單相全控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)

1、1 緒論1.1 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 電力電子技術(shù)相對(duì)于其他一些高新技術(shù)來(lái)說(shuō)更為邊緣化，它是一門(mén)聯(lián)系電力和電子的學(xué)科，電力電子技術(shù)為電能的產(chǎn)生和利用搭起了橋梁，為電能的輸出、應(yīng)用提供了更好的方式和平臺(tái)，電力電子技術(shù)從根本上提高了電能的應(yīng)用效率。電力電子技術(shù)的問(wèn)世是在上世紀(jì)五十年代末，當(dāng)?shù)谝恢痪чl管研制成功之后，電力電子技術(shù)就正式進(jìn)入了電氣傳動(dòng)技術(shù)的大家族。電力電子技術(shù)在可控硅整流裝置開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了重要作用，是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中革命性的成果。 電力電子技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)的七十年代時(shí)有了一個(gè)質(zhì)的發(fā)展，晶閘管產(chǎn)品逐步完成了從低壓小電流到高壓大電流的過(guò)度，并在晶閘管的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了不能自關(guān)斷的半控型器件，這就是第

2、一代的電力電子器件，它是電力電子技術(shù)歷史上的一座里程碑。 電力電子技術(shù)的研究水平不斷進(jìn)步，制造工藝水平也不斷提高，電力電子器件也隨之有了更大的發(fā)展，獲得了又一次的飛躍。電力電子技術(shù)的進(jìn)步代表是自關(guān)斷全控型第二代電力電子器件，代表產(chǎn)品是GTR和GTO。 電力電子技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)的九十年代有了更進(jìn)一步的發(fā)展，電力電子器件在大頻率、低損耗、快響應(yīng)方面有了更好表現(xiàn)，電力電子技術(shù)想著復(fù)臺(tái)化、標(biāo)準(zhǔn)模塊化、智能化、功率集成化方向發(fā)展，形成了電力電子的正式技術(shù)理論，形成了一個(gè)新的高科技領(lǐng)域。1.2 晶閘管 晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），開(kāi)辟

3、了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代; 20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域，成為功率低頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專(zhuān)指晶閘管的一種基本類(lèi)型-普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類(lèi)型的派生器件。1.2.1 晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管是大功率器件，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（或稱柵極）G三個(gè)聯(lián)接端。內(nèi)部結(jié)構(gòu):四層三個(gè)結(jié)如圖1.1所示。圖1.1晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和模塊外形a)晶閘管外形 b)內(nèi)部結(jié)構(gòu) c)電氣圖

4、形符號(hào) d)模塊外形1.2.2 晶閘管的工作原理圖及觸發(fā)的條件晶閘管由四層半導(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1.2(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1.2（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1.2 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路 晶閘管的門(mén)極觸發(fā)條件：（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才能導(dǎo)通

5、；（3）：晶閘管一旦導(dǎo)通門(mén)極就失去控制作用；（4）：要使晶閘管關(guān)斷，只能使其電流小到零一下。 晶閘管的驅(qū)動(dòng)過(guò)程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門(mén)極的觸發(fā)電流的電路稱為門(mén)極觸發(fā)電路。也正是由于能過(guò)門(mén)極只能控制其開(kāi)通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。2 單相晶閘管全控整流電路2.1 設(shè)計(jì)方案 本課程設(shè)計(jì)采用以鋸齒波同步移相觸發(fā)電路I和II+單相橋式全控整流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了確保觸發(fā)電路和主電路頻率的一致，在設(shè)計(jì)中利用一個(gè)同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的。2.2 總電路的原理框圖系統(tǒng)原理方框圖如2.

6、1所示：圖2.1系統(tǒng)原理方框圖2.3 單相橋式全控整流電路 電路圖如圖2.2所示。 圖2.2 純電阻性負(fù)載的單相橋式全控整流電路及波形 其工作原理是：正半周時(shí)，a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位，兩個(gè)晶閘管T1、T4同時(shí)承受正向電壓。門(mén)極無(wú)觸發(fā)信號(hào)，則兩個(gè)晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，電源電壓將全部加在T1、T4上，兩個(gè)晶閘管各自承受電源電壓的一半，負(fù)載電壓為零。在t=時(shí)，給T1、T4同時(shí)施加觸發(fā)脈沖，T1、T4即時(shí)導(dǎo)通，電源電壓通過(guò)T1、T4加在負(fù)載上。當(dāng)電源電壓下降至零時(shí)，負(fù)載電流也降至零，T1、T4自然關(guān)斷。在電源電壓的正半周，晶閘管T2、T3始終承受反向電壓而處于截止?fàn)顟B(tài)。 在的負(fù)半周，b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電

