电力电子课程设计-单相可控整流电路设计Word格式.doc

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1、方案的经济技术论证。

2、主电路设计。

3、通过计算选择整流器件的具体型号。

4、确定变压器变比及容量。

5、确定平波电抗器。

6、设计合适的触发电路。

指导教师评语及成绩

成绩：

指导教师签字：

年月日

辽宁工学院课程设计说明书（论文）

目录

第1章课程设计目的与要求 1

1.1课程设计目的 1

1.2课程设计的预备知识 1

1.3课程设计要求 1

第2章课程设计内容 2

第3章课程设计的考核 10

3.1课程设计的考核要求 10

3.2课程性质与学分 10

参考文献 10

第1章课程设计目的与要求

1.1课程设计目的

“电力电子技术”课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。

因此，要求学生能综合应用所学知识，设计出具有电压可调功能的直流电源系统，能够较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌整流电路设计的基本方法。

培养学生独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；

培养分析、总结及撰写技术报告的能力。

1.2课程设计的预备知识

熟悉电力电子技术课程、电机学课程的相关知识。

1.3课程设计要求

按课程设计指导书提供的课题，根据第下表给出的基本要求及参数独立完成设计，课程设计说明书应包括以下内容：

7、触发电路设计或选择。

8、课程设计总结。

9、完成4000字左右说明书，有系统电气原理图，内容完整、字迹工整、图表整齐规范、数据详实。

设计技术参数

工作量

工作计划

1、单相交流220V电源。

2、整流输出电压Ud在0～110V连续可调。

3、整流输出电流最大值100A。

4、反电势负载，Em=100V。

5、要求工作电流连续。

1、方案的经济技术论证。

2、主电路设计。

3、通过计算选择整流器件的具体型号。

4、确定变压器变比及容量。

5、确定平波电抗器

6、触发电路设计或选择。

7、绘制电路图。

第一周：

周一：

收集资料。

周二：

方案论证

周三：

主电路设计。

周四：

理论计算。

周五：

选择器件的具体型号。

第二周：

确定变压器变比及容量

触发电路设计

确定平波电抗器。

周四～五：

总结并撰写说明书。

第2章课程设计内容

2.1方案经济论证

把交流电转换成单一方向、大小可调的直流电的过程，称为可控整流。

可控整流技术是电力电子技术的基础，在生产、生活中应用极广。

用晶闸管组成的可控整流电路，在不影响工程计算精度的情况下，可将晶闸管、二极管看作理想元件，即导通时正向压降与关断时漏电流以及管子的通断时间忽略不计。

单相可控整流电路的形式主要有单相半波、单相全波（又叫双半波）、单相桥式（又分单相全控桥和单相半控桥两种形式）。

这里主要用单相桥式半控整流电路。

在单相半波可控整流电路中，变压器二次侧电压只有半个周期被利用，电能利用率不高。

并且输出电压波形中谐波分量比较多，仅适用于对整流指标要求不高、容量较小的整流装置。

单相桥式可控整流电路用四只晶闸管分别接在四个桥臂上。

电路图（a）所示电路为单相半控桥式整流电路，其中晶闸管V3、V4的阴极连在一起，为共阴极接法，二极管V1、V2阳极连在一起，为共阳极接法。

2.2单相可控整流电路的设计

单相桥式可控整流电路

1．电阻性负载

整流电路如图所示。

桥式电路中晶闸管VT1、VT2阴极为共阴极接法，VT3、VT4阳极为共阳极接法。

共阴极接法的两只晶闸管即使同时触发，也只有阳极电位高的管子导通，另一只管子则承受反向电压。

同理，共阳极接法的两只晶闸管即使同时触发，也只有阴极电位低的管子导通，另一只管子则承受反向电压。

在电源电压u2的正半周中，晶闸管VT2、VT4因承受反向电压而关断，VT1、VT3承受正向电压，当ωt＝α时，给其控制极加上触发脉冲，VT1、VT3便导通，负载RL上得到一个上正下负的电压，电流流通路径为u2（+）→VT1→RL→VT3→u2（-）。

