單相雙半波晶閘管整流電路設計(精)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 單片機技術課程設計說明書交通燈系 、 部: 電氣與信息工程系 學生姓名: 李白龍 指導教師:電力電子技術課程設計任務書一、設計課題目單相雙半波晶閘管整流電路設計(純電阻負載二、設計要求1、單相雙半波晶閘管整流電路的設計要求為: 負載為阻性負載.2、技術要求 :(1 電網(wǎng)供電電壓:交流 100V/50Hz;(2 輸出功率:500W ;(3 移相范圍:0° 180°在整個設計中要注意培養(yǎng)靈活運用所學的電力電子技術知識和創(chuàng)造性的思 維方式以及創(chuàng)造能力 要求具體電路方案的選擇必須有論證說明,要說明其有哪 些特點。 主電路具體電路元器件的選擇應有計算和說明

2、。 課程設計從確定方案到 整個系統(tǒng)的設計,必須在檢索、閱讀 及分析研究大量的相關文獻的基礎上,經(jīng) 過剖析、提煉,設計出所要求的電路(或裝置 。 課程設計中要不斷提出問題, 并給出這些問題的解決方法和自己的研究體會。在整個設計中要注意培養(yǎng)獨立分析和獨立解決問題的能力。 要求學生在教 師的指導下,獨力完成所設計的系統(tǒng)主電路、控制電路等詳細的設計(包括計 算和器件選型 。課題設計的主要內(nèi)容是供電方案的選定, 主電路的設計, 電路元件的選擇, 保護電路的選擇,主電路的分析說明,主電路元器件的計算和選型,以及控制 電路設計。 報告最后給出所設計的主電路和控制電路標準電路圖。前 述電力電子學 , 又稱功率

3、電子學 (Power Electronics 。 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成的各式各樣的電路或裝置, 以完成對電 能的變換和控制。 它既是電子學在強電 (高電壓、 大電流 或電工領域的一個分支, 又是電工學在弱電 (低電壓、 小電流 或電子領域的一個分支, 或者說是強弱電相 結(jié)合的新科學。 電力電子學是橫跨“電子”、 “電力”和“控制”三個領域的一 個新興工程技術學科。隨著科學技術的日益發(fā)展 , 人們對電路的要求也越來越高 , 由于在生產(chǎn)實際 中需要大小可調(diào)的直流電源 , 而相控整流電路結(jié)構簡單、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

4、流電能 , 是目前獲得直流電能的主 要方法 , 得到了廣泛應用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上,目前是以交流電為主。電力 網(wǎng)供給用戶的是交流電, 而在許多場合, 例如電解、 蓄電池的充電、 直流電動機 等, 需要用直流電。 要得到直流電, 除了直流發(fā)電機外, 最普遍應用的是利用各 種半導體元件產(chǎn)生直流電。 這個方法中, 整流是最基礎的一步。 整流, 即利用具 有單向?qū)щ娞匦缘钠骷? 把方向和大小交變的電流變換為直流電。 整流的基礎是 整流電路。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

5、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, 而單相全控橋式晶閘管整流電路又有利于夯實基礎, 故我們將單 結(jié)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課程的課程設計的 課題。一、 單相雙半波晶閘管整流電路供電方案的選擇 單相橋式全控整流電路此電路對每個導電回路進行控制,無須用續(xù)流二極管,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。并且單

6、相橋式全控整流電路具有輸出電流脈動小,功率因素高的特點。但是,電 路中需要四只晶閘管,且觸發(fā)電路要分時觸發(fā)一對晶閘管,電路復雜,兩兩晶閘管導通的 時間差用分立元件電路難以控制。單相雙半波可控整流電路單相雙半波可控整流電路又稱單相全波可控整流電路。此電路變壓器是帶中心抽頭的, 在 u 2正半周 T1工作,變壓器二次繞組上半部分流過電流。 u 2負半周, VT2工作,變壓器 二次繞組下半部分流過反方向的電流。 單相全波可控整流電路的 U d波形與單相全控橋的一 樣, 交流輸入端電流波形一樣, 變壓器也不存在直流磁化的問題。當接其他負載時, 也有相 同的結(jié)論。 因此, 單相全波與單相全控橋從直流輸入

