單相橋式全控整流電路

1、 電力電子技術課程設計說明書單相橋式全控整流電路系、部:_電氣與信息工程學院學生姓名:劉亞龍指導教師:曹志平專業(yè):電氣工程及其自動化班級:電氣本1004班完成時間:2013年6月13日摘要由于電力電子技術是將電子技術和控制技術引入傳統(tǒng)的電力技術領域,利用半導體電力開關器件組成各種電力變換電路實現(xiàn)電能和變換和控制,而構成的一門完整的學科。故其學習方法與電子技術和控制技術有很多相似之處,因此要學好這門課就必須做好實驗和課程設計,因而我們進行了此次課程設計。又因為整流電路應用非常廣泛,而鋸齒波移相觸發(fā)三相晶閘管全控整流電路又有利于夯實基礎,故我們單結晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全控整流電路這一課題作為這一

2、課程的課程設計的課題。關鍵字:單結晶體管;單相晶閘管目錄1 課程設計目的與要求 (11.1課程設計目的 (11.2課程設計的預備知識 (11.3 課程設計要求 (12 課程設計方案的選擇 (22.1整流電路 (22.2元器件的選擇 (23 主電路的設計 (43.1系統(tǒng)總設計框圖 (43.2系統(tǒng)主體電路原理及說明 (43.3原理圖的分析 (54 輔助電路的設計 (74.1驅動電路的設計 (74.2保護電路的設計 (85 元器件和電路參數(shù)計算 (115.1. 晶閘管的基本特性 (11圖10 晶閘管門極伏安特性 (125.2晶閘管基本參數(shù) (135.3性能指標分析 (155.4元器件清單 (156

3、系統(tǒng)仿真 (161 課程設計目的與要求1.1課程設計目的“電力電子技術”課程設計是在教學及實驗基礎上,對課程所學理論知識的深化和提高。因此,通過電力電子計術的課程設計達到以下幾個目的:1培養(yǎng)綜合應用所學知識,并設計出具有電壓可調功能的直流電源系統(tǒng)的能力;2較全面地鞏固和應用本課程中所學的基本理論和基本方法,并初步掌整流電路設計的基本方法。3培養(yǎng)獨立思考、獨立收集資料、獨立設計的能力;4培養(yǎng)分析、總結及撰寫技術報告的能力。1.2課程設計的預備知識熟悉電力電子技術課程、電機學課程的相關知識。1.3 課程設計要求1、單相橋式相控整流的設計要求為:負載為感性負載,L=700mH,R=500歐姆.2、技

4、術要求:1、電源電壓:交流100V/50Hz2、輸出功率:500W3、移相范圍0º90º按課程設計指導書提供的課題,根據(jù)基本要求及參數(shù)獨立完成設計。12 課程設計方案的選擇2.1整流電路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,它們所連接的負載性質不同就會有不同的特點。而負載性質又分為帶電阻性負載、電阻-電感性負載和反電動勢負載時的工作情況。單相橋式全控整流電路(電阻-電感性負載電路簡圖如下:T i2i dLRu dVT3VT1VT2VT4u1u2(a圖1 單相橋式全控整流電路簡圖此電路對每個導電回路進行控制,與單相橋式半控整流電路相比,無須用續(xù)流二極管

5、,也不會失控現(xiàn)象,負載形式多樣,整流效果好,波形平穩(wěn),應用廣泛。變壓器二次繞組中,正負兩個半周電流方向相反且波形對稱,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。單相全控橋式整流電路具有輸出電流脈動小,功率因數(shù)高,變壓器二次電流為兩個等大反向的半波,沒有直流磁化問題,變壓器利用率高的優(yōu)點。單相全控橋式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍,在相同的負載下流過晶閘管的平均電流減小一半,且功率因數(shù)提高了一半。根據(jù)以上的分析,我選擇的方案為單相全控橋式整流電路(負載為電阻-電感性負載。2.2元器件的選擇晶管又稱為晶體閘流管,可控硅整流(Silicon Controll

6、ed Rectifier-SCR,開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代; 20世紀80年代以來,開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,以被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調壓、直流變換等領域,成為功率低頻(200Hz以下裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型-普通晶閘管。廣義上講,晶閘管還包括其許多類型的派生器件。1晶閘管的結構晶閘管是大功率器件,工作時產(chǎn)生大量的熱,因此必須安裝散熱器。引出陽極A、陰極K和門極(或稱柵極G三個聯(lián)接端。2晶閘管的門極觸發(fā)條件(1: 晶閘管承受反向電壓時,不論門極是否有觸發(fā)電流,晶閘管都不會導通;(2:晶閘管承

