单相全波可控整流电路(110V／10A)电力电子技术课程设计(论文).pdf

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1、电力电子技术课程设计（论文） 题目：单相全波可控整流电路（） 院（系）：电气工程学院 专业班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：副教授 起止时间： 0-6- 至 08- 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院教研室：电气 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文） 题目 单相全波可控整流电路 （） 课程设计（论文）任务 将单相 220V交流电转换为连续可调的直流电，为1 台直流电动机供电。 设计的主要任务包括： 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、设计或选择合适的触发电路

2、。 指导教师评语及成绩 成绩：指导教师签字： 年月日 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 21 基本原理介绍 .2 22 电路设计的经济性论证 .3 23 主电路设计 4 2. 4 触发电路设计或选择 6 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 第 4 章设计总结11 参考文献.11 1 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。

3、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： 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。 7、触发电路设

4、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 0110V 连续可调。 3、 整流输出电流最大值 A。 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、绘制主电路图。 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

5、：选择器件的具体型号。 第二周： 周一：触发电路设计或选择 周二：确定变压器变比及容量 周三：确定平波电抗器。 周四五：总结并撰写说明书。 2 第 2 章课程设计内容 2.1 基本原理介绍 单相全波整流电路如图所示，图中Tr 为电源变压器，它的作用是将交流电网电压VI 变成整流电路要求的交流电压，RL是要求直流供电的负载电阻。 32 Tr TRA NS4 VT1 DIOD E VT2 DIOD E R1 UL 单相全波整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，晶闸管用理想模型来处理， 即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。 在 v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过VT1 流向

6、 RL，在负载 上产生一个极性为上正下负的输出电压。在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变 压器副边线圈的下端流出，只能经过VT2 流向 RL，电流流过 RL时产生的电压极性仍是 上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图中虚线箭头所示。 综上所述，三相全波整流电路巧妙地利用了晶闸管的单向导电性，根据变压器副边 电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端 与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。 3 根据上述分析，可得单相全波整流电路的工作波形如下图。由图可见，通过负载RL 的电流 iL以及电压 vL的波形都是单方向的全波脉动波形。

7、123 321 单相全波整流电路的优点是纹波电压较小，同时因电源变压器在正、负半周内都有 电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高 2.2 电路设计的经济性论证 2.2.1 单相全波可控整流电路中变压器的二次绕组带中心抽头，结构较复杂。绕组及铁心 对铜、铁等材料的消耗比单相全控桥多，在当今世界上有色金属资源有限的情况下，这 是不利的。 2.2.2 单相全波可控整流电路中只用两个晶闸管，比单相全控桥式可控整流电路少2 个， 相应的，晶闸管的门极驱动电路也少两个，但是在单相全波可控整流电路中，晶闸管承 受的最大电压为 2*2 0.5U 2，是单相全控桥式整流电路的2 倍。 2.2.3 单

8、相全波可控整流电路中，导电回路只含1 个晶闸管，比单相桥少一个，因而也少 了一次管压降。 从上述 2，3 考虑，同时其纹波电压较小，同时因电源变压器在正、负半周内都有电 流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高，所以单相全波电路适宜于在低 输出电压的场合。 4 2.3 主电路设计 主电路如图所示： 12 C B A T ? T RA NS4 D? DIOD E D? DIO DE R L + 10 0V - U1 U 2 U2 电路波形图如下所示： 12 21 D C B A U d Id IV T1 ,4 IV T2 ,3 U 2 I2 w t w t w t w t w t w t

9、 2.3.1 具体计算如下： 单相全波整流电路波形与单相全控桥波形一样，所以有：=0.9cosa 其中 d U d U 平波电抗 器 L KP6400-1-12 5 0-E1(-15V),V5又重新导通 . 这时 uc5又 立即降到 -E1, 使 V7,V8 截止, 输出脉冲终止 . 可见, 脉冲前沿由 V4导通时刻确定 ,V5( 或 V6) 截止持续时间即为脉冲宽度. 所以脉冲宽度与凡响充电回路时间常数R11 、C13有关. 2.4.2 锯齿波的形成和脉冲移相环节 锯齿波电压形成的方案较多, 如采用自举式电路 , 恒流电路等 . 图 1 所示为恒流电路 方案. 由 V1,V2,V3 和 C2

10、等元件组成 , 其中 V1,Vs,RP2 和 R3为一恒流电路 . 当 V2 接着时 , 恒流源电流 I1c对电容 C2充电, 所以 C2两端电压为 c U = 1/c( I1cdt)=I1ct/c c U 8 123456 A B C D 654321 D C B A Title Num berRevisionSize B Date:30-Jun-2005Sheet of File:信信dianlidianzi.DdbDrawn By: R? RES 2 R? RES 2 R? RES 2 R? RES 2 R? RES 2 R? RES 2 R? RES 2 R? RES2 R? RES

