電力電子課程設(shè)計(jì)——單相全波晶閘管整流電路設(shè)計(jì)

1、電力電子課程設(shè)計(jì)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書 單相全波晶閘管整流電路設(shè)計(jì) 系 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 曹靜 指導(dǎo)教師： 肖文英 職稱 講師 專 業(yè)： 電氣自動(dòng)化技術(shù) 班 級(jí)： 電氣1003班 完成時(shí)間： 2012年5月31日 摘 要為培養(yǎng)運(yùn)用基本知識(shí)進(jìn)行簡單電路設(shè)計(jì)的能力，扎實(shí)基礎(chǔ)理論，我們現(xiàn)在初次進(jìn)行電力電子課程設(shè)計(jì)。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。但是晶雜管相控整流電路中隨著觸發(fā)

2、角的增大，電流中諧波分量相應(yīng)增大，因此功率因素很低。把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就構(gòu)成了PWM整流電路。通過對(duì)PWM整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因素近似為1。這種整流電路稱為高功率因素整流器，它具有廣泛的應(yīng)用前景。電力電子器件是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。正是大功率晶閘管的發(fā)明，使得半導(dǎo)體變流技術(shù)從電子學(xué)中分離出來，發(fā)展成為電力電子技術(shù)這一專門的學(xué)科。而二十世紀(jì)九十年代各種全控型大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)明，進(jìn)一步拓展了電力電子技術(shù)應(yīng)用和覆蓋的領(lǐng)域和范圍。電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，包括鋼鐵、冶金、化工、電力、石油、

3、汽車、運(yùn)輸以及人們的日常生活。功率范圍大到幾千兆瓦的高壓直流輸電，小到一瓦的手機(jī)充電器，電力電子技術(shù)隨處可見。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體、電力變換、整流電路ABSTRACTTo cultivate the use of basic knowledge of the ability of a simple circuit design, solid basic theory, we are now the first time the power electronics curriculum design.With the increasing development of science and tech

4、nology, the circuit is also getting higher and higher, due to the need to size adjustable DC power supply in the actual production, and phase-controlled rectifier circuit structure is simple, easy to control, stable performance, easy to use it to get large and medium-sized, small-capacity DC, is cur

5、rently the DC method has been widely applied. However, the grain hybrid tube of increases with the firing angle of the phase-controlled rectifier circuits, harmonic component corresponding increase in the current, power factor is very low. SPWM control inverter circuit for the rectifier circuit, con

6、stitutes a PWM rectifier. Proper control of the PWM rectifier, so that the input current is very close to sine wave, and phase with the input voltage, power factor is approximately 1. This rectifier circuit is called a high power factor rectifier, which has broad application prospects.Power electron

7、ic devices is the basis for the development of power electronics technology. It is the invention of the power thyristor, semiconductor converter separated from the electronics, the development of the specialized disciplines of power electronics technology. Full-controlled power semiconductor devices

8、 invented in the 1990s, to further expand the areas and scope of the power electronics technology and coverage. The field of power electronics technology has gone deep into the sectors of national economies, including iron and steel, metallurgy, chemical industry, electric power, petroleum, automoti

9、ve, transportation and people's daily life. The power range to thousands of megawatts of HVDC, as small as one-watt cell phone charger, power electronics technology can be seen everywhere.Key words semiconductor；power conversion； rectifier circuit目 錄1、設(shè)計(jì)任務(wù)書 62、 單相晶閘管整流電路供電方案的選擇 72.1單相橋式全控整流電路 72

10、.2單相雙半波可控整流電路 73、單相晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì) 83.1主電路原理圖 83.2變壓器參數(shù)的計(jì)算 94、 電路元件的選擇104.1整流元件的選擇105、保護(hù)元件的選擇115.1變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇115.2保護(hù)電路原理圖及工作原理115.3晶閘管保護(hù)電路的選擇116、單相整流電路的相控觸發(fā)器電路136.1相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理136.2相控觸發(fā)芯片的選擇137、單相整流電路設(shè)計(jì)總設(shè)計(jì)結(jié)果157.1 晶閘管工作原理 157.2總電路的原理框圖17總結(jié)19參考文獻(xiàn)20致謝21附錄221、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1設(shè)計(jì)課題目 單相全波晶閘管整流電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）1.

