成稿單相半控橋式晶閘管整流電路課程設(shè)計(jì)概要

1、電力電子課程設(shè)計(jì)單相半控橋式晶閘管整流電路設(shè)計(jì)（帶續(xù)流二極管、反電勢(shì) 電阻負(fù)載）院 別：機(jī)械與電子工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)年級(jí)： 電氣工程自動(dòng)化姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)老師：起止日期：1. 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)題目單相半控橋式晶閘管整流電路設(shè)計(jì)（帶續(xù)流二極管、反電勢(shì)、電阻負(fù)載）二、設(shè)計(jì)目的通過(guò)電力電子變流技術(shù)的課程設(shè)計(jì)達(dá)到以下幾個(gè)目的：1、培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用In ternet檢索需要的文獻(xiàn)資料。2培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。3、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力和工程設(shè)計(jì)的能力。4、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用仿真工具的能力和方法。5、提高學(xué)生課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)水平。三、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：1 、電源電壓：交流

2、100V/50HZ2 、輸出功率：500W3、移相范圍30（150o4、反電勢(shì)：E=70V四、設(shè)計(jì)內(nèi)容：?jiǎn)蜗喟肟貥蚴骄чl管整流電路的設(shè)計(jì) （帶續(xù)流二極管）（反電勢(shì)、 電阻負(fù)載）五、設(shè)計(jì)要求 （1）畫(huà)出電路原理圖（2）完成參數(shù)計(jì)算六、課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求 課程設(shè)計(jì)用紙和格式統(tǒng)一，要求圖表規(guī)范，文字通順，邏輯性強(qiáng)。設(shè) 計(jì)報(bào)告不少于 20 頁(yè)。1、設(shè)計(jì)的基本要求（給出所要設(shè)計(jì)的裝置的主要技術(shù)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)裝 置要達(dá)到的要求 （包括性能指標(biāo)），最好劍術(shù)所設(shè)計(jì)裝置的主要用途）2、總體方案的確定（包括調(diào)制方式， pwm 控制方法，主電路形式確 定等）3、具體電路設(shè)計(jì)（主電路設(shè)控制電路設(shè)計(jì)以及參數(shù)計(jì)算等）4、附錄（

3、電路圖，仿真結(jié)果圖等）5、參考文獻(xiàn)、八前言電力電子學(xué) , 又稱(chēng)功率電子學(xué) （Power Electronics） 。它主要研究各種電力電 子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置， 以完成對(duì)電 能的變換和控制。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電 （ 高電壓、大電流 ） 或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支， 又是電工學(xué)在弱電 （低電壓、小電流） 或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支， 或者說(shuō)是強(qiáng)弱電相 結(jié)合的新科學(xué)。 電力電子學(xué)是橫跨“電子”、 “電力”和“控制”三個(gè)領(lǐng)域的一 個(gè)新興工程技術(shù)學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展 , 人們對(duì)電路的要求也越來(lái)越高 , 由于在生產(chǎn)實(shí)際 中需要大小可調(diào)的直流電源 , 而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

4、、控制方便、性能穩(wěn)定 , 利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能 , 是目前獲得直流電能的主 要方法, 得到了廣泛應(yīng)用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力 網(wǎng)供給用戶的是交流電，而在許多場(chǎng)合，例如電解、蓄電池的充電、直流電動(dòng)機(jī) 等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機(jī)外，最普遍應(yīng)用的是利用各 種半導(dǎo)體元件產(chǎn)生直流電。這個(gè)方法中，整流是最基礎(chǔ)的一步。整流，即利用具 有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?把方向和大小交變的電流變換為直流電。 整流的基礎(chǔ)是 整流電路。由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域， 利用 半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能和變換

5、和控制， 而構(gòu)成的一 門(mén)完整的學(xué)科。 故其學(xué)習(xí)方法與電子技術(shù)和控制技術(shù)有很多相似之處， 因此要學(xué) 好這門(mén)課就必須做好課程設(shè)計(jì)，因而我們進(jìn)行了此次課程設(shè)計(jì)。我們知道，單相整流器的電路形式是各種各樣的，整流的結(jié)構(gòu)也是比較多 的。單相橋式半控整流電路， 對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制， 相對(duì)于全控橋而言少了 一個(gè)控制器件， 用二極管代替， 有利于降低損耗！ 故我們將單結(jié)晶體管觸發(fā)的單 相晶閘管半控整流電路這一課題作為這一課程的課程設(shè)計(jì)的課題。第一章 單相半控橋式整流電路供電方案的選擇1.1具體供電方案電源電壓：交流100V/50HZ第二章 單相半控橋式（反電動(dòng)勢(shì)、電阻負(fù)載）整流電路主電路設(shè)計(jì)2.1主電路原波