7、端或者從交流輸入端看均是一致的。 適 用于輸出低壓的場合作電流脈沖大 (電阻性負載時 。 在比較兩者的電路結(jié)構的優(yōu)缺點以后 決定選用單相全波可控整流電路作為主電路。具體供電方案電源電壓:交流 100V/ 50Hz單相雙半波晶閘管整流電路主電路設計1. 主電路原理圖單相全波整流電路如圖 (a所示,波形圖如圖 (b所示。 圖 (a 單相全波整流電路圖(b 單相全波整流電路及波形圖 根據(jù)圖中 (b可知,單相全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出電壓相同。(1 輸出平均電壓為: 0U L U =12U 2sin td(t=22U 2=0.9 U2 2. 變壓器二次側(cè)電壓的計算電源電壓交流 100/

8、 50Hz , 輸出功率:500W , 移相范圍:0° -180°。 設 R=1.25 , =0°U d =25V 3.變壓器一 、二次側(cè)電流的計算 P=Id²R Id=20AU1/Ud=100/25 N1/N2=4/1 I 1=Id /4=5 A 4.變壓器容量的計算S=U1i 1=100×5=0.5kVA5.變壓器型號的選擇 N1:N2=4:1 ; S=0.5kVA三、 電路元件的選擇整流元件的選擇由于單相雙半波整流帶阻性負載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。(1整流元件中電壓、電流最大值的計算1.

9、晶閘管的主要參數(shù)如下:額定電壓 U NVT(1 斷態(tài)重復峰值電壓 U DRM斷態(tài)重復峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時, 允許重復加在器件上的 峰值電壓。(2反向重復峰值電壓 U RRM反向重復峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時, 允許重復加在器件上的 反向峰值電壓。通常取 U DRM 和 U RRM 中較小的,再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定 電壓。在選用管子時,額定電壓要留有一定裕量,應為正常工作時晶閘管所承受 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 DRMNVTU UU , min=U NVT (23 22U 2 (3-1 U NVT :工作電路中

10、加在管子上的最大瞬時電壓U NVT =(2-322U 2=(141.4-212.1 V通過晶閘管的電流的平均值 I vT(AV額定電流 I NVTIvt(AV=Id /2=10AIm=I Vt(AV=31.4A(2整流元件型號的選擇晶閘管的選擇原則:所選晶閘管電流有效值 I VT 大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。 2. 選擇時考慮(1.52倍的安全裕量。即VT NVT I I 25. 1( /1.57=(19.1-25.5 AINVT =20A 則晶閘管的額定電流為 I NVT =20A. 在本次設計中選用 2個 KP20-2的晶閘管 .四、 保護元件的選擇(1變壓器二次側(cè)熔斷器的選

11、擇采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措 施。在選擇快熔時應考慮:1電壓等級應根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。2電流容量應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?般與電力半導體器件串聯(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 t I 2值應小于被保護器件的允許 t I 2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。因為晶閘管的額定電流為 20A, 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 30A 。(2晶閘管保護電路的選擇1 過電流保護當電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件

12、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行適當?shù)倪^電流保護。 2 過電壓保護設備在運行過程中, 會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓 的侵襲。 同時, 設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。 因此, 必須 對電力電子裝置進行適當?shù)倪^電壓保護。(3保護電路原理圖及工作原理圖 4.0 過流、 過電壓保護電路五、 單相雙半波整流電路的相控觸發(fā)器電路 (1相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理 晶閘

