單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計11932

1、電力電子學(xué)課程設(shè)計說明書北京交通大學(xué)海濱學(xué)院電力電子學(xué)課程設(shè)計說明書單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計（阻感負(fù)載）學(xué)生姓名 劉楷鵬 .學(xué)號 09142087 .專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級 0902 指導(dǎo)教師 楊國慶 .完成時間 2012-5-10 .摘要 隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人們對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)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

2、術(shù)用于整流電路，就構(gòu)成了PWM整流電路。通過對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。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)好這門課就必須做好實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計，因而我們進(jìn)行了此次課程設(shè)計。又因?yàn)檎麟娐窇?yīng)用非常廣泛，而三相晶閘管半控整流電路又有利于夯實(shí)基礎(chǔ)，故我們單結(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

3、的課程設(shè)計的課題。關(guān)鍵詞：電力電子 相控流 PWM 整流 課程設(shè)計目錄1. 摘要22. 設(shè)計目的與要求4.3. 電器元件選擇54. 輔助電路的設(shè)計64.1 驅(qū)動電路的設(shè)計4.2 保護(hù)電路的設(shè)計 4.4 電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù)5. 主體電路的設(shè)計135.1單相半控式晶閘管整流電路圖5.2主電路設(shè)計與原理分析6. 設(shè)計總結(jié)157. 參考文獻(xiàn)168.附錄 16 參數(shù)計算二設(shè)計目的與要求2.1設(shè)計目的 “電力電子技術(shù)”課程設(shè)計時在教學(xué)及實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對課程所學(xué)理論知識的深化高。因此，要求學(xué)生能綜合應(yīng)用所學(xué)知識，設(shè)計出符合條件的電路，能夠全面地鞏固和應(yīng)用本課程所學(xué)基本理論和基本方法，并初步掌握

4、電路設(shè)計的基本方法。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考，獨(dú)立收集資料，獨(dú)立設(shè)計的能力。2.2 變壓器二次側(cè)電壓的計算 根據(jù)設(shè)計要求：電源電壓：交流100V/50Hz；輸出功率：500W；移相范圍：0-180。設(shè)R=5，=30o 由 得 U0=50V i0= U0/R=50/5=10A,2.3 變壓器一，二側(cè)電流的計算變壓器二次側(cè)電流:i2= i0=10A由得:變壓器二次側(cè)電壓：U2=62V由得：i1=6.2A2.4 變壓器容量的計算 變壓器容量:S=U1*i1=100*6.2=620VA2.5 變壓器型號的選擇 選擇匝數(shù)比N1/N2=50/31，容量S=620VA的變壓器。三 . 電路元件的選擇3.1晶閘管的選

5、擇由于單相交流調(diào)壓主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。3.1.1晶閘管電壓、電流最大值的計算1).晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UNVT通常取UDRM和URRM中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 UNVT （23）U2 UNVT ：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓 UNVT=(23)U2=263V額定電流INVT通過晶閘管的電流的平均值IdvT Idvt=i2/2=5AIm=IdVt=15.7A3.1.2晶閘管型號的選擇晶閘管的選擇原則：所選晶閘

6、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。、 選擇時考慮（1.52）倍的安全余量。即/1.57 INVT =10A 則晶閘管的額定電流為INVT=10A(輸出電流的有效值為最小值，所以該額定電流也為最小考慮到2倍裕量,取20A.即晶閘管的額定電流至應(yīng)大于20A.在本次設(shè)計中選用2個KP20-4的晶閘管.四 . 驅(qū)動電路的設(shè)計4.1驅(qū)動電路的設(shè)計4.1.1觸發(fā)電路的論證與選擇4.1.1.1單結(jié)晶體管的工作原理單結(jié)晶體管原理單結(jié)晶體管（簡稱UJT）又稱基極二極管，它是一種只有PN結(jié)和兩個電阻接觸電極的半導(dǎo)體器件，它的基片為條狀的高阻N型硅片，兩端分別用歐姆接觸引出兩個基極b1和

