單相雙半波晶閘管整流電路設(shè)計(jì)(精)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 單片機(jī)技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)交通燈系 、 部: 電氣與信息工程系 學(xué)生姓名: 李白龍 指導(dǎo)教師:電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)課題目單相雙半波晶閘管整流電路設(shè)計(jì)(純電阻負(fù)載二、設(shè)計(jì)要求1、單相雙半波晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)要求為: 負(fù)載為阻性負(fù)載.2、技術(shù)要求 :(1 電網(wǎng)供電電壓:交流 100V/50Hz;(2 輸出功率:500W ;(3 移相范圍:0° 180°在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)靈活運(yùn)用所學(xué)的電力電子技術(shù)知識(shí)和創(chuàng)造性的思 維方式以及創(chuàng)造能力 要求具體電路方案的選擇必須有論證說(shuō)明,要說(shuō)明其有哪 些特點(diǎn)。 主電路具體電路元器件的選擇應(yīng)有計(jì)算和說(shuō)明

2、。 課程設(shè)計(jì)從確定方案到 整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),必須在檢索、閱讀 及分析研究大量的相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,經(jīng) 過(guò)剖析、提煉,設(shè)計(jì)出所要求的電路(或裝置 。 課程設(shè)計(jì)中要不斷提出問(wèn)題, 并給出這些問(wèn)題的解決方法和自己的研究體會(huì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)獨(dú)立分析和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。 要求學(xué)生在教 師的指導(dǎo)下,獨(dú)力完成所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主電路、控制電路等詳細(xì)的設(shè)計(jì)(包括計(jì) 算和器件選型 。課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是供電方案的選定, 主電路的設(shè)計(jì), 電路元件的選擇, 保護(hù)電路的選擇,主電路的分析說(shuō)明,主電路元器件的計(jì)算和選型,以及控制 電路設(shè)計(jì)。 報(bào)告最后給出所設(shè)計(jì)的主電路和控制電路標(biāo)準(zhǔn)電路圖。前 述電力電子學(xué) , 又稱功率

3、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、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

4、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)電能和變換和控制, 而構(gòu)成的一 門(mén)完整的學(xué)科。 故

5、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)。 又因?yàn)檎麟娐窇?yīng)用非常廣泛, 而單相全控橋式晶閘管整流電路又有利于夯實(shí)基礎(chǔ), 故我們將單 結(jié)晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全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。一、 單相雙半波晶閘管整流電路供電方案的選擇 單相橋式全控整流電路此電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制,無(wú)須用續(xù)流二極管,也不會(huì)失控現(xiàn)象,負(fù)載形式多 樣,整流效果好,波形平穩(wěn),應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中,正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反 且波形對(duì)稱,平均值為零,即直流分量為零,不存在變壓器直流磁化問(wèn)題,變壓器的利用 率也高。并且單

6、相橋式全控整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小,功率因素高的特點(diǎn)。但是,電 路中需要四只晶閘管,且觸發(fā)電路要分時(shí)觸發(fā)一對(duì)晶閘管,電路復(fù)雜,兩兩晶閘管導(dǎo)通的 時(shí)間差用分立元件電路難以控制。單相雙半波可控整流電路單相雙半波可控整流電路又稱單相全波可控整流電路。此電路變壓器是帶中心抽頭的, 在 u 2正半周 T1工作,變壓器二次繞組上半部分流過(guò)電流。 u 2負(fù)半周, VT2工作,變壓器 二次繞組下半部分流過(guò)反方向的電流。 單相全波可控整流電路的 U d波形與單相全控橋的一 樣, 交流輸入端電流波形一樣, 變壓器也不存在直流磁化的問(wèn)題。當(dāng)接其他負(fù)載時(shí), 也有相 同的結(jié)論。 因此, 單相全波與單相全控橋從直流輸入