6、形 圖:(B)2.2變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算電源電壓：交流100V/50HZ,輸出功率：500KV，移相范圍30(150q 反電勢(shì)：E=70V。設(shè)R=5Q2.3變壓器一、二次側(cè)電流的計(jì)算P=Ud2/RUd=50v。P=Id 2R, Id=10AUl/U2=220/100=11/5, N1/N2=11/5J=5id /6=25/3A2.4變壓器容量的計(jì)算S=Ui i=100x 25/3=833.33 kv.A2.5變壓器型號(hào)的選擇N1:N2=11/5,S=833.33kv.A第三章電路元件的選擇3.1整流元件的選擇由于單相橋式半控反電動(dòng)勢(shì)、電阻負(fù)載電路主要器件是晶閘管，所以選取 元件時(shí)主要考慮晶閘

7、管的參數(shù)及其選取原則。晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從總體結(jié)構(gòu)上看，可區(qū)分為管芯及散熱器兩1-6及圖1-7所示大部分，分別如圖a）螺栓型b ）平板型 c ）符號(hào)圖晶閘管管芯及電路符號(hào)表示管芯是晶閘管的本體部分，由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，具有三個(gè)與外電路可以連接 的電極：陽(yáng)極A,陰極K和門(mén)極（或稱(chēng)控制極）G,其電路圖中符號(hào)表示如圖 1-6C ）所示。散熱器則是為了將管芯在工作時(shí)由損耗產(chǎn)生的熱量帶走而設(shè)置的冷 卻器。按照晶閘管管芯與散熱器間的安裝方式， 晶閘管可分為螺栓型與平板型兩 種。螺栓型（圖1-6a）依靠螺栓將管芯與散熱器緊密連接在一起，并靠相互接 觸的一個(gè)面?zhèn)鬟f熱量。a）自冷 b ）風(fēng)冷

8、 c ）水冷圖晶閘管的散熱器晶閘管管芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，是一個(gè)四層（Pi Ni F2 N2）二端（A、 K、G）的功率半導(dǎo)體器件。它是在 N型的硅基片（N1）的兩邊擴(kuò)散P型半導(dǎo)體雜 質(zhì)層（Pi、F2），形成了兩個(gè)PN結(jié)Ji、J20再在P2層內(nèi)擴(kuò)散N型半導(dǎo)體雜質(zhì)層 N 又形成另一個(gè)PN結(jié)J3。然后在相應(yīng)位置放置鉬片作電極，引出陽(yáng)極 A,陰極K 及門(mén)極G形成了一個(gè)四層三端的大功率電子元件。這個(gè)四層半導(dǎo)體器件由于 三個(gè)PN結(jié)的存在，決定了它的可控導(dǎo)通特性。晶閘管的工作原理通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：1）只有當(dāng)晶閘管同時(shí)承受正向陽(yáng)極電壓和正向門(mén)極電壓時(shí)晶閘管才能導(dǎo) 通，兩者不可缺一。2）晶閘管

9、一旦導(dǎo)通后門(mén)極將失去控制作用，門(mén)極電壓對(duì)管子隨后的導(dǎo)通或關(guān)斷均不起作用，故使晶閘管導(dǎo)通的門(mén)極電壓不必是一個(gè)持續(xù)的直流電壓，只要是一個(gè)具有一定寬度的正向脈沖電壓即可， 脈沖的寬度與晶閘管的開(kāi)通特性及負(fù) 載性質(zhì)有關(guān)。這個(gè)脈沖常稱(chēng)之為觸發(fā)脈沖。3）要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使陽(yáng)極電流降低到某一數(shù)值之下（約幾十毫安）。這可以通過(guò)增大負(fù)載電阻，降低陽(yáng)極電壓至接近于零或施加反向陽(yáng)極 電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流稱(chēng)為維持電流，是晶閘管的一個(gè)重要參數(shù)。晶閘管為什么會(huì)有以上導(dǎo)通和關(guān)斷的特性，這與晶閘管內(nèi)部發(fā)生的物理過(guò)程 有關(guān)。晶閘管是一個(gè)具有Pi Ni R 2四層半導(dǎo)體的器件，內(nèi)部形成有三個(gè) P

