业务单相交流无触点动力开关电路.docx

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*21/2622933V双向晶闸管的额定电流I（1.52）*668A故双向晶闸管选择KS10-83.3整流二极管的选择在整流电路中，要选用整流二极管。选用前要先了解整流电路的输入电压、输出电流。整流电路的形式及各项参数值等。然后根据电路的具体要求选用合适的整流二极管。在串联型电源电路中可选用一般的整流二极管。只要有足够大的整流电流和反向工作电压就可以选用。在低压整流电路中，所选用的整流二极管的正向电压应尽量小。在选用彩色电视机行扫描电路中整流二极管时，除了考虑最高反向电压、最大整流电流、最大功耗等参数外，还要重点考虑二极管的开关时间，不能用普通整流二极管。一般可选用FR200、FR206以及FR300307系列整流管，它们的开关时间小于0.85uS。在电视机的稳压电源中，一般为开关型稳压电源，应选用反向恢复时间短的快速恢复整流二极管。可选用PFR150157系列，其反向恢复时间为0.85uS。在收音机、收录机的电源部分用于整流的二极管，可选用硅塑封的普通整流二极管，比如2CE系列，1N4000系列，1N5200系列。1N4001型（2CZ85B）整流二极管的额定正向整流电流为1A。4、常用的1N4000系列二极管耐压比较如下： 型号 1N4001 1N4002 1N4003 1N4004 1N4005 1N4006 1N4007 耐压（V） 50 100 200 400 600 800 1000 电流（A） 均为1故整流二极管应选择1N40033.4三极管V2的选择一般小功率三极管的选用 小功率三极管在电子电路中的应用最多。主要用作小信号的放大、控制或振荡器。选用三极管时首先要搞清楚电子电路的工作(工作总结)频率大概是多少。如中波收音机振荡器的最高频率是2MHz左右；而调频收音机的最高振荡频率为120MHz左右；电视机中VHF频段的最高振荡频率为250MHz左右； UHF频段的最高振荡频率接近1000MHz左右。工程设计中一般要求三极管的fT大于3倍的实际工作(工作总结)频率。所以可按照此要求来选择三极管的特征频率 fT。由于硅材料高频三极管的fT一般不低于50MHz，所以在音频电子电路中使用这类管子可不考虑fT这个参数。 小功率三极管BVCEO的选择可以根据电路的电源电压来决定，一般情况下只要三极管的BVCEO大于电路中电源的最高电压即可。当三极管的负载是感性负载时，如变压器、线圈等时BVCEO数值的选择要慎重，感性负载上的感应电压可能达到电源电压的28倍(如节能灯中的升压三极管)。一般小功率三极管的BVCEO都不低于15V，所以在无电感元件的低电压电路中也不用考虑这个参数。 一般小功率三极管的ICM在3050mA之间，对于小信号电路一般可以不予考虑。但对于驱动继电器及推动大功率音箱的管子要认真计算一下。当然首先要了解继电器的吸合电流是多少毫安，以此来确定三极管的ICM。 当我们估算了电路中三极管的工作(工作总结)电流(即集电极电流)，又知道了三极管集电极到发射极之间的电压后，就可根据P=UI来计算三极管的集电极最大允许耗散功率PCM。 国产及国外生产的小功率三极管的型号极多，它们的参数有一部分是相同的，有一部分是不同的。只要你根据以上分析的使用条件，本着“大能代小”的原则(即 BVCEO高的三极管可以代替BVCEO低的三极管；ICM大的三极管可以代替ICM小的三极管等），就可对三极管应用自如了。 三极管的型号常用的PNP型三极管有：A92、9015等型号；NPN型三极管有：A42、9014、9018、 9013、9012等型号。故V2型号90143.5熔断器的选择熔断器额定电流选择原则由于各种电气设备都具有一定的过载能力，允许在一定条件下较长时间运行；而当负载超过允许值时，就要求保护熔体在一定时间内熔断。还有一些设备起动电流很大，但起动时间很短，所以要求这些设备的保护特性要适应设备运行的需要，要求熔断器在电机起动时不熔断，在短路电流作用下和超过允许过负荷电流时，能可靠熔断，起到保护作用。熔体额定电流选择偏大，负载在短路或长期过负荷时不能及时熔断；选择过小，可能在正常负载电流作用下就会熔断，影响正常运行，为保证设备正常运行，必须根据负载性质合理地选择熔体额定电流。 (1)照明电路熔体额定电流被保护电路上所有照明电器工作电流之和。 (2) 电动机： 单台直接起动电动机熔体额定电流(1.52.5)电动机额定电流。 多台直接起动电动机总保护熔体额定电流(1.52.5)各台电动机电流之和。 降压起动电动机熔体额定电流(1.52)电动机额定电流。 绕线式电动机熔体额定电流(1.21.5)电动机额定电流。 (3)配电变压器低压侧熔体额定电流(1.01.5)变压器低压侧额定电流。 (4)并联电容器组熔体额定电流(1.431.55)电容器组额定电流。 (5)电焊机熔体额定电流 (1.52.5)负荷电流。 (6)电子整流元件熔体额定电流1.57整流元件额定电流。熔断器的选择 主要依据负载的保护特性和短路电流的大小选择熔断器的类型。对于容量小的电动机和照明支线，常采用熔断器作为过载及短路保护，因而希望熔体的熔化系数适当小些。通常选用铅锡合金熔体的RQA系列熔断器。对于较大容量的电动机和照明干线，则应着重考虑短路保护和分断能力。通常选用具有较高分断能力的RM10和RL1系列的熔断器；当短路电流很大时，宜采用具有限流作用的RT0和RTl2系列的熔断器 假定电动机功率1.2KW,对于单台频繁启停的电动机来说：电动机的额定电流=P/U/cosa=6A熔断器溶体的额定电流I=（33.5）X电动机的额定电流I=（1821）A故熔断器选择RL96-253.6降压电阻R5的选择R5的选择要根据VT2触发信号电压电流选择R=200/20mA=10千欧3.7晶闸管VT1选用经过桥式整流后,流入控制电路的电压平均值U=2*0.45*220=200VVT1的额定电压U=(23)*21/2*200=570850VVT1的额定电流要根据VT2的触发信号电流VT1的额定电流I=(1.52)*0.1/1.57=95127mA故晶闸管VT1选用3CT033.8 R4的选用R4=（1-0.8）/0.001A=200欧四、元器件规格及明细表器件名称型号数量备注电容CCYY-500-5601电阻R6RT-25-3.91VT2KS10-81R5110千欧整流二极管1N40034晶闸管VT13CT0311R41200欧三极管V290141熔断器RL96-252五、设计总结课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础说实话，课程设计真的有点累然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这几天的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多，另我有了一中”春眠不知晓”的感悟 通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱：有2次因为不小心我计算出错，只能毫不情意地重来认真对待的良好习惯这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练 短短几天的课程设计，使我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，今天才知道自己并不会用想到这里，我真的心急了。从今往后，我要认真学习专业知识，真正做到弄清弄懂弄会。并在此基础上多实践，把学到的用到生活中去。更要学会用网络资源，会查阅资料书，和同学多讨论等。这次课程设计是我收获很多，并使我发现自己的不足，我会在以后工作学习中积极改正！ 参考文献【1】王廷才 电力电子变流技术 【机械工业出版社】【2】张华 电类专业课程设计指导 【机械工业出版社】【3】王强 电力电子器件型号总编 【光明出版社】