单相全控桥式整流电路的设计
摘
要
在科学技术高速发展的今天,电力电子技术也不断取得重大突破。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。由 于在社会生活中大小可调的直流电源的需要不断增大,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。本次设计,我们做的单相 桥式全控整流电路具有广泛的应用前景。通过本次设计,对以往所学知识进行夯 实,并不断地提高。因此,我们设计了本课题的研究。 关键词:晶闸管,单相桥式电路,全控整流
目录
第一章 方案的选择……………………………………… 1.1 整体方案的选择……………………………… 1.2 电路原理说明…………………………… 第二章 电路的设计………………………………… 2.1 主电路的设计…………………………… 2.2 驱动电路的设计…………………………
2.2.1 触发电路的选择………………………… 2.2.2 触发电路………………………………… 2.2.3 同步电源………………………………… 2.2.4 移相控制………………………………… 2.2.5 脉冲输出…………………………………
2.3 保护电路的设计…………………………
2.3.1 主电路的过电压保护……………………… 2.3.2 晶闸管的保护电路…………………………
第三章 结论………………………………………… 参考文献…………………………………………………
第一章
1.1 整体方案的选择
方案的选则
单相桥式整流电路可分为单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电 路, 它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。 单相半控整流电路的线路简 单、调整方便,但是其输出电压及负载电流脉动大,且整流变压器二次绕组中存 在直流分量,使铁心磁化,变压器不能被充分利用等缺点,致使其性能较差,实 际中很少采用。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。 在中小功率场合多采用此电路。 根据以上的比较分析, 我们选择单相全控桥式整 流电路。 此电路对每个导电回路进行控制,无须用续流二极管,也不会出现失控现 象,负载形式多样,整流效果好,波形平稳,应用广泛。变压器二次绕组中,正 负两个半周电流方向相反且波形对称,平均值为零,即直流分量为零,不存在变 压器直流磁化问题,变压器
的利用率也高。
1.2 电路原理说明
此电路的负载是由电阻和电感组成的阻感性负载。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。
第二章 电路的设计
整流电路主要由整流主电路、驱动电路和保护电路组成。根据设计任务,在 此设计中采用单相桥式全控整流电路接电阻性负载。
2.1 主电路的设计
主电路原理图如图 1-1 所示,其工作波形如图 1-2 所示。
图 2-1 主电路原理图
在电源电压 u2 正半周期间, 晶闸管 T1 、T2 承受正向电压,若在ω t=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, 1 、 2 承受反向电压而截止。 T T 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、 4 承受正向电压, T 在ω t=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ω t=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。
图 2-2 主电路工作波形图
负载电流连续时整流输出电压的平均值可按下式计算
Ud =
1
2U 2 sin td t =
2 2
U 2 cos = 0.9U 2 cos
输出电流波形因电感很大, 平波效果很好而呈一条水平线。两组晶闸管轮流 导电,一个周期中各导电 180°,且与α 无关, 变压器二次绕组中电流 i2 的波 形是对称的正、 负方波。 负载电流的平均值 Id 和有效值 I 相等, 其波形系数为 1。 在这种情况下: 当α =0°时,Ud=0.9U2;当α =90°时,Ud=0,其移相范围为 90°。 流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为
I dV IV
V 1 Id Id Id 2 2 2 V 2 Id Id Id 2 2 2
晶闸管在导通时管压降 u T =0,故其波形为与横轴重合的直线段;VT1 和 VT2 加正向电压但触发脉冲没到时,VT3、VT4 已导通,把整个电压 u 2 加到 VT1 或 VT2 上, 则每个元件承受的最大可能的正向电压等于 2U 2 ;VT1 和 VT2 反向截止时漏 电流为零,只要另一组晶闸管导通,也就把整个电压 u 2 加到 VT1 或 VT2 上,故 两个晶闸管承受的最大反向电压也为 2U 2 。
2.2 驱动电路的设计
对于使用晶闸管的电路, 在晶闸管阳极加正
向电压后,还必须在门极与阴极 之间加触发电压, 使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。 驱动电路亦称触发电路。 根据控制要求决定晶闸管的导通时刻,对变流装置的输出功率进行控制。触发电 路是变流装置中的一个重要组成部分,变流装置是否能正常工作,与触发电路有 直接关系, 因此, 正确合理地选择设计触发电路及其各项技术指标是保证晶闸管 变流装置安全,可靠,经济运行的前提。