10、N 結(jié)Ji、J2、J3，晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，其中 Ji、J3承受反向阻斷電壓，J2 承受正向阻斷電壓。這三個(gè) PN結(jié)的功能可以看作是一個(gè) PNP型三極管VT （ Pi NP2）和一個(gè)NPN型三極管VE （Ni RN）構(gòu)成的復(fù)合作用，如圖i-9所 示 0圖晶閘管的等效復(fù)合三極管效應(yīng)可以看出，兩個(gè)晶體管連接的特點(diǎn)是一個(gè)晶體管的集電極電流就是另一個(gè)晶 體管的基極電流，當(dāng)有足夠的門(mén)極電流Ig流入時(shí)，兩個(gè)相互復(fù)合的晶體管電路 就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋，導(dǎo)致兩個(gè)晶體管飽和導(dǎo)通，也即晶閘管的導(dǎo)通。如果晶閘管承受的是反向陽(yáng)極電壓，由于等效晶體管VT1、VT2均處于反壓狀態(tài)，無(wú)論有無(wú)門(mén)極電流Ig，晶閘管都不能

11、導(dǎo)通。3.13晶閘管的基本特性1 靜態(tài)特性靜態(tài)特性又稱(chēng)伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關(guān)系。這里介紹陽(yáng)極伏 安特性和門(mén)極伏安特性。(1)陽(yáng)極伏安特性晶閘管的陽(yáng)極伏安特性表示晶閘管陽(yáng)極與陰極之間的電壓Uak與陽(yáng)極電流i之間的關(guān)系曲線，如圖1-10所示。1正間l 晉通'(3)r(2) AlJ A 雖 1 A 珀二 Or 靈一圖6.5晶閘管陽(yáng)極伏安特性 正向阻斷高阻區(qū)；負(fù)阻區(qū)；正向?qū)ǖ妥鑵^(qū)；反向阻斷高阻區(qū)陽(yáng)極伏安特性可以劃分為兩個(gè)區(qū)域：第I象限為正向特性區(qū)，第川象限為反 向特性區(qū)。第I象限的正向特性又可分為正向阻斷狀態(tài)及正向?qū)顟B(tài)。(2)門(mén)極伏安特性晶閘管的門(mén)極與陰極間存在著一個(gè) PN

12、結(jié)J3,門(mén)極伏安特性就是指這個(gè)PN結(jié) 上正向門(mén)極電壓ug與門(mén)極電流ig間的關(guān)系。由于這個(gè)結(jié)的伏安特性很分散，無(wú) 法找到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門(mén)極特性和一條極限低阻門(mén)極 特性之間的一片區(qū)域來(lái)代表所有元件的門(mén)極伏安特性，如圖1-11陰影區(qū)域所示。圖6.6 晶閘管門(mén)極伏安特性2 動(dòng)態(tài)特性晶閘管常應(yīng)用于低頻的相控電力電子電路時(shí)， 有時(shí)也在高頻電力電子電路中 得到應(yīng)用，如逆變器等。在高頻電路應(yīng)用時(shí)，需要嚴(yán)格地考慮晶閘管的開(kāi)關(guān)特性， 即開(kāi)通特性和關(guān)斷特性。（1）開(kāi)通特性晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過(guò)程為開(kāi)通過(guò)程。圖1-12給出了晶閘管的開(kāi)關(guān)特性。在晶閘管處在正向阻斷的條件下突加門(mén)極觸發(fā)電流，由于