7、受正向電壓時,僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導通;(3:晶閘管一旦導通門極就失去控制作用;(4:要使晶閘管關斷,只能使其電流小到零一下。的電路稱為晶閘管的驅動過程更多的是稱為觸發(fā),產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流IG門極觸發(fā)電路。也正是由于能過門極只能控制其開通,不能控制其關斷,晶閘管才被稱為半控型器件?？申P斷晶閘管簡稱GTO1可關斷晶閘管的工作原理 圖2 GTO的結構、等效電路和圖形符號GTO的導通機理與SCR是完全一樣的。 GTO一旦導通之后,門極信號是可以撤除的,在制作時采用特殊的工藝使管子導通后處于臨界飽和,而不像普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài),這樣可以用門極負脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關

8、斷。 GTO在關斷機理上與SCR是不同的。門極加負脈沖即從門極抽出電流(即抽出飽和導通時儲存的大量載流子,強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。3 主電路的設計3.1系統(tǒng)總設計框圖系統(tǒng)原理方框圖如3所示:圖3 系統(tǒng)原理方框圖3.2系統(tǒng)主體電路原理及說明 T i2i dLRu dVT3VT1VT2VT4u1u2(a圖4 阻感性負載電路(a、工作波形(b假設,工作于穩(wěn)定狀態(tài),負載電流連續(xù),近似為一平直的直線。工作原理在電源電壓2u正半周期間,VT1、VT2承受正向電壓,若在=t時觸發(fā), VT1、VT2導通,電流經(jīng)VT1、負載、VT2和T二次側形成回路,但由于大電感的存在,2u過零變負時,電感上的感應電動

9、勢使VT1、VT2繼續(xù)導通,直到VT3、保護電路單相電源輸出驅動電路負載電路整流電路RL>>VT4被觸發(fā)導通時,VT1、VT2承受反相電壓而截止。輸出電壓的波形出現(xiàn)了負值部分。在電源電壓2u 負半周期間,晶閘管VT3、VT4承受正向電壓,在+=t 時觸發(fā),VT3、VT4導通,VT1、VT2受反相電壓截止,負載電流從VT1、VT2中換流至VT3、VT4中在2=t 時,電壓2u 過零,VT3、VT4因電感中的感應電動勢一直導通,直到下個周期VT1、VT2導通時,VT3、VT4因加反向電壓才截止。值得注意的是,只有當2時,負載電流d i 才連續(xù),當2>時,負載電流不連續(xù),而且輸出電

10、壓的平均值均接近零,因此這種電路控制角的移相范圍是20-。 (1輸出電壓平均值d U 和輸出電流平均值d I(1 (2 (2晶閘管的電流平均值dT I 和有效值T I(3(4 (3輸出電流有效值I 和變壓器二次電流有效值2I(5 (4晶閘管所承受的最大正向電壓和反向電壓均為 3.3原理圖的分析(cos 9.0cos 22d sin 21222dU U t t U U =+RU I dd=dT 21I I =d dT 21I I =d I I I =222UTi 2i dLRu dVT 3VT 1VT 2VT 4u1u2單結晶閘管觸發(fā)電路1單結晶閘管觸發(fā)電路2單結晶閘管觸發(fā)電路3單結晶閘管觸發(fā)電

11、路4圖5 電路原理圖該電路主要由四部分構成,分別為電源,過電保護電路,整流電路和觸發(fā)電路構成。輸入的信號經(jīng)變壓器變壓后通過過電保護電路,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載。在電路中還加了防雷擊的保護電路。然后將經(jīng)變壓和保護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,過電保護部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護,而過壓保護則采用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,選擇的我們學過的單相橋式整流電路。該電路的結構和工作原理是利用晶閘管的開關特性實現(xiàn)將交

12、流變?yōu)橹绷鞯墓δ?。觸發(fā)電路是由設計題目而定的,題目要求了用單結晶體管直接觸發(fā)電路。單結晶體管直接觸發(fā)電路的移相范圍變化較大,而且由于是直接觸發(fā)電路它的結構比較簡單。一方面是方便我們對設計電路中變壓器型號的選擇。4 輔助電路的設計4.1驅動電路的設計對于使用晶閘管的電路,在晶閘管陽極加正向電壓后,還必須在門極與陰極之間加觸發(fā)電壓,使晶閘管在需要導通的時刻可靠導通。驅動電路亦稱觸發(fā)電路。根據(jù)控制要求決定晶閘管的導通時刻,對變流裝置的輸出功率進行控制。觸發(fā)電路是變流裝置中的一個重要組成部分,變流裝置是否能正常工作,與觸發(fā)電路有直接關系,因此,正確合理地選擇設計觸發(fā)電路及其各項技術指標是保證晶閘管變流