7、b2。在硅片中間略偏b2一側(cè)用合金法制作一個P區(qū)作為發(fā)射極e。其結(jié)構(gòu)，符號和等效電如下圖所示。結(jié)晶體管的特性從圖一可以看出，兩基極b1和b2之間的電阻稱為基極電阻。Rbb=rb1+rb2式中：Rb1第一基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值隨發(fā)射極電流ie而變化，rb2為第二基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值與ie無關(guān)；發(fā)射結(jié)是PN結(jié)，與二極管等效。若在兩面三刀基極b2，b1間加上正電壓Vbb，則A點(diǎn)電壓為：VA=rb1/（rb1+rb2）vbb=（rb1/rbb）vbb=Vbb式中：稱為分壓比，其值一般在0.30.85之間，如果發(fā)射極電壓VE由零逐漸增加，就可測得單結(jié)晶體管的伏安特性，見圖二：（1）當(dāng)V

8、eVbb時，發(fā)射結(jié)處于反向偏置，管子截止，發(fā)射極只有很小的漏電流Iceo。（2）當(dāng)VeVbb+VD VD為二極管正向壓降（約為0.7V），PN結(jié)正向?qū)ǎ琁e顯著增加，rb1阻值迅速減小，Ve相應(yīng)下降，這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負(fù)阻特性。管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的臨界P稱為峰點(diǎn)，與其對應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點(diǎn)電壓Ip和峰點(diǎn)電流Ip。Ip是正向漏電流，它是使單結(jié)晶體管導(dǎo)通所需的最小電流，顯然Vp=Vbb。（3）隨著發(fā)射極電流Ie的不斷上升，Ve不斷下降，降到V點(diǎn)后，Ve不再下降了，這點(diǎn)V稱為谷點(diǎn)，與其對應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點(diǎn)電壓Vv和谷點(diǎn)電流Iv。（4）過了V后，發(fā)射

9、極與第一基極間半導(dǎo)體內(nèi)的載流子達(dá)到了飽和狀態(tài)，所以uc繼續(xù)增加時，ie便緩慢的上升，顯然Vv是維持單結(jié)晶體管導(dǎo)通的最小發(fā)射極電壓，如果VeVv，管子重新截止。單結(jié)晶體管的主要參數(shù)（1）基極間電阻Rbb發(fā)射極開路時，基極b1，b2之間的電阻，一般為2-10千歐，其數(shù)值隨溫度的上升而增大。（2）分壓比由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的參數(shù)，一般為0.3-0.85。（3）eb1間反向電壓Vcb1 b2開路，在額定反向電壓Vcb2下，基極b1與發(fā)射極e之間的反向耐壓。（4）反向電流Ieo b1開路，在額定反向電壓Vcb2下，eb2間的反向電流。（5）發(fā)射極飽和壓降Veo在最大發(fā)射極額定電流時，eb1間的壓降。（6）

10、峰點(diǎn)電流Ip單結(jié)晶體管剛開始導(dǎo)通時，發(fā)射極電壓為峰點(diǎn)電壓時的發(fā)射極電流。4.1.2觸發(fā)電路晶閘管觸發(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)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求： 1）觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。2）觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。3）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。4）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。4.1.2.1 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

11、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。4.1.2.2 單結(jié)晶體管自激震蕩電路利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性與RC電路的充放電可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可變的脈沖。經(jīng)D1-D2整流后的直流電源UZ一路徑R2、R1加在單結(jié)晶體管兩個基極b1、b2之間，另一路通過Re對電容C充電，發(fā)射極電壓ue=uc按指數(shù)規(guī)律上升。Uc剛沖點(diǎn)到大于峰點(diǎn)轉(zhuǎn)折電壓Up的瞬間，管子e-b1間的電阻突然變小，開始導(dǎo)通。電容C開始通過管子e-b1迅速向R1放電，由于放電回路電阻很小，故放電時間很短。隨著電容C放電，電壓Ue小于一定值，管子BT又由導(dǎo)通轉(zhuǎn)入截止，然后電源又重新對電容C充電，上述過程不斷重復(fù)。在