7、位，晶閘管T2、T3同時(shí)承受正向電壓。在t=2+時(shí)，觸發(fā)T2、T3，T2、T3導(dǎo)通，電流從b端流出經(jīng)T3、R、T2回到電源a端，負(fù)載獲得與正半周相同的整流電壓和電流波形，這期間，T1、T4均承受反向電壓而處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)過(guò)零變正時(shí)，T2、T3關(guān)斷，負(fù)載電壓和電流也降至零。此后，T1、T4又承受正向電壓，并在t=+時(shí)被觸發(fā)導(dǎo)通，依此循環(huán)工作。2.4 整流電路參數(shù)的計(jì)算整流輸出電壓的平均值可按下式計(jì)算 （2-1）當(dāng)=0時(shí)，取得最大值，即= 0.9 ，取=100V則Ud =90V，=180o時(shí)，=0。角的移相范圍為180o。負(fù)載電流平均值為 (2-2) 負(fù)載電流有效值，即變壓器二次側(cè)繞組電流的有效值

8、為 (2-3)流過(guò)晶閘管電流有效值為 （2-4）2.5 晶閘管的選取 1、額定電壓UTN:通常取和中較小的，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 ，其中 :工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓。2、 額定電流 :又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負(fù)載流過(guò)正弦半波、導(dǎo)通角不小于170的電路中，結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級(jí)即為晶閘管的額定電流。3、 參數(shù)計(jì)算如下： 取=100V；當(dāng)時(shí)=90V，P=5

9、00W。由P=U2/R得出R=16.5，代入（2-2）、（2-3）和（2-4）得， 負(fù)載電流的有效值，即=6.06A；流過(guò)晶閘管的電流有效值=4.29A；額定電流 =2.73A； 晶閘管承受最大反向電壓為：=； 考慮到安全裕量，故晶閘管額定電壓為：=（23） =282.8V424.3V；流過(guò)晶閘管電流有效值最大為：=500/90=5.56A，考慮到安全裕量，故晶閘管額定電流為：=（1.52） =8.34A11.12A，取12A。通過(guò)以上計(jì)算得知，可以取晶閘管額定電壓為400V，額定電流為12A。晶閘管型號(hào)及主要參數(shù)如下：型號(hào)TYN812-E12800155303 輔助電路的設(shè)計(jì)3.1 觸發(fā)電路

10、 晶閘管裝置的正常工作與門(mén)極觸發(fā)電路的正確、可靠的運(yùn)行密切相關(guān)，門(mén)極觸發(fā)電路必須按主電路的要求來(lái)設(shè)計(jì)，為了能可靠觸發(fā)晶閘管應(yīng)滿足以下要求:(1)觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓和電流應(yīng)大于晶閘管要求的數(shù)值，并保留足夠的裕量。(2)為了實(shí)現(xiàn)變流電路輸出的電壓連續(xù)可調(diào)，觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 (3)觸發(fā)脈沖與晶閘管主電路電源必須同步，兩者頻率應(yīng)該相同，而且要有固定的相位關(guān)系，使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。(4)觸發(fā)脈沖的波形要符合一定的要求。多數(shù)晶閘管電路要求觸發(fā)脈沖的前沿要陡，以實(shí)現(xiàn)精確的導(dǎo)通控制。對(duì)于電感性負(fù)載，由于電感的存在，其回路中的電流不能突變，所以要求其觸

11、發(fā)脈沖要有一定的寬度，以確保主回路的電流在沒(méi)有上升到晶閘管擎住電流之前，其門(mén)極與陰極始終有觸發(fā)脈沖存在，保證電路可靠工作。3.1.1 鋸齒波同步移相觸發(fā)電路I、II鋸齒波同步移相觸發(fā)電路I、II由同步檢測(cè)、鋸齒波形成、移相控制、脈沖形成、脈沖放大等環(huán)節(jié)組成，其原理圖如圖1-11所示。圖3.1 鋸齒波同步移相觸發(fā)電路I原理圖由V3、VD1、VD2、C1等元件組成同步檢測(cè)環(huán)節(jié)，其作用是利用同步電壓UT來(lái)控制鋸齒波產(chǎn)生的時(shí)刻及鋸齒波的寬度。由V1、V2等元件組成的恒流源電路，當(dāng)V3截止時(shí)，恒流源對(duì)C2充電形成鋸齒波；當(dāng)V3導(dǎo)通時(shí)，電容C2通過(guò)R4、V3放電。調(diào)節(jié)電位器RP1可以調(diào)節(jié)恒流源的電流大小，