在电源电压u2的负半周中（下+上－），VT2、VT4被触发导通，负载RL也得到一个上正下负的电压，电流流通路径为u2（+）→VT2→RL→VT4→u2（-）。

负载两端电压的波形如图中所示，ud是一个不完整的全波整流电压（阴影部分）。

变压器二次侧电流i2为正负缺角正弦波，平均电流为零，没有直流分量。

对晶闸管VT1而言，VT1、VT3导通时，uT1＝0；

VT2、VT4导通时，uT1承受全部反向电源电压，即uT1＝-u2。

各电量的计算公式：

同单相半波可控整流电路一样，只要改变控制角α的大小，便可调节输出直流电压ud的大小。

显然，与单相半波可控整流电路比较，它的输出电压的平均值可大一倍，即

电压的可控范围为（0～0.9U2）。

输出电流的平均值为

（a）电路图

（b）波形图

单相桥式电阻性负载整流电路

负载电流有效值I与交流输入电流I2相同为：

晶闸管承受的最大正、反向电压，均等于电源电压u2的最大值（），即

流过每个晶闸管和二极管的电流的平均值等于负载电流的一半，即　

有效值为

电路功率因数为：

当α＝0°

，变压器二次测电流i2波形没有畸变，为完整的正弦交流波形。

2．电感性负载

单相桥式整流电路电感性负载电路如图所示。

（a）（b）

单相桥式可控整流电路电感性负载

（a）电路图（b）波形图

在整流电路输出端串联一个电感量足够大的平波电抗器，负载对外呈现感性，使得负载电流Id波形基本是水平直线，这时负载称为大电感负载。

由于电感Ld的作用，当电源电压u2正半周过零开始变负时，L上感应电动势上（－）下（+），阻碍电流下降，只要eL>

u2（电源负电压），已经导通的晶闸管继续导通，负载两端出现负电压。

直到触发VT2、VT4导通，VT1、VT3承受反电压而关断。

每只晶闸管导通角为180°

，晶闸管电流iT为底宽180。

高度Id的矩形波，变压器二次侧电流为正负对称的矩形波无直流分量。

输出电压ud连续且有负值出现。

各电量计算公式如下：

输出电压平均值为

输出电压ud的移相范围为（0～90°

）。

当α＝90°

时，ud波形的正负面积相等，输出电压平均值为零。

负载电流平均值为

式中，电阻RL为负载等效电阻。

负载电流有效值I与负载电流平均值Id及变压器二次侧电流有效值I2相同，即

晶闸管电流平均值为

晶闸管电流有效值为

晶闸管承受的最大正反向电压

大电感负载时id＝Id＝I，电流无交流分量所以谐波功率为零，大电感负载的有功功率等于直流功率。

视在功率为

功率因数

3. 

带反电动势负载时的单相桥式可控整流电路

（1）工作原理

当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。

如图（a）所示，下面着重分析反电动势一电阻负载时的情况。

当忽略主电路各部分的电感时，只有在u2瞬时值的绝对值大于反电动势即|u2|>

E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。

晶闸管导通之后，ud=u2，,直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。

与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，ud和id的波形如图3b）所示，δ称为停止导电角。

在α角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。

如图（b）所示id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。

与此对应，若id波形不出现为0的情况，称为电流连续。

当α＜δ时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。

为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当ωt=δ时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。

这样，相当于触发角被推迟为δ，即α=δ。

负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。

从图（b）可看出，导通角 

θ 

越小，则电流波形的底部就越窄。

电流平均值是与电流波形的面积成比例的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这要求较多地降低反电动势。

因此，当电流继续时，随着Id的增大，转速 

n（与反电动势成比例）降落较大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。

较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花。

同时，对于相等的电流平均值，若电流波形底部越窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。

为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。

有了电感，当u2小于 

E 

时甚至u2值变负时，晶闸管仍可导通。

只要电感量足够大就能使电流连续，晶闸管每次导通180o，这时整流电压 

ud 

的波形和负载电流 

id 

的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。

针对电动机在低速轻载运行时电流连续的临界情况，给出ud和id波形如图4所示。

为保证电流连续所需的电感量 

L 

可由下式求出：

式中，u2单位为V；

Idmin单位为A；

ω是工频角速度；

L为主电路总电感量，其单位为H。

2.3主电路中串入电抗器的电感量计算

使电动机在轻载下仍能维持电流连续的电感叫临界电感L1（mH），计算式为

（1）

式中，V2为晶闸管整流电路交流侧相电压的有效值（V）；

ILmin为使电流维持连续的最小负载电流平均值（A）；

K1为和整流电路形式有关的系数，a为触发延迟角（又叫移相角）。

使电动机能够得到比较恒定的电压和电流的电感叫平波电感LP（mH），计算式为

（2）

式中，VLm为输出电压VL中交变基波分量幅值

对于不同形式的整流电路，fL为整流电路输出电压脉动频率，IL为输出电流平均值（A）；

Si为电流脉动系数，通常在三相整流电路中Si<

5％～10％，单相整流电路Si<

20％。

根据式1和式2计算出的电感量都是指整流回路中应有的总电感量，其中包括了电动机的电感量LM和变压器折合到二次侧的每相漏电感量LB，为了准确地设计电抗器，应从L1和Lp中减去（LM+LB），因此得到

式中电动机的电感LM（mH）按下式计算：

式中，VM为直流电动机的额定电压（V）；

IM为直流电动机的额定电流（A）；

P为磁极对数；

n为直流电动机的额定转速（r／min）；

KM为计算系数，无补偿电动机的KM=8～12；

快速无补偿电动机的KM=6～8；

有补偿电动机的KM=5～6。

变压器折合到二次侧的每相漏电感LB（mH）按下式计算：

式中，KB为与整流电路形式有关的系数，VK％为变压器短路电压百分数，100kVA以下取VK％=O.05，100～1000kVA取VK％=0.05～0.08，容量越大，VK％越大，最大为0.12。