12、電容上形成鋸齒波震蕩電壓，在R1上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖脈沖us， 其震蕩頻率為f=1/T=1/ReCLn(1/1-)式中=0.30.9是單結(jié)晶體管的分壓比。即調(diào)節(jié)Re，可調(diào)節(jié)振蕩頻率圖3.1.2.2 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形4.1.3同步電源步電壓又變壓器TB獲得，而同步變壓器與主電路接至同一電源，故同步電壓于主電壓同相位、同頻率。同步電壓經(jīng)橋式整流、穩(wěn)壓管DZ削波為梯形波uDZ,而削波后的最大值UZ既是同步信號,又是觸發(fā)電路電源.當(dāng)UDZ過零時,電容C經(jīng)e-b1、R1迅速放電到零電壓.這就是說,每半周開始,電容C都從零開始充電,進(jìn)而保證每周期觸發(fā)電路送出第一個脈沖距離過零的時刻(即控制

13、角)一致,實(shí)現(xiàn)同步.4.1.4移相控制當(dāng)Re增大時，單結(jié)晶體管發(fā)射極充電到峰點(diǎn)電壓Up的時間增大，第一個脈沖出現(xiàn)的時刻推遲，即控制角增大，實(shí)現(xiàn)了移相。4.1.5脈沖輸出 觸發(fā)脈沖ug由1直接取出，這種方法簡單、經(jīng)濟(jì)，但觸發(fā)電路與主電路有直接的電聯(lián)系，不安全。對于晶閘管串聯(lián)接法的全控橋電路無法工作。所以一般采用脈沖變壓器輸出。4.2保護(hù)電路的設(shè)計4.2.1 保護(hù)電路的論證與選擇電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時可能會發(fā)生過流、過壓，造成開關(guān)器件的永久性損壞。過流、過壓保護(hù)包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開關(guān)器件，防止過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出及負(fù)

14、載的電流、電壓，實(shí)時保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護(hù)電路，檢測設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。4.2.2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、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)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變失敗；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，必須對電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。采用快速熔斷

15、器作過電流保護(hù)。熔斷器是最簡單的過電流保護(hù)元件，但最普通的熔斷器由于熔斷特性不合適，很可能在晶閘管燒壞后熔斷器還沒有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過電流可及時熔斷起到保護(hù)作用。最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過快熔電流和晶閘管的電流相同，所以對元件的保護(hù)作用最好，這里就應(yīng)用這一方法快熔抑制過電流電路圖如下圖所示：A型熔斷器特點(diǎn)：是熔斷器與每一個元件串連，能可靠的保護(hù)每一個元件。B型熔斷器特點(diǎn)：能在交流、直流和元件短路時起保護(hù)作用，其可靠性稍有降低C型熔斷器特點(diǎn)：直流負(fù)載側(cè)有故障時動作，元件內(nèi)部短路時不能起保護(hù)作用對于第二類過流，即整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，

16、則應(yīng)當(dāng)采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。常見的電子保護(hù)原理圖如4.2.3所示4.3 過壓保護(hù)設(shè)備在運(yùn)行過程中，會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，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)。過電壓保護(hù)的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。 阻容三角抑制過電壓 壓敏電阻過壓 過電壓保護(hù)的第二種方法是采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。過電壓保護(hù)電路4.4 電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù)1）電流上升率di/dt的抑制晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以0.1mm/s的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個陰極面，若晶閘管開通

17、時電流上升率di/dt過大，會導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如下圖3.4所示:串聯(lián)電感抑制回路2）電壓上升率dv/dt的抑制加在晶閘管上的正向電壓上升率dv/dt也應(yīng)有所限制,如果dv/dt過大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實(shí)際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時引起晶閘管誤導(dǎo)通。為抑制dv/dt的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。如圖4.5所示：圖4.5并聯(lián)R-C阻容吸收回。五主體電路的設(shè)計5.1單相半控式晶閘管整流電路圖 單相半控式晶閘管整流電路圖如圖所示，其兩

