電力電子單相橋式整流電路設(shè)計(jì)

電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。目前所用的電力電子器件均用半導(dǎo)方法,得到了廣泛應(yīng)用。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，而觸發(fā)三相晶閘管全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。掌握晶閘管的使用，用晶閘管控制單相橋式全控整流電路（阻感電路中輸入輸出、各元器件的電壓、電流波形，理解單相橋式全控整流電路阻作原理和基本計(jì)算。選擇觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)，考慮保護(hù)電路。說(shuō)明.3.完成主電路的原理分析，各住要元器件的選擇.熟悉整流和觸發(fā)電路的基本原理，能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)分析設(shè)計(jì)任務(wù)。（2）掌握基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理；描繪波形并加以判斷。（3）能正確設(shè)計(jì)電路，畫(huà)出線路圖，分析電路原理。（4）按時(shí)參加課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，定期匯報(bào)課程設(shè)計(jì)進(jìn)展情況。（5）廣泛收集相關(guān)技術(shù)資料。（6）獨(dú)立思考，刻苦鉆研，嚴(yán)禁抄襲。（7）按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)，認(rèn)真、正確地書(shū)寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。（8）培養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和認(rèn)真的工作作風(fēng)。單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單相橋式相控流電路，它們所性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn)。下面分析各種單相控整流電路在帶電阻性負(fù)載、和反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況。單相半控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒(méi)有直流磁化問(wèn)題，變壓用率高的優(yōu)點(diǎn)。單相全控式整流電路其輸出平均下流過(guò)晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半波電抗器的負(fù)載等等。單相橋式整流電路帶阻感性負(fù)載的電路而且儲(chǔ)能不能突變因此電感中的電流不能突變,即電感具有阻 點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載電感量L較?。簇?fù)載阻抗角φ),控制角α〉φ時(shí)，負(fù)載上的電流不連續(xù)；當(dāng)電這種負(fù)載稱為大電感負(fù)載。此時(shí)大電感阻止負(fù)載中電流的變化，負(fù)載電流連續(xù)條水平直線。壓而截止。輸出電壓的波形出現(xiàn)了負(fù)值部分。加反向電壓才截止。性能指標(biāo)分析：整流電路的性能常用兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)來(lái)衡量：一平均值表示；另一個(gè)是反映輸出直流電壓平滑程度的，稱為紋波系數(shù)。U2sinU2cosα=0.9U2cosα（3.5.1）紋波系數(shù)Kr用來(lái)表示直流輸出電壓中相對(duì)紋波電壓的大小，即（1）:晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通；（2）：晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管都才能導(dǎo)通；（3）：晶閘管一旦導(dǎo)通門(mén)極舊失去控制作用；（4）：要使晶閘管關(guān)斷，只能使其電流小到零一下.晶閘管分為：快速晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管，雙向晶閘管，光（GTO電力晶閘管（GTR功率場(chǎng)效應(yīng)晶閘管（MOSFET絕緣珊雙極晶閘管（IGBTMOS控制晶閘管，集成門(mén)極換向晶閘管.靜電感應(yīng)晶體管。Ⅰ額定電壓UTn在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的2～3倍，以保證電路的工作安全。UTn≥（2～3）UTMⅠ額定電流IT(AV)流。定值，但峰值電流將非常大，可能會(huì)超過(guò)管子所能提供的極限，使管子由于過(guò)熱而損壞?！躀Tn,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。IT(AV)ITn==Im/2=0.5Im（5.2）=1/2πImsin=Im/π=0.318Im（5.3）數(shù)，用Kf表示。（5.4）=1.57（5.5）晶閘管的選擇原則：因?yàn)镮T=I/則晶閘管的額定電流為IT(AV)=12.5A(輸出電流的有效值為最小值，在本次設(shè)計(jì)中我選用4個(gè)MCR100-□、若散熱條件不符合規(guī)定要求時(shí)，則元件的額定電流應(yīng)降低使用。周期內(nèi)陽(yáng)極與陰極電壓的平均值，一般在0所需要的最小通態(tài)電流。一般IH值從幾十到幾百毫安，由晶閘管電流容量大小而定。態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏?！跬☉B(tài)電流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而損壞晶閘管。約5V的負(fù)偏壓，以提高器件的抗干擾能力。和門(mén)極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直流耦合式兩種類型。直動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可以得到較陡的脈沖前沿，因強(qiáng)脈沖；V2開(kāi)通時(shí)，輸出正脈沖平頂部分；V2關(guān)斷而V在電力電子器件電路中，除了電力電子器件參數(shù)要選擇合適，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓保護(hù)，過(guò)電流保護(hù)，du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必不可少的。電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類。(1):外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因，包括：操作過(guò)電壓：由分閘，合閘等開(kāi)關(guān)操作引起的過(guò)電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過(guò)電變壓器電磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間的存在的分布電容靜電感電壓：由雷擊引起的過(guò)電壓。(2):內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，包括以下幾個(gè)部分。換相過(guò)電壓：由于晶閘管或者與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管復(fù)阻斷能力時(shí)，因而有較大的反向電流通過(guò)，使殘存的載流子恢復(fù)，力時(shí)，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會(huì)因線路電感而二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過(guò)電壓。