單相全控橋式晶閘管整流電路設計純電阻負載

1、1單相橋式全控整流電路的功能要求及設計方案介紹1.1 單相橋式全控整流電路設計方案1.1.1設計方案圖1設計方案1.1.2整流電路的設計主電路原理圖及其工作波形3)圖2主電路原理圖及工作波形主電路原理說明：（1）在u2正半波的（0a）區(qū)間，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓，但無觸發(fā)脈沖，晶閘管VT2、VT3承受反向電壓。因此在0a區(qū)間，4個晶閘管都不導通。（2）在u2正半波的（a冗）區(qū)間，在t=a時刻，觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導通。（3）在u2負半波的（冗兀+a）區(qū)間，在冗兀+a間，晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，因無觸發(fā)脈沖而處于關斷狀態(tài)，晶閘管VT1、VT4承受反向電壓也不導通。（4

2、）在u2負半波的（冗十a2冗）區(qū)間，在t=兀+a時刻，觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其元件導通，負載電流沿b-VTAR-VT*a-T的二次繞組-b流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負載電阻上，負載上有輸出電壓（ud=-u2）和電流，且波形相位相同。2觸發(fā)電路的設計2.1 晶閘管觸發(fā)電路觸發(fā)電路在變流裝置中所起的基本作用是向品閘管提供門極電壓和門極電流，使晶閘管在需要導通的時刻可靠導通。根據(jù)控制要求決定品閘管的導通時刻，對變流裝置的輸出功率進行控制。觸發(fā)電路是變流裝置中的一個重要組成部分，變流裝置是否能正常工作，與觸發(fā)電路有直接關系，因此，正確合理地選擇設計觸發(fā)電路及其各項技術指標是保證品閘管變流

3、裝置安全，可靠，經濟運行的前提。,開始啟動A/D轉換；在A/D轉換期間，STAR他保持低電平。2.1.1 晶閘管觸發(fā)電路的要求品閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產生的觸發(fā)脈沖要求：(1)觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。(2)觸發(fā)信號應有足夠的功率(觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流)。(3)觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。(4)觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。(5)、為使并聯(lián)晶閘管能同時導通，觸發(fā)電路應能產生強觸發(fā)脈沖。強觸發(fā)電流幅值為出發(fā)電流的35倍左右，脈沖前沿的

4、陡度取為12晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求(1)觸發(fā)脈沖的寬度應該保證品閘管的可靠導通，對感性和反電動勢負載的變流器采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)，對變流器的啟動，雙星型帶平衡電抗器電路的觸發(fā)脈沖應該寬于30°,三相全控橋式電路應小于600或采用相隔60°的雙窄脈沖。(2)脈沖觸發(fā)應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增大為器件最大觸發(fā)電流的35倍，脈沖前沿的陡度也要增加。一般需達1-2A/us(3)所提供的觸發(fā)脈沖不應超過晶閘管門極的電壓、電流和額定功率，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內。(4)應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及主電路的電氣隔離。2.1.2鋸齒波的觸發(fā)電

5、路15VoVS25士_武竄Dl-PiRRP|C7_+15V30%51GAHFVD7R率%。0%cV以WCvT“17g=(-3V%Cv,i接封鎖信號%T5VXY-15V圖3同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路電路輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個晶閘管同時導通的電路），也可為單窄脈沖。三個基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。止匕外，還有強觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。脈沖形成環(huán)節(jié)：由晶體管V4、V5組成，V7、V8起脈沖放大作用?？刂齐妷簎co加在V4基極上。電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。脈沖前沿由V4導通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù)

6、R11C3t關。鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)：鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、包流源電路等，本電路采用恒流源電路。包流源電路方案由VI、V2、V3和C2等元件組成，其中VI、VSRP2和R3為一包流源電路同步環(huán)節(jié)：觸發(fā)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。鋸齒波是由開關V2管來控制的，V2開關的頻率就是鋸齒波的頻率一一由同步變壓器所接的交流電壓決定。V2由導通變截止期間產生鋸齒波一一鋸齒波起點基本就是同步電壓由正變負的過零點。V2截止狀態(tài)持續(xù)的時問就是鋸齒波的寬度一一取決于充電時間常數(shù)R1C1雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)：內雙脈沖電路：每個觸發(fā)單元的一個周期

7、內輸出兩個間隔60叩勺脈沖的電路。VSV6構成一個“或”門，當V5、V6都導通時，V7、V8都截止，沒有脈沖輸出。只要V5、V6有一個截止，都會使V7V8導通，有脈沖輸出。第一個脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對應的控制角豆產生。隔60不勺第二個脈沖是由滯后60口相位的后一相觸發(fā)單元產生（通過V6）。在三相橋式全控整流電路中，器件的導通次序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6彼此間隔60口，相鄰器件成雙接通，所以某個器件導通的同時，觸發(fā)單元需要給前一個導通的器件補送一個脈沖。最終輸出的脈沖波形為：uiTSliTPpbA圖4最終輸出的脈沖波形鋸齒波同步觸發(fā)脈沖不受電網(wǎng)電壓波動與波形畸變的直