2.2.1 触发电路的选择 单结晶体管又称基极二极管,它是一种只有 PN 结和两个电阻接触电极的半 导体器件,它的基片为条状的高阻 N 型硅片,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。其结 构,符号和等效电如图 2-3 所示。
图 2-3 单结晶体管的结构、符号和等效电路
从上图可以看出,两基极 b1 和 b2 之间的电阻称为基极电阻。Rbb=rb1+rb2 。 (Rb1 为第一基极与发射结之间的电阻,其数值随发射极电流 ie 而变化,rb2 为第 二基极与发射结之间的电阻,其数值与 ie 无关) ;发射结是 PN 结,与二极管等 效。若在两面三刀基极 b2,b1 间加上正电压 Vbb,则 A 点电压为:VA=[rb1/ (rb1+rb2)]vbb=(rb1/rbb)vbb=ηVbb。 为分压比,其值一般在 0.3—0.85 之间) (η ,
若发射极电压 VE 由零逐渐增加,就可测得单结晶体管的伏安特性,如图 2-4 所 示。
图 2-4 单结晶体管的伏安特性
当 Ve〈η Vbb 时,发射结处于反向偏置,管子截止,发射极只有很小的漏电 流 Iceo。 当 Ve≥η Vbb+VD VD 为二极管正向压降(约为 0.7V) ,PN 结正向导通,Ie 显著增加,rb1 阻值迅速减小,Ve 相应下降,这种电压随电流增加反而下降的特 性,称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界 P 称为峰点,与其对应的发 射极电压和电流,分别称为峰点电压 Ip 和峰点电流 Ip。Ip 是正向漏电流,它是使 单结晶体管导通所需的最小电流,显然 Vp=η Vbb。 随着发射极电流 Ie 的不断上升,Ve 不断下降,降到 V 点后,Ve 不再下降了, 这点 V 称为谷点,与其对应的发射极电压和电流,称为谷点电压 Vv 和谷点电流 Iv。 过了 V 后,发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态,所以 uc 继续增加时,ie 便缓慢的上升,显然 Vv 是维持单结晶体管导通的最小发射极 电压,如果 Ve〈Vv,管子重新截止。 单结晶体管的主要参数:基极间电阻 Rbb 发射极开路时,基极 b1,b2 之间的 电阻,一般为 2-10 千欧,其数值随温度的上升而增大;分压比η 由管子内部结 构决定的参数,一般为 0.3--0.85;eb1 间反向电压 Vcb1 b2 开路,在额定反向电压 Vcb2 下,基极 b1 与
发射极 e 之间的反向耐压;反向电流 Ieo b1 开路,在额定反 向电压 Vcb2 下,eb2 间的反向电流; 峰点电流 Ip 单结晶体管刚开始导通时,发 射极电压为峰点电压时的发射极电流。 2.2.2 触发电路 晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其 产生的触发脉冲要求:
1)触发信号可为直流、交流或脉冲电压。 2)触发信号应有足够的功率(触发电压和触发电流) 。 3)触发脉冲应有一定的宽度,脉冲的前沿尽可能陡,以使元件在触发导通后, 阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。 4)触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步,脉冲移相范围必须满足电路要求。 为保证触发电路和主电路频率一致,利用一个同步变压器,将其一次侧接入 为主电路供电的电网,由其二次侧提供同步电压信号,这样,由同步电压决定的 触发脉冲频率与主电路晶闸管频率始终是一致的。 触发电路的定相由多方面的因素确定,主要包括相控电路的主电路结构、触 发电路结构等。 只有根据各晶闸管供电电压的相位正确决定各触发电路同步电压 uTS 的相位,才能保证各晶闸管有相同的控制角α ,相同的输出电压波形。正确 选择同步电压相位,叫做晶闸管电路的同步或定相,它是变流装置设计、安装、 调整、维护中的重要问题。 2.2.2.1 单结晶体管触发电路 由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性 能好,脉冲前沿徒等优点,在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激 震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成,电路图如 2-5(a)所示。 2.2.2.2 单结晶体管自激震荡电路 从图 2-5(a)可知,经 D1-D2 整流后的直流电源 UZ 一路径 R2、R1 加在单 结晶体管两个基极 b1、 2 之间, b 另一路通过 Re 对电容 C 充电, 发射极电压 ue=uc 按指数规律上升。Uc 刚冲点到大于峰点转折电压 Up 的瞬间,管子 e-b1 间的电阻 突然变小,开始导通。电容 C 开始通过管子 e-b1 迅速向 R1 放电,由于放电回路 电阻很小,故放电时间很短。随着电容 C 放电,电压 Ue 小于一定值,管子 BT 又由导通转入截止,然后电源又重新对电容 C 充电,上述过程不断重复。在电 容上形成锯齿波震荡电压, R1 上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲 us, 如图 在 2-5(b)所示,其震荡频率为 f=1/T=1/ReCLn(1/1-η )
式中η =0.3~0.9 是单结晶体管的分压比,即调节 Re 可调节振荡频率。
1
1
图 2-5 单结晶体管触发电路及波形
2.2.3 同步电源 步电压又变压器 TB 获得,而同步变压器与主电路接至同一电源,故同步电 压于主电压同相位、 同频率。 同步电压经桥式整
