业务单相交流无触点动力开关电路.docx
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1、 引 言 现如今,开关在电气运行控制等方面起着重要作用。一般分为机械开关和电子开关。对此,由于机械开关在断开负载电路时往往有电弧产生,触头易烧损,动作时间长,具有噪音,寿命短和功耗大等问题,而又由电力电子器件组成的的开关具有无出头,开关速度快,使用寿命长,功耗小等优点使电子开关逐步替代机械开关。 电子开关主要指运用电力电子器件实现电路同短的运行单元,至少包括一个可控的电子阀器件。其中电子开关又分为直流电子开关、交流电子开关、微电子开关等。在电机运行控制过程中,交流电子开关用的最为普遍,组成交流开关的电力电子器件可以是单双向晶闸管及自关断器件。所以本次设计的交流无触点开由单双向晶闸管或一些全控型
2、新型电力电子器件构成。目 录引言. 1一、方案选择 . .31.1固态开关.31.2可关断晶闸管.4二、电路图设计以及原理图分析 .52.1主电路设计.5 2.2控制电路设计 .6 2.3控制电路原理分析.6三、元器件的计算选择 .8 3.1整流晶闸管(可控硅)阻容吸收元件的选择.83.2双向晶闸管的选择 93.3整流二极管的选择 .103.4三极管V2的选择.103.5熔断器的选择.123.6降压电阻R5的选择 143.7晶闸管VT1选用 .143.8.R4的选用.14四、元器件规格及明细表.15五、设计总结.16参考文献 17一、 方案选择本次设计是门极可关断晶闸管组成的开关电路与双向晶闸
3、管组成的固态开关作比较。1.1固态开关(1).固态继电器与机电继电器相比,是一种没有机械运动,不含运动零件的继电器,但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件,他利用电子元器件的电,磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离,利用大功率三极管,功率场效应管,单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性,来达到无触点,无火花地接通和断开被控电路。(2).固态继电器的组成 固态继电器有三部分组成:输入电路,隔离(耦合)和输出电路。安输入电压的不同类别,输入电路可分为直流输入电路,交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容,正负逻
4、辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路,交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时,通常使用两个可控硅或一个双向可控硅,直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。(3). 固态继电器的优点 A、高寿命,高可靠:SSR没有机械零部件,有固体器件完成触点功能,由于没有运动的零部件,因此能在高冲击,振动的环境下工作,由于组成固态继电器的元器件的固有特性,决定了固态继电器的寿命长,可靠性高。 B、灵敏度高,控制功率小,电磁兼容性好:固态继电器的输入电压范围较宽,驱动功率低,可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓
5、冲器或驱动器。 C、快速转换:固态继电器因为采用固体器件,所以切换速度可从几毫秒至几微妙。 D、电磁干扰小:固态继电器没有输入线圈,没有触点燃弧和回跳,因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关,在零电压处导通,零电流处关断,减少了电流波形的突然中断,从而减少了开关瞬态效应。1.2可关断晶闸管(GTO)(1).可关断晶闸管是晶闸管的派生器件之一,属于全控型器件。它在兆级以上的大功率场合应用较多。如广泛用于电力机车的逆变器、大功率直流斩波调速装置。(2).根据可关断晶闸管的参数可知,欲使GTO关断,必须从门极抽出相当于阳极电流25%到30%的值(3) GTO关断期间的不均匀性引
6、起的挤流效应使其在关断期间dv/dt必须限制在5001kV/s。为此,人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。(4)使用GTO时需要使用较大的门极电流才能使GTO导通,同时GTO的擎住电流比普通晶闸管要大得多,这就要求在电感性负载时GTO的门极正向触发驱动电路送出的脉冲宽度应足够宽。本次设计要求是控制单相异步电动机的,同时要求电动机能频繁起停。故根据设计要求,由双向晶闸管组成的固态开关在适用场合,操作性能,经济预算等方面都比门极可关断晶闸管实用性好。由此,本次设计的交流无触点动力开关电路是从固态开关开始着手。二、电路图设计以及原理图分析电路图设计概
7、况简图如下:单相电源电动机M控制电路软开关2.1主电路设计 为保护电动机在过流过压等突发事件中能不被烧坏,故在电动机主系统中加入各种保护。短路保护:在主回路中串入熔断器。过电流保护:串入热继电器。主电路图设计如下:2.2控制电路设计双向晶闸管保护:采用并接阻容过电压保护。电气隔离:高耐压光电耦合器。控制电路图设计如下:2.3控制电路原理分析1、2为输入端,相当于继电器或接触器的线圈;3、4为输出端,相当于继电器或接触器的一对触电,与负载串联后接到交流电源上。输入端接上控制电压,使VL中的发光二极管VD2发光,光电晶体管V1阻值减少,是原来导通的晶体管V2截止,原来阻断的晶闸管VT1通过R4被触
8、发导通。输出端交流电源通过负载,VD3、VT1、VD6以及R5构成通路,在电阻R5上产生电压降作为双向晶闸管VT2的触发信号,使VT2导通,负载得电。当输入端输入信号时,其主电路是导通的,无信号时是阻断状态。 其中R6与C是保护双向晶闸管的;VD3、VD4、VD5、VD6是桥式整流电路。为什么要在晶闸管两端并联阻容网络?在实际晶闸管电路中,常在其两端并联RC串联网络,该网络常称为RC阻容吸收电路。 我们知道,晶闸管有一个重要特性参数断态电压临界上升率dlv/dlt。它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下,使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大,超过了晶闸管的电压上升率的值,则
9、会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压,也可能发生这种情况。因为晶闸管可以看作是由三个PN结组成。 在晶闸管处于阻断状态下,因各层相距很近,其J2结结面相当于一个电容C0。当晶闸管阳极电压变化时,便会有充电电流流过电容C0,并通过J3结,这个电流起了门极触发电流作用。如果晶闸管在关断时,阳极电压上升速度太快,则C0的充电电流越大,就有可能造成门极在没有触发信号的情况下,晶闸管误导通现象,即常说的硬开通,这是不允许的。因此,对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。 为了限制电路电压上升率过大,确保晶闸管安全运行,常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络,利用电
10、容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感),所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用,它可以防止R、L、C电路在过渡过程中,因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时,避免电容器通过晶闸管放电电流过大,造成过电流而损坏晶闸管。 由于晶闸管过流过压能力很差,如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。三、元器件的计算选择3.1整流晶闸管(可控硅)阻容吸收元件的选择 (1) 电容的选择 C=(2.5-5)10的负8次方If If=0.367Id Id-直流电流值C=(2.55)*If*10-8=5501100微法电容
11、耐压值U=(23)*220=440660V故电容应选CYY-500-560 (2)电阻的选择:R的选取:小功率选金属膜或RX21线绕或水泥电阻;大功率选RX21线绕或水泥电阻。R=(2-4) 535)If=2.4千欧4.8千欧电阻功率P=2*u2 /R=20W故电阻选择RT-25-3.9看保护对象来区分:接触器线圈的阻尼吸收和小于10A电流的可控硅的阻尼吸收列入小功率范畴;接触器触点和大于10A以上的可控硅的阻尼吸收列入大功率范畴。3.2双向晶闸管的选择由于双向晶闸管两端接在220V上,且电动机额定电流为6A,故双向晶闸管的额定电压U=(23)* U瞬间最大电压=(23)*220*21/262
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