7、端或者從交流輸入端看均是一致的。 適 用于輸出低壓的場(chǎng)合作電流脈沖大 (電阻性負(fù)載時(shí) 。 在比較兩者的電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以后 決定選用單相全波可控整流電路作為主電路。具體供電方案電源電壓:交流 100V/ 50Hz單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì)1. 主電路原理圖單相全波整流電路如圖 (a所示,波形圖如圖 (b所示。 圖 (a 單相全波整流電路圖(b 單相全波整流電路及波形圖 根據(jù)圖中 (b可知,單相全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出電壓相同。(1 輸出平均電壓為: 0U L U =12U 2sin td(t=22U 2=0.9 U2 2. 變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算電源電壓交流 100/

8、 50Hz , 輸出功率:500W , 移相范圍:0° -180°。 設(shè) R=1.25 , =0°U d =25V 3.變壓器一 、二次側(cè)電流的計(jì)算 P=Id²R Id=20AU1/Ud=100/25 N1/N2=4/1 I 1=Id /4=5 A 4.變壓器容量的計(jì)算S=U1i 1=100×5=0.5kVA5.變壓器型號(hào)的選擇 N1:N2=4:1 ; S=0.5kVA三、 電路元件的選擇整流元件的選擇由于單相雙半波整流帶阻性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管,所以選取元件 時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。(1整流元件中電壓、電流最大值的計(jì)算1.

9、晶閘管的主要參數(shù)如下:額定電壓 U NVT(1 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 U DRM斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí), 允許重復(fù)加在器件上的 峰值電壓。(2反向重復(fù)峰值電壓 U RRM反向重復(fù)峰值電壓是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí), 允許重復(fù)加在器件上的 反向峰值電壓。通常取 U DRM 和 U RRM 中較小的,再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額定 電壓。在選用管子時(shí),額定電壓要留有一定裕量,應(yīng)為正常工作時(shí)晶閘管所承受 峰值電壓的 23倍,以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 RRM DRMNVTU UU , min=U NVT (23 22U 2 (3-1 U NVT :工作電路中

10、加在管子上的最大瞬時(shí)電壓U NVT =(2-322U 2=(141.4-212.1 V通過(guò)晶閘管的電流的平均值 I vT(AV額定電流 I NVTIvt(AV=Id /2=10AIm=I Vt(AV=31.4A(2整流元件型號(hào)的選擇晶閘管的選擇原則:所選晶閘管電流有效值 I VT 大于元件在電路中可能流過(guò)的最大電流有效值。 2. 選擇時(shí)考慮(1.52倍的安全裕量。即VT NVT I I 25. 1( /1.57=(19.1-25.5 AINVT =20A 則晶閘管的額定電流為 I NVT =20A. 在本次設(shè)計(jì)中選用 2個(gè) KP20-2的晶閘管 .四、 保護(hù)元件的選擇(1變壓器二次側(cè)熔斷器的選

11、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 t I 2值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許 t I 2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 20A, 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 30A 。(2晶閘管保護(hù)電路的選擇1 過(guò)電流保護(hù)當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件

12、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)生逆變失敗; 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)。 2 過(guò)電壓保護(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)。(3保護(hù)電路原理圖及工作原理圖 4.0 過(guò)流、 過(guò)電壓保護(hù)電路五、 單相雙半波整流電路的相控觸發(fā)器電路 (1相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理 晶閘

13、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 5.0所示。(2相控觸發(fā)芯片

14、的選擇相控觸發(fā)電路芯片選擇 KJ004集成觸發(fā)電路芯片構(gòu)成的集成觸發(fā)器 KJ004可控硅移相電路 可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中 , 作 可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。器件輸出兩路相差 180度的移相脈沖 , 可以方便地 構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。 電路具有輸出負(fù)載能力大、 移相性能好、 正負(fù)半周脈 沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低 , 有脈沖列調(diào)制輸出端等功能 與特點(diǎn)。 六、 單相雙半波整流電路設(shè)計(jì) 總設(shè)計(jì)結(jié)果(1 晶閘管工作原理晶閘管由四層半導(dǎo)體 (P 1、 N 1、 P 2、 N 2 組成, 形成三個(gè)結(jié) J 1(P 1N 1 、 J 2(N 1P 2 、 J