在具体计算Lla和Lpa时应注意：

在不可逆整流电路中或无环流可逆系统中，可以只用一只电抗器，使它在额定负载电流时，电感量不小于Lpa；

而在最小负载电流时，电感量不小于Lla，一般总是Lla>

Lpao这样一来，电抗器的电感量要随负载电流的减小而增大，通过调节电抗器的空气隙，可同时满足两种情况。

气隙增大，大电流时电抗器也不饱和。

对限制电流脉动有利；

气隙减小，小电流时电抗器的电抗值增大，对维持电流连续有利。

如果计算结果Lpa、Lla相近，则电抗器的电感量不随负载电流变化，此时的电抗器统称为平波电抗器。

电抗器的电感量的选取主要考虑满足最小电流时电流连续的需要。

2.4触发电路的选择与设计

对于晶闸管来说，其触发脉冲主要作用是决定晶闸管的导通时刻，同时还应提供相应的门极触发电压和门极触发电流。

所以向晶闸管控制极提供触发信号的电路.对触发电路的基本要求:

1.触发脉冲应有足够的电压和功率，触发电压或电流应大于晶闸管参数中的规定值。

2.触发信号的波形应有一定宽度、前沿要陡，能准确地控制晶闸管的导通，使整流输出电压波形均匀。

3.触发电路与主电路同步，有移相范围。

触发电路都能在每个周期相同的控制角α提供触发脉冲，并能触发相应晶闸管导通。

对不同的整流电路类型和不同性质的负载，触发脉冲都能在规定的范围内移相，可以方便地调整输出电压的波形和大小。

4.防止干扰与误触发

5.在触发脉冲发送之前,触发电路的输出电压应小于0.15--0.2V.

6.触发脉冲要有足够的宽度

在小功率的晶闸管可控整流电路中，常采用单结晶体管触发电路，如图所示。

在可控整流电路中，要求触发电路加到晶闸管上的触发脉冲必须与交流电源同步，即交流电压每次过零后，送到晶闸管控制极的第一个触发脉冲的时刻应该相同。

单结晶闸管的结构

单结晶体管称基极二极管（简称UJT），它是一种只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，在高阻N型硅片的两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。

在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。

单结晶体管的发射极与任一基极之间都存在着单向导电性，其结构、符号和等效电路如图7.9所示。

其中Rb1和Rb2分别为两个基极至PN结之间的电阻。

两基极之间的电阻Rbb=Rb1＋Rb2，一般约有2～15kΩ。

RL

结晶体管触发电路及波形

（a）电路图 

　　　　（b）波形图

图中，同步变压器TS、整流桥、电阻R3、稳压管V构成梯形波同步电压形成环节。

同步变压器TS把主电路电压降低后经过整流桥得到全波电压，再经过由V与R3组成的削波电路转换为梯形波Ubb作为触发电路的同步电源。

（b）图中，当电源电压u1过零时，梯形波Ubb也过零，单结晶体管的峰点电压Up≈ηUbb≈0。

即使电容C上的电压uc不为零值，就会通过单结晶体管的e、b1结对R1放电，使迅速uc下降至零，使电容C在电源每次过零后都从零开始重新充电，只要R与C的数值不变，则每半周由过零点到产生第一个脉冲的时间间隔是固定的。

虽然在每个半周期内回产生多个脉冲，但只有第一个脉冲起到触发晶闸管的作用，一旦晶闸管被触发导通，后面的脉冲不再起作用。

2.5参数的计算和器件的选择

单相桥式可控整流电路，电阻负载，直接接到单相交流220V电上，要求整流输出电压Ud在0～110V连续可调。

整流输出电流最大值100A。

反电势负载，Em=100V。

由公式计算

选择晶闸管应以电压、电流最大值考虑。

控制角α＝0°

时电压、电流最大。

α＝0°

时，

当电阻为1.5时

波形系数

电路中最大电流有效值

已知晶闸管的额定电流

所以

选定额定电流为130A晶闸管

晶闸管两端电压波形可见，元件承受的最大正反向电压

晶闸管额定电压

选择额定电压为700V晶闸管。

2.6设计总结

在本次课程设计中，使我对电力电子技术这门课程有了更进一步的认识，同时也对课堂上所学到的知识更进一步的加深巩固，也开阔了自己的视野。

在课设过程中，把电机学和电力电子技术有机的结合起来，更加进一步的了解到这两门课程的重要性，这次课设让我学到了许多课堂上没有学到的东西，让我的知识面大大的扩展，同时也给我以后的就业打下了良好的基础。

在这次课设过程中，遇到了许多问题，但是这些问题都在老师和同学们的帮助下得到了解决，让自己的知识更加丰富，更加充实了自己。

第3章课程设计的考核

3.1课程设计的考核要求

课程设计采用五级（优、良、中、及格、不及格）评分制。

最后成绩依据课程设计论文及平时成绩决定，其中平时考核成绩占20%。

3.2课程性质与学分

电力电子技术课程设计的课程性质：

考查

学分：

2

参考文献

[1]王兆安.电力电子技术.第四版.北京：

机械工业出版社,2003

[2]石玉.电力电子技术题例与电路设计指导北京：

机械工业出版社,1999

[3]苏玉刚.电力电子技术重庆大学出版社2004.3

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