13、裝置安全,可靠,經(jīng)濟運行的前提。晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求:觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。觸發(fā)信號應有足夠的功率(觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流。由閘管的門極伏安特性曲線可知,同一型號的晶閘管的門極伏安特性的分散性很大,所以規(guī)定晶閘管元件的門極阻值在某高阻和低阻之間,才可能算是合格的產(chǎn)品。晶閘管器件出廠時,所標注的門極觸發(fā)電流Igt、門極觸發(fā)電壓U是指該型號的所有合格器件都能被觸發(fā)導通的最小門極電流、電壓值,所以在接近坐標原點處以觸發(fā)脈沖應一定的寬度且脈沖前沿應盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的,也就是晶閘管的導通需要一定的時間。只有當晶

14、閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時,晶閘管才能導通,所以觸發(fā)信號應有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導通,對于電感性負載,脈沖的寬度要寬些,一般為0.51MS,相當于50HZ、18度電度角。為了可靠地、快速地觸發(fā)大功率晶閘管,常常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖應有一定的寬度,脈沖的前沿盡可能陡,以使元件在觸發(fā)導通后,陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導通后才能撤掉,晶閘管對觸發(fā)脈沖的幅值要求是:在門極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應大于產(chǎn)品提出的數(shù)據(jù),但也不能太大,以防止損壞其控制極,在有晶閘管串并聯(lián)的場合,觸發(fā)脈沖

15、的前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發(fā)導通。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。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負載時,要求觸發(fā)脈沖的移項范圍是0度180度,帶大電感負載時,要求移項范圍是0度90度;三相半波可控整流電路電阻性負載時,要求移項范圍是0度90度。觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個周期都以相同的控制角 被觸發(fā)導通,觸發(fā)脈沖必須與電源同步,兩者的頻率應該相同,而且要有固定的相位關系,以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時受控于電壓uc與同步電壓us控制。4.2保護電路的設計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,驅動電

16、路設計良好外,采用合適的過電壓保護,過電流保護,du/dt保護和di/dt保護也是必不可少的。所謂過壓保護,即指流過晶閘管兩端的電壓值超過晶閘管在正常工作時所能承受的最大峰值電壓Um都稱為過電壓。產(chǎn)生過電壓的原因一般由靜電感應、雷擊或突然切斷電感回路電流時電磁感應所引起。其中,對雷擊產(chǎn)生的過電壓,需在變壓器的初級側接上避雷器,以保護變壓器本身的安全;而對突然切斷電感回路電流時電磁感應所引起的過電壓,一般發(fā)生在交流側、直流側和器件上,因而,下面介紹單相橋式全控整流主電路的電壓保護方法。1.交流側過電壓保護過電壓產(chǎn)生過程:電源變壓器初級側突然拉閘,使變壓器的勵磁電流突然切斷,鐵芯中的磁通在短時間內(nèi)

17、變化很大,因而在變壓器的次級感應出很高的瞬時電壓。保護方法:阻容保護2.直流側過電壓保護過電壓產(chǎn)生過程:當某一橋臂的晶閘管在導通狀態(tài)突然因果載使快速熔斷器熔斷時,由于直流住電路電感中儲存能量的釋放,會在電路的輸出端產(chǎn)生過電壓。保護方法:阻容保護整流主電路交流側直流側圖6 主電路的過電壓保護電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時,可能會發(fā)生過電流現(xiàn)象。過電流分載和短路兩種情況。一般電力電子均同時采用幾種過電壓保護措施,怪提高保護的可靠性和合理性。在選擇各種保護措施時應注意相互協(xié)調。通常,電子電路作為第一保護措施,快速熔斷器只作為短路時的部分區(qū)斷的保護,直流快速斷路器在電子電力動作之后實現(xiàn)保護,過電

18、流繼電器在過載時動作。在選擇快熔時應考慮:1、電壓等級應根據(jù)快熔熔斷后實際承受的電壓來確定。2、電流容量應按照其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定?？烊垡话闩c電力半導體體器件串聯(lián)連接,在小容量裝置中也可串接于閥側交流母線或直流母線中。3、快熔的It 值應小于被保護器件的允許It 值。4、為保證熔體在正常過載情況下不熔化,應考慮其時間電流特性。快熔對器件的保護方式分為全保護和短保護兩種。全保護是指無論過載還是短路均由快熔進行保護,此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕量較大的場合。短路保護方式是指快熔只要短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護作用,此方式需與其他過電流保護措施相配合。熔斷器是最簡單的過電

19、流保護元件,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,所以對元件的保護作用最好。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 的擴展速度將電流擴展到整個陰極面,若晶閘管開通時電流上升率di/dt過大,會導致PN結擊穿,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7所示: 圖7 串聯(lián)電感抑制回路2