流、 稳压管 DZ 削波为梯形波 uDZ, 而削波后的最大值 UZ 既是同步信号,又是触发电路电源.当 UDZ 过零时,电容 C 经 e-b1、 1 迅速放电到零电压.这就是说,每半周开始,电容 C 都从零开始充电,进而保 R 证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻(即控制角α )一致,实现同 步.。 2.2.4 移相控制 当 Re 增大时,单结晶体管发射极充电到峰点电压 Up 的时间增大,第一个脉 冲出现的时刻推迟,即控制角α 增大,实现了移相。 2.2.5 脉冲输出 触发脉冲 ug 由R1 直接取出,这种方法简单、经济,但触发电路与主电路有 直接的电联系,不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以一般 采用脉冲变压器输出。
2.3 保护电路的设计
相对于电机和继电器,接触器等控制器而言,电力电子器件承受过电流和 过电压的能力较差, 短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。但又不能完全根 据装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数, 必须充分
发挥器件应有的过载能力。 因此,保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不 可少的重要环节。 2.3.1 主电路的过电压保护 主电路的过压保护如图2-6所示。
图2-6 主电路过压保护
产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁 感应所引起。其中,对雷击产生的过电压,需在变压器的初级侧接上避雷器,以 保护变压器本身的安全;而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电 压,一般发生在交流侧、直流侧和器件上,因而,下面介绍单相桥式全控整流主 电路的电压保护方法。对交流侧过电压产生过程:电源变压器初级侧突然拉闸, 使变压器的励磁电流突然切断, 铁芯中的磁通在短时间内变化很大,因而在变压 器的次级感应出很高的瞬时电压。对直流侧过电压产生过程:当某一桥臂的晶闸 管在导通状态突然因果载使快速熔断器熔断时, 由于直流住电路电感中储存能量 的释放,会在电路的输出端产生过电压。 2.3.2 晶闸管的保护电路 晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时,可能会发生过电流,过电流分 过载和短路两种情况, 由于晶闸管的热容量较小,以及从管心到散热器的传导途 径中要遭受到一系列热阻,所以一旦过电流,结温上升很快,特别在瞬时短路电 流通过时,内部热量来不及传导,结温上升更快,晶闸管承受过载或短路电流的 能力主要受结温的限制。 可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器,直流快速 熔断器和过电流继电器等。 在此我们采用快速熔断器措施来进行过电流保护,如 图 2-7 所示。
图 2-7 过电流保护图
采用快
速熔断器是电力电子装置中最有效、 应用最广的一种过电流保护措施。 在选择快熔时应考虑: 1)电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。 2) 电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般 与电力半导体器件串联连接, 在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母 线中。 3)快熔的 I 2 t 值应小于被保护器件的允许 I 2 t 值、 4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化,应考虑其时间电流特性。 因为晶闸管的额定电流为 10A,快速熔断器的熔断电流大于 1.5 倍的晶闸管额 定电流,所以快速熔断器的熔断电流为 15A。 电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。 外因 过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因, 内因过电压主要来自电力 电子装置内部器件的开关过程, 过电压保护有避雷器保护,利用非线性过电压保 护元件保护, 利用储能元件保护,利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保 护。在此我们采用储能元件保护即阻容保护,如图 2-8 所示。
图 2-8 晶闸管的过电压保护
第三章 结论
通过单相全控桥式整流电路的设计,使我加深了对整流电路的理解,让我 对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。整流电路的设计方法多种多样,且根据负 载的不同,又可以设计出很多不同的电路。对于一个电路的设计,首先应该对它 的理论知识很了解,这样才能设计出性能好的电路。整流电路中,开关器件的选 择和触发电路的选择是最关键的,开关器件和触发电路选择的好,对整流电路的 性能指标影响很大。在这次课程设计过程中,我收获了许多,加深了对以前所学 知识的进一步理解,同时也认识到自己的不足,以及需要改进的地方,这对我的 不断进步与提高有很大的推进作用。
参考文献
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