11、2 R? RES2 R? RES 2 R? RES2 C? CAP C6 C? CAPC? CAP D? DIODE D? DIODE T? TRANS3 D? DIODE SCHOTTKY Q? NPN1 R? RES4 Q? NPN1 Q? NPN1 Q? NPN1 D? DIODE C? EL ECTRO1 Q? NPN1 R? RES 2 Q? NPN1 Q? NPN1 Q? NPN1 D? DIODE D? DIODE D? DIODE VD9 VD8 R? RES 2 R? RES 2 R? RES2 C? CAP D? DIODE T? TRAN S3 R? RES 2 R? R

12、ES 4 T? TRAN S3 VD11-VD14 R? RES 2 VD15 DIODE +15v Uco -15v XY-15V信信信信信 +15V 220V 36V C7 图 1 同步信号为锯齿波的触发电路 按线性增长 , 即 V3的基极电位按线性增长 . 调节电位器 RP2,即改变 C2的恒定充电 c U 1b U 电流 I1c, 可见 RP2是用来调节锯齿波斜率的 . 当 V2 导通时 , 由于 R4阻值很小 , 所以 C2迅速放电 , 使 ub3电位迅速降到零伏附近 . 当 V2周期性地导通和关断时 ,ub3便形成一锯齿波 , 同样 ue3也是一个锯齿波电压 , 如图 1 所示.

13、射 极跟随器 V3的作用是见效控制回路的电流对锯齿波电压ub3的影响. V4管的基极电位由锯齿波电压, 直流控制电压, 直流偏移电压 up三个电压作用的叠 co U 加值所确定 , 它们分别通过电阻R6,R7和 R8与基极相接 . 设 uh为锯齿波电压 ue3单独作用在 V4基极 b4 时的电压 , 其值为 uh=ue3(R7/R8)/R6+(R7/R8) 可见 uh仍为一锯齿波 , 但斜率比 ue3底. 同理偏移电压 up单独作用时 b4 的电压 up为 up=up(R6/R7)/R8+(R6/R7) 可见 up仍为一条与 up平行的直线 , 但绝对值比 up小. 直流控制电压单独作用时 b

14、4 的 co U 电压为 co U =(R6/R8)/R7+(R6/R8) co U co U 9 可见仍为与平行的一直线 , 但绝对值比小. co U co U co U 如果=0,up为负值时 ,b4 点的波形有+确定 , 如图 2 所示. 当为正值时 , co U b U P U co U b4 点的波形由+确定. 由于 V4的存在, 上述电压波形与实际波形有出入, 当 b4 h U P U co U 点电压等于 0.7V 后,V4 导通. 之后 ub4一直被钳位在 0.7V. 所以实际波形如图2 所示. 图中 M点是 V4由截止到导通的转折点 . 由前面分析可知 V4经过 M点时使电路

15、输出脉冲 . 因此当 up为固定值时 , 改变便可改变 M点的时间坐标 , 即改变了脉冲产生的时刻 , 脉冲被移相 . co U 可见, 加 up的目的是为了确定控制电压=0 时脉冲的初始相位 . 当接阻感负载电流连续 co U 时, 三相全控桥的脉冲初始相位应在=90 度; 如果是可逆系统 , 需要在整流和逆变状态下 工作, 这时要求脉冲的移相范围理论上为180 度( 由于考虑 min 和min,实际一般为 120 度), 由于锯齿波波形两端的非线性, 因而要求锯齿波的宽度大于180 度, 例如 240 度, 此时, 令 =0,调节 Up的大小使产生脉冲的M点移至锯齿波 240度的中央 (1

16、20 度处), 对应于 co U =90 度的位置 . 这时, 如为正值 ,M 点就向前移 , 控制角 90度, 晶闸管电路处于逆变状态. co U 2.4.3 同步环节 在锯齿波同步的触发电路中, 触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电 路电源的频率相同且和相位关系确定. 从图 1 可知, 锯齿波是由开关 V2管来控制的 .V2 由 导通变截止期间产生锯齿波,V2 截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度,V2 开关的频率就 是锯齿波的频率 . 要使触发脉冲与主电源同步, 使 V2开关的频率与主电路电源频率同步就 可达到 . 图 1 中的同步环节 , 是由同步变压器 TS和作同步开关用的

17、晶体管V2组成的 . 同步 变压器和整流变压器接在同一电源上, 用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用 , 这 就保证了触发脉冲与主电路电源同步. 同步变压器 Ts 二次电压 UTS经二极管 VD1间接加在 V2的基极上 . 当二次电压波形在 负半周的下降段时 ,VD1导通, 电容 C1 被迅速充电 . 因 O点接地为零电位 ,R 点为负电位 ,Q 点电位与 R点相近 , 故在这一阶段 V2基极为反向偏置 ,V2 截止. 在负半周的上升段 ,+E1 电 源通过 R1给电容 C1反向充电 , 为电容反向充电波形 , 其上升速度比波形慢 , 故 Q U TS U 10 VD1截止, 如图 2