15、3(P 2N 2 ,并分別從 P 1、 P 2、 N 2引入 A 、 G 、 K 三個(gè)電極,如圖 6.0(左 所示。由 于具有擴(kuò)散工藝,具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可以等效成如圖 6.0(右所 示的兩個(gè)晶閘管 T 1(P 1-N 1-P 2和(N 1-P 2-N 2組成的等效電路。 圖 6.0 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路一個(gè) PNPN 四層結(jié)構(gòu)的兩端器件,可以看成電流放大系數(shù)分別為 1和 2的211P N P 和 221N P N 晶體管,其中 2J 結(jié)為共用集電結(jié)。當(dāng)器件加正向電壓時(shí)。正偏 1J 結(jié)注入空穴經(jīng)過(guò) 1N 區(qū)的輸運(yùn),到達(dá)集電極結(jié)(2J 空穴電流為 A I 1;而正偏的 3J 結(jié)注

16、入電子,經(jīng)過(guò) 2P 區(qū)的輸運(yùn)到達(dá) 2J 結(jié)的電流為 K I 2。由于 2J 結(jié)處于反 向,通過(guò) 2J 結(jié)的電流還包括自身的反向飽和電流 CO I 。晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷兩個(gè)狀態(tài)是由陽(yáng)極電壓、陽(yáng)極電流和門(mén)極電流共同決定 的。通常用伏安特性曲線來(lái)描述它們之間的關(guān)系,如圖 6.3所示。圖 6.1 晶閘管的伏安特性曲線 當(dāng)晶閘管 V AK 加正向電壓時(shí)， J 1 和 J 3 正偏， J 2 反偏，外加電壓幾乎全部降 落在 J 2 結(jié)上， J 2 結(jié)起到阻斷電流的作用。隨著 V AK 的增大，只要 V AK < V BO ，通 過(guò)陽(yáng)極電流 I A 都很小， 因而稱此區(qū)域?yàn)檎蜃钄酄顟B(tài)。 V AK 增大

17、超過(guò) V BO 以后， 當(dāng) 陽(yáng)極電流突然增大，特性曲線過(guò)負(fù)阻過(guò)程瞬間變到低電壓、大電流狀態(tài)。晶閘管 流過(guò)由負(fù)載決定的通態(tài)電流 I T ，器件壓降為 1V 左右，特性曲線 CD 段對(duì)應(yīng)的狀 態(tài)稱為導(dǎo)通狀態(tài)。通常將 V BO 及其所對(duì)應(yīng)的 I BO 稱之為正向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。 晶閘管導(dǎo)通后能自身維持同態(tài)， 從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)，通常是不用門(mén)極信號(hào)而是由 外部電路控制，即只有當(dāng)電流小到稱為維持電流 I H 的某一臨界值以下，器件才 能被關(guān)斷。 當(dāng)晶閘管處于斷態(tài)（ V AK < V BO ）時(shí)，如果使得門(mén)極相對(duì)于陰極為正，給門(mén) 極通以電流 I G ，那么晶閘管將在較低的電壓下轉(zhuǎn)折導(dǎo)通。轉(zhuǎn)折電壓

18、V BO 以及轉(zhuǎn) 電流 I BO 都是 I G 的函數(shù)， I G 越大， V BO 越小。如圖 3 所示，晶閘管一旦導(dǎo)通后， 即使去除門(mén)極信號(hào)，器件仍然然導(dǎo)通。 當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極相對(duì)于陰極為負(fù)，只要 V AK < V RO ， I A 很小，且與 I G 基本無(wú) 關(guān)。但反向電壓很大時(shí)（ V AK » V RO ） ，通過(guò)晶閘管的反向漏電流急劇增大，表現(xiàn) 出晶閘管擊穿，因此稱 V RO 為反向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。 （2）總電路的原理框圖 11 系統(tǒng)原理方框圖如圖所示： (3總電路原理圖 (4總電路工作原理 該電路主要由四部分構(gòu)成，分別為電源，過(guò)電保護(hù)電路，整流電路和觸發(fā)電 12 路構(gòu)成。 輸入的信號(hào)經(jīng)變壓器變壓后通過(guò)過(guò)電保護(hù)電路，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。 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， 我們選擇學(xué)過(guò)的單相全波整流電路。 該電路的結(jié)構(gòu)和工作原理是利用晶閘管的開(kāi)關(guān)特性實(shí)現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ堋?觸發(fā)電路