电力电子单相桥式整流电路设计.doc

电力电子技术课程设计报告
电力电子单相桥式整流电路设计
姓 名
学 号
年 级
专 业
系(院)
指导教师
2012年 01 月 05 日
引言
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都属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体的说,就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前所用的电力电子器件均用半导体制成,故也称为电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”,功率可以大到数百MW甚至GW,也可以小到数W甚至1W以下。随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛应用。
由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域,利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制,而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处,因此要学好这门课就必须做好实验和课程设计,因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛,而锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路又有利于夯实基础,故我们单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。
摘要
掌握晶闸管的使用,用晶闸管控制单相桥式全控整流电路(阻感性负载)并画出整流电路中输入输出、各元器件的电压、电流波形,理解单相桥式全控整流电路阻感负载的工作原理和基本计算。选择触发电路的结构,考虑保护电路。
一计划任务书
1.1.设计任务:1.设计方案的比较,并选定设计方案.2完成单元电路的设计和主要元器件的说明.3.完成主电路的原理分析,各住要元器件的选择.
1.2.课程设计的要求
熟悉整流和触发电路的基本原理,能够运用所学的理论知识分析设计任务。
(2)掌握基本电路的数据分析、处理;描绘波形并加以判断。
(3)能正确设计电路,画出线路图,分析电路原理。
(4)按时参加课程设计指导,定期汇报课程设计进展情况。
(5)广泛收集相关技术资料。
(6)独立思考,刻苦钻研,严禁抄袭。
(7)按时完成课程设计任务,认真、正确地书写课程设计报告。
(8)培养实事求是、严谨的工作态度和认真的工作作风。
二. 设计内容
2.1方案的选择
电源 → 变压器→ 整流电路 →负载
↓变压器→触发电路↑
单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路,它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析各种单相控整流电路在带电阻性负载、电感性负载和反电动势负载时的工作情况。单相半控整流电路的优点是:线路简单、调整方便。弱点是:输出电压脉动冲大,负载电流脉冲大(电阻性负载时),,且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化,变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小,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,变压器利用率高的优点。 单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍,在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半;且功率因数提高了一半。 根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电 路(负载为阻感性负载)。
三 电路设计方案
当负载由电阻和电感组成时称为阻感性负载。例如各种电机的励磁绕组,整流输出端接有平波电抗器的负载等等。单相桥式整流电路带阻感性负载的电路如上图所示。由于电感储能,而且储能不能突变因此电感中的电流不能突变,即电感具有阻碍电流变化的作用。当流过电感中的电流变化时,在电感两端将产生感应电动势,引起电压降UL
负载中电感量的大小不同,整流电路的工作情况及输出Ud、id 的波形具有不同 的特点。当负载电感量L较小(即负载阻抗角φ),控制角α〉φ时,负载上的电流不连续;当电感L增大时,负载上的电流不连续的可能性就会减小;当电感L很大,且ωLd﹥﹥Rd示时,这种负载称为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流的变化,负载电流连续,可看作一条水平直线。
在电源电压u2 正半周期间, 晶闸管T1 、T2 承受正向电压,若在ωt=α时触发,T1 、T2 导通,电流经T1 、负载、T2 和Tr二次形成回路,但由于大电感的存在,u2 过零变负时,电感上的感应电动势使T1 、T2 继续导通,直到T3、T4 被触发时,T1 、T2 承受反向电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。
在电源电压u2 负半周期间,晶闸管T3、T4 承受正向电压,在ωt=α+π时触发,T3、T4 导通,T1 、T2 反向则制,负载电流从T1 、T2 中换流至T3、T4中。在ωt=2π时,电压u2过零,T3、T4因电感中的感应电动势一直导通,直到下个周期T1 、T2 导通时,T3、T4因加反向电压才截止。
值得注意的是,只有当α〈=π/2时,负载电流才连续,当α〉π/2时,负载电流不连续,而且输出电压的平均值均接近于零,因此这种电路控制角的移相范围是0—π/2。
性能指标分析:
整流电路的性能常用两个技术指标来衡量:一个是反映转换关系的用整流输出电压的平均值表示;另一个是反映输出直流电压平滑程度的,称为纹波系数。
1)整流输出电压平均值
=== (3.5.1)
2)纹波系数
纹波系数用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小,即
3.2晶闸管的触发条件
(1): 晶闸管承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通;
(2):晶闸管承受正向电压时,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管都才能导通;
(3):晶闸管一旦导通门极旧失去控制作用;
(4):要使晶闸管关断,只能使其电流小到零一下.
3.3晶闸管的分类
晶闸管分为:快速晶闸管,逆导晶闸管,双向晶闸管,光控晶闸管,门极可关断晶闸管(GTO),电力晶闸管(GTR),功率场效应晶闸管(MOSFET),绝缘珊双极晶闸管(IGBT),MOS控制晶闸管,集成门极换向晶闸管.静电感应晶体管。
3.4主要元器件的参数选择
①额定电压UTn
通常取UDRM和URRM中较小的,再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时,额定电压应为正常工作峰值电压的2~3倍,以保证电路的工作安全。
晶闸管的额定电压 ·
UTn ≥(2~3)UTM (5.1)
UTM :工作电路中加在管子上的最大瞬时电压
②额定电流IT(AV)
IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°和规定的冷却条件下,元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中,结温不超过额定结温时,所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。
要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期,即使正向电流值没超过额定值,但峰值电流将非常大,可能会超过管子所能提供的极限,使管子由于过热而损坏。
在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大,只要其最大电流有效值ITM ≤ ITn ,散热冷却符合规定,则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。
ITn :额定电流有效值,根据管子的IT(AV) 换算出,
IT(AV) 、ITM ITn 三者之间的关系:
(5.2)
(5.3)
波形系数:有直流分量的电流波形,其有效值与平均值之比称为该波形的波形系数,用Kf表示。