电力电子课设单相可控变流器设计说明.docx

单相可控变流器设计课程设计作业书学生： 指导老师： 工作单位：自动化学院标题：单相控制转换器的设计初始状态：单相全控桥式可控整流电路或单相半控桥式可控整流电路，阻性 -感性（大电感）负载，R=1.5Q，额定负载电流Id 40A,最大电流I 二40A dmax需要的主要任务：1、 单相可控主电路设计用于参数计算、整流变压器参数计算、整流元件选 型讨论晶闸管电路对电网的影响及其功率因数2、 触发电路设计（触发电路的选择、同步信号均衡）3、 晶闸管过压保护和过流保护电路设计四、系统原理分析5.提供系统的一般电路图课程设计说明要严格按照统一格式印制，资料齐全，坚决杜绝抄袭、雷同 应绘制单元电路图和整体电路原理图，并给出系统参数的计算过程图纸、元 件符号和文字符号符合国家标准概括本课程的设计根据任务描述的要求完成了单相可控变换器的设计选择单相全控 桥式整流器（阻感负载）作为设计方案整个系统由交流电源、控制电路、驱动 电路、负载电路和保护电路组成，基本可以满足问题的要求通过 MATLAB 对整 个电路进行建模和仿真，验证了方案的正确性最后给出了系统的一般电路图 经过一周左右的课程设计，动手和动脑的综合能力得到了锻炼。

目录1 设计背景12 系统方案选择13 单元电路设计33.1 单相可控主电路设计参数计算33.1.1工作原理分析33.1.2整流电路参数计算43.1.3整流变压器参数计算53.2 晶闸管电路对电网的影响及其功率因数63.2.1晶闸管63.2.2晶闸管选型原则83.2.3晶闸管对电网的影响83.2.4系统功率因数计算93.3 触发电路设计103.3.1触发电路的选择103.3.2触发电路设计113.4 过压保护和过流保护的电路设计133.4.1过压保护设计133.4.2过流保护设计143.4.3抑制电流上升率 di/dt 153.4.4抑制电压上升率 dv/dt 15 4 系统一般电路图155 MATLAB 仿真 165.1 MATLAB 建模 165.2 参数化设计165.3 仿真结果1 8 6收获和经验207 参考文献 20单相控制变流器的设计1设计背景变流器是由一个或多个电力电子器件与换流变压器、滤波器、主开关等辅助 设备组成的变流设备应能独立运行并完成规定的功能常见的电源转换器有： 整流器，用于交流到直流的转换；逆变器，用于直流到交流转换；AC转换器， 用于交流转换；DC转换器，用于直流转换器。

此类是为转换器中的整流器设计 的整流电路是电力电子电路中最早的一种它的作用是将交流电转换成直流电， 为直流电源设备供电整流电路的应用非常广泛，如直流电机、电镀、电解电源、 同步发电机励磁、通信系统电源等整流电路通常由触发电路、主电路、滤波器和变压器组成主电路多由硅整 流二极管和晶闸管组成滤波器连接在主电路和负载之间，滤除脉动直流电压中 的交流分量变压器设置视具体情况而定变压器的作用是实现交流输入电压和 直流输出电压的匹配，为交流电网和整流电路提供电气隔离整流电路可以从不同的角度进行分类主要的分类方法有：按成分可分为不 可控、半可控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零型电路；按交流输入 相数分为单相电路和多相电路；根据变压器二次电流的方向是单向还是双向，分 为单拍电路和双拍电路2个系统选项单相桥式整流电路可分为单相全控桥式整流电路和单相半控式桥式整流电 路，根据所接负载的性质不同，具有不同的特性下面分析两个带感性负载的单 相桥式整流电路的工作情况2.1 方案一：单相半控桥式整流电路 图1是单相半控桥式整流电路其优点是：电路简单，调整方便缺点是： 输出电压脉冲大，负载电流脉冲大在阻性负载下，整流变压器次级绕组中存在 直流分量，使铁心磁化，变压器不能得到充分利用。

图1单相半控桥式整流电路2.2方案二：单相全控桥式整流电路图2所示为单相全控整流电路，具有输出电流纹波小、功率因数高、变压器二次 电流两个相等相反的半波、无直流磁化问题、变压器利用率高等优点单相全控 整流电路的平均输出电压是半波整流电路的两倍，相同负载下流过晶闸管的平均 电流降低一半，功率因数提高一半图2单相全控桥式整流电路2.3方案选择单相半控桥式整流电路由于性能较差，在实践中很少使用在中小功率场合， 多采用单相全控桥式整流电路根据以上对比分析，选择的方案是单相全控桥式 整流电路，负载为阻性和感性负载2.4整体框图系统电路主要由交流电源、保护电路、整流电路、控制电路、驱动电路和负 载电路六部分组成输入信号经变压器变换后，经过过流保护电路，保证在电路 过载或短路时，晶闸管和负载不会损坏然后将经过变换和保护的信号输入整流 电路整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下工作，发挥整流电路的整流功能 由以上分析，得到系统整体框图如图3所示：慄护电豁图3整体框图3单元电路设计3.1单相可控主电路设计参数计算3.1.1工作原理分析单相全扌空桥式整流电路设计如图1所示：图4单相全控桥式整流电路及其工作波形在图4中：（a）电路；（b）电源电压；（c）触发脉冲；（d）输出电压;（e）输出电流；f）晶闸管上的电流VT ； VT （g） VT晶闸管上的电流VT ； 14 2 3(h)变压器二次电流；(i)晶闸管VT , VT电压。