12、從而改變了鋸齒波的斜率?？刂齐妷篣ct、偏移電壓Ub和鋸齒波電壓在V5基極綜合疊加，從而構(gòu)成移相控制環(huán)節(jié)，RP2、RP3分別調(diào)節(jié)控制電壓Uct和偏移電壓Ub的大小。V6、V7構(gòu)成脈沖形成放大環(huán)節(jié)，C5為強(qiáng)觸發(fā)電容改善脈沖的前沿，由脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖，電路的各點(diǎn)電壓波形如圖1-12所示。圖3.2 鋸齒波同步移相觸發(fā)電路I各點(diǎn)電壓波形（） 本裝置有兩路鋸齒波同步移相觸發(fā)電路，I和II，在電路上完全一樣，只是鋸齒波觸發(fā)電路II輸出的觸發(fā)脈沖相位與I恰好互差180O，所以本次課程設(shè)計(jì)用該觸發(fā)電路。3.2 晶閘管的保護(hù) 晶閘管的主要缺點(diǎn)：過(guò)流、過(guò)壓能力很差。 1.晶閘管的熱容量很?。阂坏┻^(guò)流，溫度急

13、劇上升，器件被燒壞。 2.晶閘管承受過(guò)電壓的能力極差：電壓超過(guò)其反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間極短，也容易損壞。正向電壓超過(guò)轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。3.2.1 過(guò)電流保護(hù) 電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。過(guò)電流分過(guò)載和短路兩種情況。而其中最常用的過(guò)電流保護(hù)的措施有快速熔斷器、直流快速斷路器和過(guò)電流繼電器。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。在選擇快速熔斷器時(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)按其主電路中的接入方式和主電路連接形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容

14、量裝置中也可串聯(lián)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(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間-電流特性。3.2.2 過(guò)電壓保護(hù)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(lèi)。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：1. 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)電壓會(huì)由供電變壓器電磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜電感應(yīng)耦合過(guò)來(lái)。2. 雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起的過(guò)電壓。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：1. 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)流二極管在換相結(jié)

15、束后不能立即恢復(fù)阻斷能力，因而有較大的反向電流流過(guò)，使殘存的載流子恢復(fù)，而當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，反向電流急劇減少，這樣的電流突變會(huì)因線路電感而在晶閘管陰陽(yáng)極之間或續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過(guò)電壓。2. 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)，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。過(guò)電壓的保護(hù)措施中可以采用過(guò)電壓抑制電路和采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（）等非線性元器件來(lái)限制或吸收過(guò)電壓。而本課程設(shè)計(jì)才用的是過(guò)電壓抑制電路，其典型的連接方式如圖所示。6 總電路圖及仿真圖3.3 RC過(guò)電壓抑制電路連接方式（a為單相，b為三相）4 系統(tǒng)

16、仿真4.1 基于Matlab的Simulink仿真軟件簡(jiǎn)介Simulink是基于Matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，可以用來(lái)對(duì)各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對(duì)任何能用數(shù)學(xué)來(lái)描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如航空航天動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船舶及汽車(chē)等，其中包括了連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動(dòng)，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等。Simulink提供了利用鼠標(biāo)拖放的方法來(lái)建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面，而且還提供了豐富的功能塊以及不同的專(zhuān)業(yè)模塊集合，利用Simulink幾乎可以做到不書(shū)寫(xiě)一行代碼即完成整個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模工作。除此之外，Simulink還支持Stateflow，用來(lái)仿

17、真事件驅(qū)動(dòng)過(guò)程Simulink是從底層開(kāi)發(fā)的一個(gè)完整的仿真環(huán)境和圖形界面，是模塊化了的編程工具，它把Matlab的許多功能都設(shè)計(jì)成一個(gè)個(gè)直觀的功能模塊，把需要的功能模塊用連線連起來(lái)就可以實(shí)現(xiàn)需要的仿真功能了。也可以根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)自己的功能模塊，Simulink功能強(qiáng)大，界面友好，是一種很不錯(cuò)的仿真工具。Simulink仿真具有以下的特點(diǎn)：（1）交互建模Simulink提供了大量的功能塊，方便用戶快速地建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，建模時(shí)只需要使用鼠標(biāo)拖放庫(kù)中的功能塊，并將它們連接起來(lái)。用戶可以通過(guò)將塊組成子系統(tǒng)建立多級(jí)模型。對(duì)塊和連接的數(shù)目沒(méi)有限制。（2）交互仿真Simulink框圖提供了交互性很強(qiáng)的