8、接影響，抗干擾能力強,而且移相范圍寬。（所以我選取該觸發(fā)器做設計。）3保護電路的設計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅動電路設計，采用合適的過電壓、過電流、du/dt保護和di/dt保護也是必要的。3.1過電壓保護電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內應過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：(1)操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓，快速直流開關的切斷等經常性操作中的電磁過程引起的過壓。(2)雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括：(1)換相過電壓：由于晶閘管或者全控器件反并聯(lián)的

9、續(xù)流二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷能力，因而有較大的反向電流流過，使殘存的載流子恢復，當其恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極之間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產生過電壓。(2)關斷過電壓：全控型器件在較高的頻率下工作，當器件關斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。過壓保護要根據(jù)電路中過壓產生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到一定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將

10、電容并聯(lián)在回路中，當電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產生振蕩，過電壓保護電路如圖5所示。圖5過電壓保護電路3.2過電流保護品閘管承受過電流的能力很低，若過電流數(shù)值較大且時間較長，則晶閘管會因熱容量小而產生熱擊穿損壞。為了使晶閘管不受損壞，必須設置過流保護，使品交流側自動開關或直流側接觸器跳閘。其動作時間約為100200ms因此只能保護因機械過負載而引起的過電流，或在短路電流不大時，對品閘管起保護作用。(1)直流快速開關對于大容量高功率經常容易短路的場合，可采用動作時間只有2ms的直

11、流快速開關。它的斷弧時間僅有2530ms裝在直流側可有效的用于直流側的過載保護與短路保護。它經特殊的設計，可以先于快速熔斷器熔斷而保護晶閘管。但此開關昂貴復雜，使用不多?？焖偃蹟嗥鏖l管在被損壞之前就迅速切斷電流，并斷開橋臂中的故障元件，以保護其他元件。品閘管過流保護措施有以下幾種。(2)交流短路器交流短路器的作用是當過電流超過其整定值時動作，切斷變壓器一次側交流電路，使變壓器退出運行。短路器動作時間較長，約為100200ms品閘管不能在這樣長的時間里承受過電流，故它只能作為變流裝置的后備保護。(3)進線電抗器進線電抗器用接在變流裝置的交流進線側，以限制過電流。具缺點是有負載時會產生較大的壓降，

12、增加了線路損耗。二圖6快熔接法(4)電流繼電器過電流繼電器可安裝在直流側或交流側，在發(fā)生過電流時動作，使熔斷器是最簡單有效的且應用普遍的過流保護器件。針對晶閘管的特點，專門設計了快速熔斷器，簡稱快熔。其熔斷時間小于20ms,能很快的熔斷，達到保護品閘管的目的?？烊鄣倪x擇：快熔的額定電壓URN不小于線路正常工作電壓的均方根值；快熔的額定電流Irn應按它所保護的原件實際流過的電流的均方根值來選擇，而不是根據(jù)元件型號上標出的額定電流It來選擇，一般小于被保護品閘管的額定有效值1.57It?？烊劢臃ㄈ鐖D6所示:其中交流側接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側短路起保護作用，但要求正常工作時，快速熔斷器

13、電流定額要大于品閘管的電流定額，這樣對元件的短路故障所起的保護作用較差。直流側接快速熔斷器只對負載短路起保護作用，對元件無保護作用。只有晶閘管直接申接快速熔斷器才對元件的保護作用最好，因為它們流過同一個電流.因而被廣泛使用。電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。4元件參數(shù)計算選取與總電路圖4.1 整流電路參數(shù)計算由圖知品閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為Flu?和、；丸2整流電壓平均值為：二2U22U21二-二IT(2sint)d(t).sin2：2二；R2Ry2二二變壓器二次側電流有效值I2

14、與輸出直流電流有效值I相等，為一12.2U21cos1cos：Ud=.2U2sin-td(t)=0.9U222a=0時，Ud=Udo=0.9U2。a=180陽寸，Ud=0?？梢?，a角的移相范圍為180口。向負載輸出的直流電流平均值為：,Ud2.2U21cos二八八U21cos;Id=-=2=0.92R二R2R2(2)流過晶閘管的電流平均值dT二21d=0.45二(-2U2sint)2d(t)sin2二冗-Ct(5)流過晶閘管的電流有效值為:(6)，,一一1有上兩式得ITI2不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量為S=U2I2o4.2 晶閘管基本參數(shù)及選型4.2.1 晶閘管基本參數(shù)由于單相橋式全

15、控整流帶電阻性負載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。4.3 閘管的主要參數(shù)如下：(1)額定電壓UTn通常取UDrmWUr用較小的，再取靠近標準的電壓等級作為品閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓應為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。品閘管的額定電壓：UTn=<minUDRM，URRM)UTn>(2-3)UTmUTM:工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓(2)額定電流IT(AV)It(AV)又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫400和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170°的電路中，結溫不超