14单相全控桥式整流电路的工作原理：在u电源电压的正半周内，，VT , VT2 1 2承受正向电压如果®t = a在此时触发，，VT，导通，VT电流流过VT，负121载，VT和T的二次侧形成回路，但由于电感的存在，u当过零变为负时，感 22应电动势电感上使VT , VT继续导通，直到VT, VT被触发导通时，，VT , VT1 2 3 4 1 2承受反向电压关断，输出电压波形出现负向部分在电源电压的负半周期间u，晶闸管VT在正向电压下，®t =兀+^在，时 23VT触发VT，VT导通，，VT并由反向VT电压u截止VT，VT负载电流VT4 3 4 1 3 2 2 4 1从VT ,到VT，换相VT ； ®t = 2兀,中的感应电动势一直导通到下一个周期VT ,3 2 4 1导通时VT，VT由于施加反向电压而截止VT2 4 3值得注意的是，只有在那个时候，负载电流a

a角的相移为90od2) 整流后输出电压的有效值为U=誌厂Gusin⑹)d铀)=U =67V23) 整流电流的平均值和有效值分别为I = d = 0.9 2 cos a =40A d R RddUUI = = — =44.7AR R dd4) 在一个周期内，每组晶闸管导通 180°，两组依次导通变压器的次级电流为正负对称的方波电流的平均值I与有效值I相等，其波形系数为1d流过每个晶闸管的电流的平均值和均方根值为：dT■0-该1d二-X 40 二220A:上I\； 2 兀 d1 二 4072 d迈=28.3A5）晶闸管导通时管压降u =0，所以其波形为与横轴重合的直线；VT VT当施加T 1 2正向电压但触发脉冲尚未到达时，VT , VT已开启，且整个电压u加到VT或3 4 2 1VT以上，则各元件所能承受的最大正向电压等于x/2u ； VT反向关闭时漏电流2 2 1为零VT只要另一组晶闸管导通，整个电压就会u加到VT或VT导通，所以2 2 1 2两个晶闸管的最大反向电压为 正向电压也为J1U ，即2U = J2 X 67 二 94.75VTm3.1.3整流变压器参数计算变压器在电力系统中的地位非常重要。

它不仅需要大量的变压器，而且要求 性能良好，技术经济指标先进，保证运行安全可靠一侧电压与两侧电压之比约等于其匝数比因此，在保持原绕组不变的情况 下，改变次级绕组的匝数就可以达到输出电压的目的如果次级绕组连接到负载， 电流将流过次级侧，从而将功率传输到负载这样就实现了传输电能和改变电压 的要求，这是变压器运行的基本原理在单相全控桥式整流电路中：二次相电压U :通常我们U在理想条件下进行计算，但实际上很多影响是22不可忽略的如电网电压波动、管子本身的压降和整流变压器的等效电阻引起的 压降因此，设计应计算如下: U2其中U 负载的额定电压；dlAU ——整流元件的正向压降，一般为1V；tn -电流回路通过的整流器元件（VT和VD）的数量；A 理想情况下a二0 和比值，查表U就U 知道了；2 d 0a 最小相移角，u2自动控制系统中的总期望值有一个调整余量，分别为可逆直流调速系统a (30〜35° )和不可逆直流调速系统a(10° 〜15° ));C——线路接线方式系数，查单相桥式C型取0.5V;U ——变压器阻抗电压比，100KV・A以下，取U =0.05V,dl dl100KV・A 以上，取U =0.05〜0.1V;dlI I -二次侧允许的最大电流与额定电流的比值。

2 2 n一次、二次额定电流和容量的计算：如果不考虑变压器的励磁电流，根据变 压器磁动势平衡原理可以得到一次、二次电流的关系：NU= —3- = —3-N U22式 N 中， N ——变压器初级和次级绕组的匝数;32K 是变压器的匝数比 由于流过整流变压器的电流通常是非正弦的，其电流和容量的计算与线路类 型有关单相桥式可控整流电路计算如下：负载大电感时变压器二次电流有效值为I = I = I = 40 A2d此时a为0可以计算U二I x R二1.5 x 40V二60V，ddd选择整流变压器的变比为：K二U =兰0二3.298 U =匕=-60V = 66.67VU 66.7 2 0.9 0.92变压器二次侧容量S = U I =67VX40A=2.68KV・A2 2 23.2 晶闸管电路对电网的影响及其功率因数3.2.1 晶闸管主要参数① 额定电压UTn总和U 中的较小者U ，然后取接近标准的电压等级作为晶闸管型的额RRM DRM定电压选用晶闸管时，额定电压应为正常工作峰值电压购〜3倍，以保证电K =—r^ =兀/ = 1.11路的安全 f I / 1T (AV) / -/2晶闸管额定电压U二｛minU‘ u 7 U X 2~3 ) UTm DRM, RRM Tn TmU ：在工作电路中施加在管子上的最大瞬时电压Tm② 额定电流IT ( AV )I 也称为额定通态平均电流。

它的定义是在室温40°和规定的冷却条件T ( AV )下，在阻性负载流经正弦半波且导通角不小于170°的电路中，当结温不超过额 定结温，最大允许导通状态平均电流值。