18、非線性仿真環(huán)境。用戶可以通過(guò)下拉菜單執(zhí)行仿真，或者用命令行進(jìn)行批處理。仿真結(jié)果可以在運(yùn)行的同時(shí)通過(guò)示波器或者圖形窗口顯示。（3）能夠擴(kuò)充和定制Simulink的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴(kuò)充仿真環(huán)境的功能。（4）與Matlab和工具箱集成由于Simulink可以直接利用Matlab的數(shù)學(xué)、圖形和編程功能，用戶可以直接在Simulink下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過(guò)程自動(dòng)化、優(yōu)化參數(shù)等工作。工具箱提供的高級(jí)設(shè)計(jì)和分析能力可以通過(guò)Simulink的屏蔽手段在仿真過(guò)程中執(zhí)行。（5）專(zhuān)用模型庫(kù)Simulink的模型庫(kù)可以通過(guò)專(zhuān)用元件集進(jìn)一步擴(kuò)展。由于在自動(dòng)控制原理課程仿真中已經(jīng)對(duì)simulink有了一定的熟悉，故在本

19、次的電力電子仿真中仍然采用的是基于Matlab的Simulink仿真軟件。4.2 單相橋式整流電路的仿真單相橋式全控整流電路仿真電路圖如圖4.1所示：圖4.1 單相橋式全控整流仿真電路圖4.2.1 仿真參數(shù)的設(shè)置（1） 交流電源參數(shù)的設(shè)置，如圖4.2所示。因?yàn)檩敵鲇行е禐?00V，所以其峰值振幅設(shè)置為141.4V，頻率設(shè)為50HZ。圖4.2 交流電源參數(shù)設(shè)置（2）觸發(fā)脈沖的參數(shù)設(shè)置，如圖4.3與4.4所示。脈沖的峰值amplitude設(shè)為1，周期設(shè)為0.02，脈寬設(shè)為10%；而其中的延時(shí)值兩個(gè)觸發(fā)脈沖相差0.01，即，如圖4.3所示，設(shè)為，如圖4.4所示，設(shè)為，其中為延遲角的值。圖4.3 觸發(fā)

20、脈沖1的參數(shù)設(shè)置圖4.4 觸發(fā)脈沖2的參數(shù)設(shè)置 （3）晶閘管的參數(shù)設(shè)置，如圖4.5所示。電阻設(shè)為0.001，電感設(shè)為0，正向電壓設(shè)為0.8，初始電流設(shè)為0，緩沖電阻設(shè)為500，緩沖電容設(shè)為。圖4.5 晶閘管的的參數(shù)設(shè)置(4)電阻的參數(shù)設(shè)置，如圖4.6所示。電阻值設(shè)為20。圖4.6 電阻的的參數(shù)設(shè)置4.2.2 仿真結(jié)果分析仿真與分析：波形圖分別代表晶閘管VT上的電流、晶閘管VT上的電壓、變壓器二次側(cè)繞組的電流、電阻上的電壓和電流。下列波形分別是延遲角為0、60、90、120時(shí)的波形變化。（1）當(dāng)延遲角=0時(shí)，波形圖如圖4.7所示。誤差分析，由公式，=100V可得，=90V；又如圖4.7a所示，可

21、以看出=139.8V，所以=89.04V；誤差為： =1.07。圖4.7 =0的單相橋式全控整流電路波形圖圖4.7a =0波形的峰值圖（2）當(dāng)延遲角=60時(shí)，波形圖如圖4.8所示。誤差分析，由公式，=100V可得，=67.5V；又如圖4.8a所示，可以看出=139.786V，所以=66.78V；誤差為： =1.07。圖4.8 =60的單相橋式全控整流電路波形圖圖4.8a =60波形的峰值圖（3）當(dāng)延遲角=90時(shí)，波形圖如圖4.9所示。誤差分析，由公式，=100V可得，=45V；又如圖4.9a所示，可以看出=139.7855V，所以=44.52V；誤差為： =1.07。圖4.9 =90的單相橋式全控整流電路波形圖圖4.9a =90波形的峰值圖（4）當(dāng)延遲角=120時(shí)，波形圖如圖4.10所示。誤差分析，由公式，=100V可得，=22.5V；又如圖4.10a所示，可以看出=120.84V，所以=22.21V；誤差為： =1.29。圖4.10