18、所示. 当 Q点电位达 1.4V 时,V2 导通,Q 点电位被钳位在 1.4V. 直到 TS二 次电压 的下一个负半周到来时 ,VD1重新道统 ,C1 迅速放电后又被充电 ,V2 截止. 如此周而复始 . 在一个正弦波周期内 ,V2 包括截止与导通两个状态, 对应锯齿波波形恰好是一个周期, 与主 电路电源频率和相位完全同步, 达到同步的目的 . 可以看出 ,Q 点电位从同步电压负半周上 升段开始时刻到达1.4V 的时间越长 , 锯齿波就越宽 . 可知锯齿波的宽度是又充电时间常数 R1C1决定的 . 2.4.4 双窄脉冲形成环节 本方案是采用性能价格比优越的, 每个触发单元的一个周期内输出两个间

19、隔60 度的脉 冲的电路 , 称内双脉冲电路 . 图 1 中 V5,V6两个晶体管构成一个 ”或”门. 当 V5,V6都导通时 ,uc5约为-15V, 使 V7,V8 都截止 , 没有脉冲输出 . 但只要 V5,V6 中有一个截止 , 都会使 uc5变为正电压 , 使 V7,V8 导通, 就有脉冲输出 . 所以只要用适当的信号来控制V5或 V6的截止 (前后间隔 60 度), 就可以产生符合要求的双脉冲. 其中, 第一个脉冲由本相触发单元的对应的控制角 co U 所产生 , 使 V4由截止变为导通造成V5瞬时截止 , 于是 V8输出脉冲 . 相隔 60 度的第二个脉 冲是有滞后 60 度相位的

20、后一相触发单元产生, 在其生成第一个脉冲时刻将其信号引至本 触发单元 V6的基极 , 使 V6瞬时截止 , 于是本相触发单元的V8管又导通 , 第二次输出一个 脉冲, 因而得到间隔 60 度的双脉冲 . 其中 Vd4和 R17的作用 , 主要是防止双脉冲信号互相 干扰. 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 11 学分：2 第 4 章设计总结 这次课程设计，我掌握了电力电子设计的技巧，在

21、查阅资料的过程中，学会了许多 书本上学不到的东西，并且使自己的动手能力得到了加强，这次课程设计是我们学习完 电力电子技术之后一次较为综合的设计，毫无疑问，每个人理论与实践的能力都得 到了前所未有的锻炼，经过为期10余天的查阅资料、自己总结、与同学探讨等渠道，发 现了自己在平时学习时的不足，以及出现的问题都得到了有效的解决，大学生课程设计 对每个在校大学生都有很大意义，不但锻炼了我们运用知识的能力，并且为我们以后的 毕业设计提供了基础，这次课程设计我更加清楚了以往学习过单相全波整流的现实意义， 详细的了解了它的用途，学以致用是每一个学者学习的最终目的，尤其对我们理科生来 讲，通过这次课程设计更加

22、坚定了我学其他专业课的信心，并增强了兴趣，激发了自己 学习的动力，对以后的工作、研究有很大的帮助。 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 黄俊，秦祖荫编。电力电子自关断器件及电路。北京：机械工业出版社 3 陈治明。电力电子器件基础。北京：机械工业出版社 4 王兆安。电力电子技术的发展动向。电力电子技术，1995， （4） 5 北京：机械工业出版社,1992 北京：机械工业出版社,1992 6丁道宏 . 电力电子技术 M. 北京 : 航天工业出版社,1995 7 张志涌 ,徐彦等 .MATLAB教程 - 基于 6.x 版本 M. 北京 : 北

23、京航空航天大学出版社,2001 8 姚俊 , 马松辉 . 基于 MATLAB6.X 建模与仿真 M. 西安 : 西安电子科技大学出版社,2002 12 9 吕砚山主编 . 常用电工电子技术手册. 北京 : 化工出版社 ,1995.1 10 黄俊主编 . 半导体交流技术. 北京 : 机械工业出版社,1980.7 11 赵良炳编著. 现代电力电子技术基础. 北京 : 清华大学出版社,1995.5 12 郑忠杰主编. 晶痼管变流技术. 北京 : 机械工业出版社,1995.10 13 陈少华主编. 实用电工手册 ( 下一册 ). 南昌 : 江西科技出版社,1997.11 14 龚秋声 . 桥全可控整流电路ZL87100504.X. 北京 : 国家知识产权出版社,1990.1 15 龚秋声 . 桥全可控整流电路的研究.中国电工技术学会电力电子学会四届年会论文集.1990.7 13 14 15 16 17 18 19 20 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 3 45