18、臂的二極管被晶閘管取代，在電壓器副邊電壓u的正半周期時，T1和D2承受正向電壓。這是如對晶閘管T1引發(fā)觸發(fā)信號，則T1和D2導(dǎo)通，T2和D1承受反向電壓而截止。同樣在電壓u的負(fù)半周期時，T2和D1承受正向電壓。這是晶閘管T2引入觸發(fā)信號，則T2和D1導(dǎo)通。這是T1 D2處于截止?fàn)顟B(tài)，電壓與波形如圖所示 單相半控式晶閘管整流電路雖本身有自然續(xù)流能力，但在實(shí)際中突然把觸發(fā)角增大，或突然切斷觸發(fā)電路時會發(fā)生正在導(dǎo)通的晶閘管一直導(dǎo)通，兩個二極管輪流導(dǎo)通的現(xiàn)象。此時出發(fā)信號對輸出電壓失去控制作用，稱為失控，這在使用中是不允許的，為消掉失控現(xiàn)象，需另接續(xù)流二極管VD。5.2 主電路設(shè)計與原理分析 5.2.

19、2原理圖分析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，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)后的信號輸入整流電路中。整流電路中的晶閘管在觸發(fā)信號的作用下動作，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，選擇的我們學(xué)過的單相橋式整流電路。該電路的結(jié)構(gòu)和工作原理是利用晶閘管的開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷?/p>

20、的功能。觸發(fā)電路是由設(shè)計題目而定的，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設(shè)計電路中變壓器型號的選擇。六設(shè)計總結(jié) 通過單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計，使我加深了對整流電路的理解，讓我對電力電子該課程產(chǎn)生了濃烈的興趣。學(xué)習(xí)了很多書本上沒有的知識，也對課本知識進(jìn)行了強(qiáng)化和更深的理解，更讓我感受到學(xué)習(xí)不知識一味的書本理性知識還要通過實(shí)踐才能記憶更扎實(shí)更牢靠。對于一個電路的設(shè)計，首先應(yīng)該對它的理論知識很了解，這樣才能設(shè)計出性能好的電路。整流電路中，開關(guān)器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關(guān)鍵的，開關(guān)器件和觸發(fā)

21、電路選擇的好，對整流電路的性能指標(biāo)影響很大。在這次課程設(shè)計過程中，碰到的難題就是保護(hù)電路的設(shè)計。因?yàn)楸Ｗo(hù)電路的種類較多，因此要選擇一個適合本課題的保護(hù)電路就比較難。同時在課程設(shè)計在制作過程中得到老師與同學(xué)們對我的耐心指導(dǎo)、幫助與大力支持這樣我才能將課程設(shè)計順利地做完。有這樣一個動手的機(jī)會，讓我得到實(shí)踐的機(jī)會?？傊ㄟ^這次課程設(shè)計，讓我們對這門課更加了解，增強(qiáng)了自信，對以后工作和學(xué)習(xí)都有很大幫助。七參考文獻(xiàn)1、樊立萍，王忠慶.電力電子技術(shù).北京:北京大學(xué)出版社,20062、徐以榮，冷增祥.電力電子技術(shù)基礎(chǔ).南京：東南大學(xué)出版社，19993、王兆安,黃俊.電力電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,200

22、54、童詩白.模擬電子技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社, 20015、閻石.數(shù)字電子技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社, 19986、邱關(guān)源.電路.北京：高等教育出版社，19997、龔素文.電力電子技術(shù).北京：北京理工大學(xué)出版社，2009八.附錄 參數(shù)計算8.1 單相半控橋式晶閘管可控整流電路（阻感負(fù)載）（無續(xù)流二極管） 1）電源電壓：交流100V/50Hz；2）輸出功率：500W；3）移相范圍：0180。輸出電壓平均值：U=0.9U2輸出電流平均值：= Ud/R流過晶閘管電流有效值I= /波形系數(shù)：K= I/=/2交流側(cè)相電流的有效值:I=I令0時，U2=100V，P出=500W。Ud=0.9U2(1+)/2=90V，P出=Ud2/R,得