于書本，更應多開拓思想，多去思考和探索。另外，我對于Protel的使用也不是很熟練，暴露出平時很少練習的弊