成稿單相半控橋式晶閘管整流電路課程設(shè)計(jì)

-.z.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)院專業(yè)年級(jí)：電氣工程自動(dòng)化姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：起止日期：1.設(shè)計(jì)任務(wù)書一、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)目的通過電力電子變流技術(shù)的課程設(shè)計(jì)到達(dá)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Internet檢索需要的文獻(xiàn)資料。2培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。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)告撰寫水平。三、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù):1、電源電壓：交流100V/50Hz2、輸出功率：500W3、移相范圍30o~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，要求圖表標(biāo)準(zhǔn)，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)的根本要求〔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)裝置要到達(dá)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、總體方案確實(shí)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〔電路圖，仿真結(jié)果圖等〕5、參考文獻(xiàn)前言電力電子學(xué),又稱功率電子學(xué)(PowerElectronics)。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)的日益開展,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,而相控整流電路構(gòu)造簡(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)供應(yīng)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，整流是最根底的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷逊较蚝痛笮〗蛔兊碾娏髯儞Q為直流電。整流的根底是整流電路。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課程設(shè)計(jì)，因而我們進(jìn)展了此次課程設(shè)計(jì)。我們知道，單相整流器的電路形式是各種各樣的，整流的構(gòu)造也是比擬多的。單相橋式半控整流電路，對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)展控制，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主電路原理圖波形圖：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：500KW，移相范圍30o~150o，反電勢(shì)：E=70V。設(shè)R=5Ω2.3變壓器一、二次側(cè)電流的計(jì)算P=Ud2/RUd=50v。P=Id2R,Id=10AU1/U2=220/100=11/5,N1/N2=11/5I2=5id/6=25/3A2.4變壓器容量的計(jì)算S=U1i1=100×25/3=833.33kv.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)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。晶閘管的構(gòu)造晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從總體構(gòu)造上看，可區(qū)分為管芯及散熱器兩大局部，分別如圖1-6及圖1-7所示。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局部，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和門極〔或稱控制極〕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嚴(yán)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c〕水冷圖晶閘管的散熱器晶閘管管芯的內(nèi)部構(gòu)造如圖1-3所示，是一個(gè)四層〔P1—N1—P2—N2〕三端〔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〔P1、P2〕，形成了兩個(gè)PN結(jié)J1、J2。再在P2層內(nèi)擴(kuò)散Ｎ型半導(dǎo)體雜質(zhì)層N2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理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證說明：1〕只有當(dāng)晶閘管同時(shí)承受正向陽(yáng)極電壓和正向門極電壓時(shí)晶閘管才能導(dǎo)通，兩者不可缺一。2〕晶閘管一旦導(dǎo)通后門極將失去控制作用，門極電壓對(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通特性及負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。這個(gè)脈沖常稱之為觸發(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*一數(shù)值之下〔約幾十毫安〕。這可以通過增大負(fù)載電阻，降低陽(yáng)極電壓至接近于零或施加反向陽(yáng)極電壓來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流，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)生的物理過程有關(guān)。晶閘管是一個(gè)具有P1—N1—P2—N2四層半導(dǎo)體的器件，內(nèi)部形成有三個(gè)PN結(jié)J1、J2、J3，晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，其中J1、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VT1〔P1—N1—P2〕和一個(gè)NPN型三極管VT2〔N1—P2—N2〕構(gòu)成的復(fù)合作用，如圖1-9所示。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)烈的正反應(yīng)，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)門極電流Ig，晶閘管都不能導(dǎo)通。3.13晶閘管的根本特性1．靜態(tài)特性靜態(tài)特性又稱伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關(guān)系。這里介紹陽(yáng)極伏安特性和門極伏安特性?！?〕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ia之間的關(guān)系曲線，如圖1-10所示。圖6.5晶閘管陽(yáng)極伏安特性①正向阻斷高阻區(qū)；②負(fù)阻區(qū)；③正向?qū)ǖ妥鑵^(qū)；④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Ⅲ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)?！?〕門極伏安特性晶閘管的門極與陰極間存在著一個(gè)PN結(jié)J3，門極伏安特性就是指這個(gè)PN結(jié)上正向門極電壓Ug與門極電流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極特性和一條極限低阻門極特性之間的一片區(qū)域來代表所有元件的門極伏安特性，如圖1-11陰影區(qū)域所示。圖6.6晶閘管門極伏安特性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關(guān)特性，即開通特性和關(guān)斷特性。〔1〕開通特性晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程為開通過程。圖1-12給出了晶閘管的開關(guān)特性。在晶閘管處在正向阻斷的條件下突加門極觸發(fā)電流，由于晶閘管內(nèi)部正反應(yīng)過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)間稱為延遲時(shí)間td，而陽(yáng)極電流從10%IT上升到90%IT所需的時(shí)間稱為上升時(shí)間tr，延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和為晶閘管的開通時(shí)間tgt=td+tr，普通晶閘管的延遲時(shí)間為0.5～1.5μs，上升時(shí)間為0.5～3μs。延遲時(shí)間隨門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。圖6.7晶閘管的開關(guān)特性〔2〕關(guān)斷特性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，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)過程，當(dāng)陽(yáng)極電流過零，也會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)電流，反向電流達(dá)最大值IRM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=(2~3)U2=2××100=400VI=(1.5~2)kId=2×0.75×10=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?？烊垡话闩c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4.2.1過電流保護(hù)當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部*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)展適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。過壓保護(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)展適當(dāng)?shù)倪^電壓保護(hù)。4.3保護(hù)電路原理圖及工作原理圖4.3過流保護(hù)原理圖圖4.3過電壓保護(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：=1\*GB3①觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。=2\*GB3②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〕。=3\*GB3③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掣住電流而維持導(dǎo)通。=4\*GB3④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、脈沖形成等局部組成，電路圖如下圖。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)原理方框圖如下圖：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)電路來控制導(dǎo)通角。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。加續(xù)流二極管是為了防止整流失控。在電路中,過電保護(hù)局部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。