20、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也應有所限制,如果dv/dt過大,由于晶閘管結電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流,該電流可以實際上起到觸發(fā)電流的作用,使晶閘管正向阻斷能力下降,嚴重時引起晶閘管誤導通。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8所示: 圖8 并聯(lián)R-C阻容吸收回5 元器件和電路參數(shù)計算5.1. 晶閘管的基本特性靜態(tài)特性又稱伏安特性,指的是器件端電壓與電流的關系。這里介紹陽極伏安特性和門極伏安特性。(1陽極伏安特性晶閘管的陽極伏安特性表示晶閘管陽極與陰極之間的電壓U ak與陽極電流i a 之間的關系曲線,如圖9所示。 圖9

21、晶閘管陽極伏安特性正向阻斷高阻區(qū);負阻區(qū);正向導通低阻區(qū);反向阻斷高阻區(qū)陽極伏安特性可以劃分為兩個區(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)及正向導通狀態(tài)。(2門極伏安特性,門極伏安特性就是指這個PN結晶閘管的門極與陰極間存在著一個PN結J3上正向門極電壓U g與門極電流I g間的關系。由于這個結的伏安特性很分散,無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10陰影區(qū)域所示。 圖10 晶閘管門極伏安特性晶閘管常應用于低頻的相控電力電子電路時,有時也在高頻電力電子電路中得到應用

22、,如逆變器等。在高頻電路應用時,需要嚴格地考慮晶閘管的開關特性,即開通特性和關斷特性。(1開通特性晶閘管由截止轉為導通的過程為開通過程。圖11給出了晶閘管的開關特性。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)部正反饋過程及外電路電感的影響,陽極電流的增長需要一定的時間。從突加門極電流時刻到陽極電流上升到穩(wěn)定值I T的10%所需的時間稱為延遲時間t d,而陽極電流從10%I T 上升到90%I T所需的時間稱為上升時間t r,延遲時間與上升時間之和為晶閘管的開通時間t gt=t d+t r,普通晶閘管的延遲時間為0.51.5s,上升時間為0.5 3s。延遲時間隨門極電流的增大而減

23、少,延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。 圖11 晶閘管的開關特性(2關斷特性通常采用外加反壓的方法將已導通的晶閘管關斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。要關斷已導通的晶閘管,通常給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的關斷,就是要使各層區(qū)內(nèi)載流子消失,使元件對正向陽極電壓恢復阻斷能力。突加反向陽極電壓后,由于外電路電感的存在,晶閘管陽極電流的下降會有一個過程,當陽極電流過零,也會出現(xiàn)反向恢復電流,反向電流達最大值I RM 后,再朝反方向快速衰減接近于零,此時晶閘管恢復對反向電壓的阻斷能力。5.2晶閘管基本參數(shù)1、額定電壓U Tn通常取U DRM 和U RRM 中較小的,再取靠近標準的電

24、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 RRM D RM Tn U U U ,min =U Tn =(23U TMU TM :工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓 2、額定電流I T(AVI T(AV 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,元件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170°的電路中,結溫不超過額定結溫時,所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。I Tn :額定電流有效值,根據(jù)管子的I T(AV 換算出,

25、I T(AV 、I TM I Tn 三者之間的關系:TM Tn I t d t I 5.02Im/(sin (Im 2/102=(6TMAV T I t td I 318.0Im/(sin Im 2/10(=(73、 維持電流I H維持電流是指晶閘管維持導通所必需的最小電流,一般為幾十到幾百毫安。維持電流與結溫有關,結溫越高,維持電流越小,晶閘管越難關斷。4、 掣住電流I L晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉變?yōu)閷顟B(tài)并撤除門極觸發(fā)信號,此時要維持元件導通所需的最小陽極電流稱為掣住電流。一般掣住電流比維持電流大(24倍。5、通態(tài)平均管壓降 U T(AV 。指在規(guī)定的工作溫度條件下,使晶閘管導通的正 弦波半

26、個周期內(nèi)陽極與陰極電壓的平均值,一般在0.41.2V 。6、門極觸發(fā)電流I g 。在常溫下,陽極電壓為6V 時,使晶閘管能完全導通所用的門極電流,一般為毫安級。7、 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 。在額定結溫和門極開路的情況下,不會導致 晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。 8、 通態(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。若晶閘管導通時電流上升太快,則會在晶閘管剛開通時,有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi),從而造成局部過熱而損壞晶閘管。9、波形系數(shù):有直流分量的電流波形,其有效值I 與平均值d I 之比稱為該波形的波形系數(shù),用K f 表示。