11、2設(shè)計(jì)要求 1、單相全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380V10% f=50Hz； (2) 直流輸出電壓：0220V/50220V范圍內(nèi)；(3) 直流輸出電流額定值100A，直流輸出電流連續(xù)的最小值為10A；(4) 輸出功率：500W； 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明，要說明其有哪些特點(diǎn)。主電路具體電路元器件的選擇應(yīng)有計(jì)算和說明。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)過剖析、提煉，設(shè)計(jì)出所要求

12、的電路（或裝置）。 課程設(shè)計(jì)中要不斷提出問題，并給出這些問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)。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。2、單相雙半波晶閘管整流電路供電方案的選擇2.1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

13、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題，變壓器的利用率也高。并且單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。2.2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u2正半周T1工作，變壓器二次繞組上半部分流過電流。u2負(fù)半周，VT2工作，變壓器二次繞組下半部分流過反方向的電流。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

14、存在直流磁化的問題。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端或者從交流輸入端看均是一致的。適用于輸出低壓的場合作電流脈沖大（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/ 50Hz3、單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì)3.1 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： (2)流過負(fù)載的平均電流為： (3)

15、二極管所承受的最大反向電壓為： (4)單相全波整流電路的脈動(dòng)系數(shù)s與單相橋式整流電路相同： 在單相全波整流電路的變壓器中，只有交流電流流過;而在半波和橋式整流電路中，均有直流分量流過。單相全波整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和橋式整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源中。 3.2變壓器各參數(shù)的計(jì)算電源電壓交流100/ 50Hz ，輸出功率：500W ，移相范圍：0° -180°。設(shè)R=1.25 , =0° U d =25V p=Ud/R 變壓器一 、二次側(cè)電流的計(jì)算P=Id²R Id=20A U1/Ud=100/25 N1/N2=4/1 I1=Id/4=5 A 變

16、壓器容量的計(jì)算S=U1i1=100×5=0.5kVA 變壓器型號(hào)的選擇 N1:N2=4：1 ; S=0.5kVA4、 電路元件的選擇4.1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)算晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UNVT （1） 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(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URRM 反向重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(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UDRM和URRM中較小的，再取

17、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 UNVT （23）2U2 （3-1） UNVT ：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓 UNVT =(2-3)2U2=（141.4-212.1）V通過晶閘管的電流的平均值IvT(AV) 額定電流INVT Ivt(AV)=Id/2=10AIm=IVt(AV)=31.4A（2）整流元件型號(hào)的選擇晶閘管的選擇原則：1.所選晶閘管電流有效值IVT大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。2.選擇時(shí)考慮（1.52）倍的安全裕量。即/1.57=（

18、19.1-25.5）A INVT =20A 則晶閘管的額定電流為INVT=20A.在本次設(shè)計(jì)中選用2個(gè)KP20-2的晶閘管.5、 保護(hù)元件的選擇5.1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。快熔一般與電力半導(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）快熔的值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許值、4）為保證熔體在正常過載情況下不熔化，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

19、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。5.2晶閘管保護(hù)電路的選擇1)過電流保護(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)載過載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生逆變失??；以及交流電源電壓過高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。2)過電壓保護(hù)設(shè)備在運(yùn)行過程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。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^電壓保護(hù)。5.3保護(hù)電路原理圖及工作原理圖4.0

20、 過流、過電壓保護(hù)電路6、 單相雙半波整流電路的相控觸發(fā)器電路6.1相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(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，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，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、

21、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如圖5.0所示。6.2相控觸發(fā)芯片的選擇 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)。（3）芯片引腳功能功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調(diào)制輸出+Vcc引線腳號(hào)1 23 45 678910111213