13、晶閘管內(nèi)部正反饋過(guò)程及外電路電感的影響，陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)需要一定的時(shí)間。從突加門(mén)極電流時(shí) 刻到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)定值It的10%所需的時(shí)間稱(chēng)為延遲時(shí)間td,而陽(yáng)極電流從 10%T上升到90%T所需的時(shí)間稱(chēng)為上升時(shí)間tr，延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和為晶閘 管的開(kāi)通時(shí)間 tgt=td+tr，普通晶閘管的延遲時(shí)間為0.51.5卩S,上升時(shí)間為 0.53卩s。延遲時(shí)間隨門(mén)極電流的增大而減少，延遲時(shí)間和上升時(shí)間隨陽(yáng)極電壓上升而下降。通常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用電源、負(fù)載和 輔助換流電路來(lái)提供。要關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽(yáng)極電壓。晶閘管的關(guān)斷，就 是要使各層區(qū)內(nèi)載流子消失，

14、使元件對(duì)正向陽(yáng)極電壓恢復(fù)阻斷能力。 突加反向陽(yáng) 極電壓后，由于外電路電感的存在，晶閘管陽(yáng)極電流的下降會(huì)有一個(gè)過(guò)程， 當(dāng)陽(yáng) 極電流過(guò)零，也會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)電流，反向電流達(dá)最大值I RM后，再朝反方向快速衰減接近于零，此時(shí)晶閘管恢復(fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。3.14整流元件中電壓、電流最大值的計(jì)算Uta=(23) ,2 U2=2 2 X , 2 x 100=400VI=(1.5 2)k I d=2X 0.75 x 10=15A3.15整流元件型號(hào)的選擇晶閘管的型號(hào)為：Kp15-4第四章保護(hù)元件的選擇4.1變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措 施。在選擇

15、快熔時(shí)應(yīng)考慮：1）電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來(lái)確定。2）電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊垡?般與電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流 母線中。3）快熔的12t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I 2t值、4）為保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。因?yàn)榫чl管的額定電流為10A,快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管 額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為 15A。4.2晶閘管保護(hù)電路的選擇過(guò)電流保護(hù)當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動(dòng)、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負(fù)載過(guò)載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)

16、生逆變失??；以 及交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低；均能引起裝置或其他元件的電流超過(guò)正常工作電 流，即出現(xiàn)過(guò)電流。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)電流保護(hù)。過(guò)壓保護(hù)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過(guò)電壓和雷擊過(guò)電壓 的侵襲。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過(guò)電壓出現(xiàn)。因此，必須 對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)電壓保護(hù)。4.3保護(hù)電路原理圖及工作原理迪漁戡定緒定骨移圖4.3過(guò)流保護(hù)原理圖過(guò)壓皴定給定第建圖4.3過(guò)電壓保護(hù)電路第五章 單相半控橋式晶閘管整流電路的相控觸發(fā)電路5.1相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理單結(jié)晶體管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過(guò)零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電

17、路對(duì)其 產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求： 觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。 觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。 觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽(yáng) 極電流能迅速上升超過(guò)掣住電流而維持導(dǎo)通。 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路由單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸發(fā)電路具有簡(jiǎn)單、 可靠、抗干擾能力強(qiáng)、溫度補(bǔ)償性 能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點(diǎn)，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應(yīng)用。 他由自激 震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如圖所示。第六章 單相半控橋式晶閘管整流電路設(shè)計(jì)總設(shè)計(jì)結(jié)果6.1總電路的原理框圖系統(tǒng)原理方框圖如圖

18、所示:6.2總電路原理圖6.3總電路工作原理該電路主要由主電路和觸發(fā)電路構(gòu)成，輸入的信號(hào)市電220v經(jīng)變壓器變壓后變?yōu)?00v,由觸發(fā)電路來(lái)控制導(dǎo)通角。保證電路出現(xiàn)過(guò)載或短路故障時(shí)，不至于 傷害到晶閘管和負(fù)載。在電路中還加了防雷擊的保護(hù)電路。 然后將經(jīng)變壓和保護(hù) 后的信號(hào)輸入整流電路中。整流電路中的晶閘管在觸發(fā)信號(hào)的作用下動(dòng)作，以發(fā) 揮整流電路的整流作用。 加續(xù)流二極管是為了防止整流失控。在電路中 ,過(guò)電保護(hù)部分我們分別選擇的快速熔斷器做過(guò)流保護(hù) ,而過(guò)壓保護(hù) 則采用 RC 電路。這部分的選擇主要考慮到電路的簡(jiǎn)單性，所以才這樣的保護(hù)電 路部分。整流部分電路則是根據(jù)題目的要求， 選擇的我們學(xué)過(guò)的單相半控橋式整 流