16、過額定結溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為品閘管的額定電流。要注意的是若晶閘管的導通時間遠小于正弦波的半個周期，即使正向電流值沒超過額定值，但峰值電流將非常大，可能會超過管子所能提供的極限，使管子由于過熱而損壞。(3)通態(tài)平均管壓降Ut(AV)0指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導通的正弦波半個周期內陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.41.2V。(4)維持電流Ih。指在常溫門極開路時，晶閘管從較大的通態(tài)電流降到剛好能保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般Ih值從幾十到幾百毫安，由晶閘管電流容量大小而定。(5)門極觸發(fā)電流Ig0在常溫下，陽極電壓為6V時，

17、使晶閘管能完全導通所需的門極電流，一般為毫安級。(6)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結溫和門極開路的情況下，不會導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。(7)通態(tài)電流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，品閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。若晶閘管導通時電流上升太快，則會在晶閘管剛開通時，有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。4.2.2晶閘管選型1 .晶閘管承受最大的電壓是在a=00的時候，輸入電壓為100V,50Hz的交流電,功率P=500W利用R=U/P=10000/500=20C。2 .流過晶閘管的電流有效值:1二2U22U21

18、二IT(2sint)d(t),sin2：2；R,2R2=(100/1.414*20)*1=3.54A。3 .變壓器二次電流有效值與輸出直流電流有效值為:一(HsindgJzsinZ：一二二RR2二二=100/20*1=5Ao4 .這時整流電壓平均值為:Ud1=.2U2sintd(t)ji=0.9U21cos：=0.9*100*1=90V。5.向負載輸出的平均電流值為：Ud2.2U21cos;Id=2=0.9R=90/20=4.5A6 .a角的移相范圍為0°-1800。7 .流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半閘管只有半個周期導通)，即：.1U21cos：IdTId=0.45

19、2R2f0.5*4.5=2.25A。(因為一個周期內每個晶8.考慮2倍的裕量，那么額定電流I=2.25*2=4.5A。2-Oll9.UDR=U2=70.7VURR=2=M1V2Utnf70.7V*3=210V綜上所述：選擇20建的電阻，選擇額定電壓為210V,額定電流為4.5A,型號為KP204的品閘管104.3電路總接線圖圖8電路總接線圖5仿真及結果分析5.1 電阻負載的單相橋式全控整流仿真電路圖：kw/irLVjdpwrgi*MFuJaeOHiefiiwI口*JDjmntRM35uiHH4ntV2VDtiigG：Source-FubaGffi謝dMl圖8仿真及結果分析1 .波形圖分別代表晶

20、體管VT上的電流、晶體管VT上的電壓、電阻加電感上的電壓。下列波形分別是延遲角a為0°、30°、90°、150°時的波形變化。2 .由上面仿真圖可以知道，在五個波形中，第一個的波形表示的是品閘管的電流ivt,第二個是晶閘管的電壓uvt,第三個表示的是負載電阻上的電流id,第四個表示的是二次側繞組的電流i2,第五個是負載電阻上的電壓ud5.2 仿真模塊參數(shù)設置121.交流電源圖14交流電源參數(shù)設置對交流電，電壓“Peakamplitude”為100V,“Phase”為0d,其頻率“Frequency設置為50Hz,周期T=1/f=1/50=0.02s。2.

21、電流測量圖15電流測量參數(shù)設置Outputsignal”設置為complex。3.電壓測量134.脈沖信號發(fā)生器圖17脈沖信號發(fā)生器參數(shù)設置“pulsetype”設置為Timebased,“Time”設置為Usesimulationtime,"Amplitude”設置為1.0,14“Period”設置為0.02,“PulseWidth”設置為10,Pulse參數(shù)對話框，其中相位延遲Phasedelay的設置，按關系t=aT/3600計算。1 .對交流電T=0.02s,當a=0°仿真時，pulse1,t=0s,對pulse2,t=0.01,。2 .當a=30°仿真時

22、，對pulse1,t=0.00167s,對pulse2,相位延遲設置為0.01+0.00167=0.01167s。3 .當a=90°仿真時，對Pulse1,相位延遲Phasedelay設置為t=民T/3600=0.005s,對pulse2,相位延遲設置為0.01+0.005=0.015s;4 .當對a=150°仿真時，對Pulse1,相位延遲Phasedelay設置為t=aT/360=0.00833s,對pulse2,相位延遲設置為0.01+0.00833=0.01833s。5.3仿真輸出圖形%=0°時的波形為圖9a=0°時的波形a=30°時的波形為15圖10a=30°時的波形a=60°時的波形為圖11a=60°時的波形a=90°時的波形為16a=150°時的波形為圖13a=150°時的波形17參考文獻1王兆安.電力電子技術(第五版).北京：機械工業(yè)出版社，2004.01WangZhaoAn.PowerElectronicTechnology(5rdedi