22、1415167、 單相雙半波整流電路設(shè)計(jì) 總設(shè)計(jì)結(jié)果7.1 晶閘管工作原理晶閘管由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個(gè)結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2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T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）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)分別為和的和晶體管，其中結(jié)為共用集電結(jié)。當(dāng)器件加正向電壓時(shí)。正偏結(jié)注入空穴經(jīng)過區(qū)的輸運(yùn)，到達(dá)集電極結(jié)（）

23、空穴電流為；而正偏的結(jié)注入電子，經(jīng)過區(qū)的輸運(yùn)到達(dá)結(jié)的電流為。由于結(jié)處于反向，通過結(jié)的電流還包括自身的反向飽和電流。晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷兩個(gè)狀態(tài)是由陽極電壓、陽極電流和門極電流共同決定的。通常用伏安特性曲線來描述它們之間的關(guān)系，如圖6.3所示。圖6.1 晶閘管的伏安特性曲線當(dāng)晶閘管加正向電壓時(shí)，和正偏，反偏，外加電壓幾乎全部降落在結(jié)上，結(jié)起到阻斷電流的作用。隨著的增大，只要，通過陽極電流都很小，因而稱此區(qū)域?yàn)檎蜃钄酄顟B(tài)。當(dāng)增大超過以后，陽極電流突然增大，特性曲線過負(fù)阻過程瞬間變到低電壓、大電流狀態(tài)。晶閘管流過由負(fù)載決定的通態(tài)電流，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)。通常將及其

24、所對(duì)應(yīng)的稱之為正向轉(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)（）時(shí)，如果使得門極相對(duì)于陰極為正，給門極通以電流，那么晶閘管將在較低的電壓下轉(zhuǎn)折導(dǎo)通。轉(zhuǎn)折電壓以及轉(zhuǎn)電流都是的函數(shù)，越大，越小。如圖3所示，晶閘管一旦導(dǎo)通后，即使去除門極信號(hào)，器件仍然然導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管的陽極相對(duì)于陰極為負(fù)，只要，很小，且與基本無關(guān)。但反向電壓很大時(shí)（），通過晶閘管的反向漏電流急劇增大，表現(xiàn)出晶閘管擊穿，因此稱為反向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。7.2總電路的原理框圖 系統(tǒng)原理方框圖如圖所示

25、：1.總電路原理圖2.總電路工作原理該電路主要由四部分構(gòu)成，分別為電源，過電保護(hù)電路，整流電路和觸發(fā)電路構(gòu)成。輸入的信號(hào)經(jīng)變壓器變壓后通過過電保護(hù)電路，保證電路出現(xiàn)過載或短路故障時(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,過電保護(hù)部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護(hù),而過壓保護(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關(guān)

26、特性實(shí)現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ?。觸發(fā)電路是由設(shè)計(jì)題目而定的，題目要求了用單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路。單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路的移相范圍變化較大，而且由于是直接觸發(fā)電路它的結(jié)構(gòu)比較簡單。一方面是方便我們對(duì)設(shè)計(jì)電路中變壓器型號(hào)的選擇。3.繪制輸出波形(即Ud ,id 波形) 4繪制觸發(fā)信號(hào)波形總 結(jié)通過單相全控橋式整流電路的設(shè)計(jì)，使我加深了對(duì)整流電路的理解，讓我對(duì)電力電子該課程產(chǎn)生了濃烈的興趣。在做電力電子課程設(shè)計(jì)的過程中我們更能認(rèn)真和全面的對(duì)所學(xué)知識(shí)有一個(gè)全面和系統(tǒng)更深刻的了解和掌握。在這個(gè)過程中我們認(rèn)真的查閱了大量的資料和工具書增長了我們的知識(shí)，開闊了我們的視野，是一種讓學(xué)生更加接近社會(huì)和生活的有效方法。在這次設(shè)計(jì)中，由于我們知識(shí)的欠缺，設(shè)計(jì)的并不詳細(xì)，知識(shí)的銜接也不理想，錯(cuò)誤應(yīng)該是有的，但我們已經(jīng)努力了，設(shè)計(jì)中錯(cuò)誤的地方希望老師能諒解，加以指點(diǎn)。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)體電力開關(guān)器件組成各種