關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，因而線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。各電壓保護(hù)措施及配置位置，各電力電子裝置可視具體情況只來(lái)用采用其中的幾種。其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過(guò)電壓的裝置，其功能屬于緩沖電路的范疇。在抑制外因?qū)τ诖笕萘康碾娏﹄娮友b置，可采用圖1－39所示的反向阻斷式RC電路。有關(guān)保護(hù)電路的參數(shù)計(jì)算可參考相關(guān)的工程手冊(cè)。采用雪崩二極管，金屬氧化物壓敏電阻，硒堆和轉(zhuǎn)極管（BOD）等非線性元器件來(lái)限制或吸收過(guò)電壓也是較為常用的手段。路兩種情況。一般電力電子均同時(shí)采用幾種過(guò)電壓保護(hù)措施，怪提高保護(hù)的可靠性和合理性。在選擇各種保護(hù)措施時(shí)應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器只作為短路時(shí)的部分區(qū)斷的保護(hù)，直流快速斷路器在電子電力動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)電流繼電器在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：半導(dǎo)體體器件串聯(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。快熔進(jìn)行保護(hù)，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕量較大的場(chǎng)合。短路指快熔只要短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護(hù)作用，此方式需與其他過(guò)電流保護(hù)措施相配合。對(duì)一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或者工作頻率較高，很難用快控型器件，需要采用電子電路進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。除了對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的沖擊電慢的過(guò)電流可以用控制系統(tǒng)本身調(diào)節(jié)器進(jìn)行對(duì)電流的限制之外，需設(shè)置專門(mén)的電子電路，檢測(cè)到過(guò)流之后直接調(diào)節(jié)觸發(fā)，驅(qū)動(dòng)電路，或者關(guān)斷被保護(hù)器件。此外，常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)，這種（1）輸出電壓平均值Ud和輸出電流平均值Id（2）晶閘管的電流平均值IdT和有效值IT（3）輸出電流有效值I和變壓器二次電流有效值I2I=I2=Id 2U 2U2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大部分，a）螺栓型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與散熱器緊密連接在一起，并靠相互接觸的一a）自冷b）風(fēng)冷cG）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型三個(gè)PN結(jié)的存在，決定了它的可控導(dǎo)通特性。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：2）晶閘管一旦導(dǎo)通后門(mén)極將失去控制作用起作用，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)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)。這之為觸發(fā)脈沖。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?！蹯o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)極系曲線，如圖1-10所示?！跽蜃钄喔咦鑵^(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□象限為正向特性區(qū)，第□象限為反向特性區(qū)。第□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)。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。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)通特性和特性。管處在正向阻斷的條件下突加門(mén)極觸發(fā)電流，由于晶閘管內(nèi)部正反饋過(guò)程及外影響，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-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。該電路為大電感負(fù)載，電流波形可看作連續(xù)且平直的。Ud=100V時(shí)，不計(jì)控制角余量按α=0o計(jì)算=111V取150VUte=（2~3）Ut當(dāng)Id=1A時(shí)，考慮2倍裕量：Id(AV)取1.28A在很多情況下晶閘管整流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)往往不能一致，同時(shí)又為整流變壓器根據(jù)主電路的型式、負(fù)載額定電壓和額定電流，算出整抗增大，外特性變軟以及損耗增大，所以在設(shè)計(jì)或選用整流變壓器時(shí)，應(yīng)考慮這些因素。平時(shí)我們?cè)谟?jì)算U2是在理想條件下進(jìn)行的，但網(wǎng)電壓波動(dòng)、管子本身的壓降以及整流變壓器等效內(nèi)阻造按下式計(jì)算：式中Udl——負(fù)載的額定電壓；半波電路n=1）；A——理想情況下α=0o時(shí)Udo與U2的比值，查表可知；β——電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，一般取0.9；α——最少移相角，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中總希望U2值留有調(diào)節(jié)余量，對(duì)于可逆直流調(diào)速系統(tǒng)α取30o~35o,不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)α取10o~15o;Udl——變壓器阻抗電壓比，100KV●A以及取Udl=0.05，100KV●A以上取Udl=0.05~0.1；I2I2n——二次側(cè)允許的最大電流與額定電流之比。對(duì)于一般的中小容量整流調(diào)壓裝置，其U2值也可以用以下公式估算：所以根據(jù)以知的參數(shù)及查表得：故我們選擇晶閘管的型號(hào)為：KP1.28----10。如果不計(jì)變壓器的勵(lì)磁電流，根據(jù)變壓器磁動(dòng)勢(shì)平衡原理可得一為：I1N1=I2N2式中N1、N2——變壓器一次和二次繞組的匝數(shù)；K——變壓器的匝數(shù)比。關(guān)。單相橋式可控整流電路計(jì)算如下：I2=Id=I=1A=0.5故I1=0.5A該電路為大電感負(fù)載，電流波形可看作連續(xù)且平直的。（1）輸出電壓平均值Ud和輸出電流平均值Id（2）晶閘管的電流平均值IdvT和有效值IvT（3）輸出電流有效值I和變壓器二次電流有效值I2I=I2=Id=0.495AIN1IN2ITTi2u2u1u1△△ △ 理論的學(xué)習(xí)使我們掌握了有關(guān)近現(xiàn)代的電力電子器件的原理和功能。隨著科在做電力電子課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們更