13、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: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 。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。 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路:由單結(jié)晶體管構成的觸發(fā)電路具有簡單、 可靠、 抗干擾能力強、 溫度補償性 能好, 脈沖前沿徒等優(yōu)點, 在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應用。 他由自激 震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成,電路圖如圖 5.0所示。(2相控觸發(fā)芯片

14、的選擇相控觸發(fā)電路芯片選擇 KJ004集成觸發(fā)電路芯片構成的集成觸發(fā)器 KJ004可控硅移相電路 可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中 , 作 可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。器件輸出兩路相差 180度的移相脈沖 , 可以方便地 構成全控橋式觸發(fā)器線路。 電路具有輸出負載能力大、 移相性能好、 正負半周脈 沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低 , 有脈沖列調(diào)制輸出端等功能 與特點。 六、 單相雙半波整流電路設計 總設計結(jié)果(1 晶閘管工作原理晶閘管由四層半導體 (P 1、 N 1、 P 2、 N 2 組成, 形成三個結(jié) J 1(P 1N 1 、 J 2(N 1P 2 、 J

15、3(P 2N 2 ,并分別從 P 1、 P 2、 N 2引入 A 、 G 、 K 三個電極,如圖 6.0(左 所示。由 于具有擴散工藝,具有三結(jié)四層結(jié)構的普通晶閘管可以等效成如圖 6.0(右所 示的兩個晶閘管 T 1(P 1-N 1-P 2和(N 1-P 2-N 2組成的等效電路。 圖 6.0 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構和等效電路一個 PNPN 四層結(jié)構的兩端器件,可以看成電流放大系數(shù)分別為 1和 2的211P N P 和 221N P N 晶體管,其中 2J 結(jié)為共用集電結(jié)。當器件加正向電壓時。正偏 1J 結(jié)注入空穴經(jīng)過 1N 區(qū)的輸運,到達集電極結(jié)(2J 空穴電流為 A I 1;而正偏的 3J 結(jié)注

16、入電子,經(jīng)過 2P 區(qū)的輸運到達 2J 結(jié)的電流為 K I 2。由于 2J 結(jié)處于反 向,通過 2J 結(jié)的電流還包括自身的反向飽和電流 CO I 。晶閘管導通與關斷兩個狀態(tài)是由陽極電壓、陽極電流和門極電流共同決定 的。通常用伏安特性曲線來描述它們之間的關系,如圖 6.3所示。圖 6.1 晶閘管的伏安特性曲線 當晶閘管 V AK 加正向電壓時， J 1 和 J 3 正偏， J 2 反偏，外加電壓幾乎全部降 落在 J 2 結(jié)上， J 2 結(jié)起到阻斷電流的作用。隨著 V AK 的增大，只要 V AK < V BO ，通 過陽極電流 I A 都很小， 因而稱此區(qū)域為正向阻斷狀態(tài)。 V AK 增大

17、超過 V BO 以后， 當 陽極電流突然增大，特性曲線過負阻過程瞬間變到低電壓、大電流狀態(tài)。晶閘管 流過由負載決定的通態(tài)電流 I T ，器件壓降為 1V 左右，特性曲線 CD 段對應的狀 態(tài)稱為導通狀態(tài)。通常將 V BO 及其所對應的 I BO 稱之為正向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。 晶閘管導通后能自身維持同態(tài)， 從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)，通常是不用門極信號而是由 外部電路控制，即只有當電流小到稱為維持電流 I H 的某一臨界值以下，器件才 能被關斷。 當晶閘管處于斷態(tài)（ V AK < V BO ）時，如果使得門極相對于陰極為正，給門 極通以電流 I G ，那么晶閘管將在較低的電壓下轉(zhuǎn)折導通。轉(zhuǎn)折電壓

18、V BO 以及轉(zhuǎn) 電流 I BO 都是 I G 的函數(shù)， I G 越大， V BO 越小。如圖 3 所示，晶閘管一旦導通后， 即使去除門極信號，器件仍然然導通。 當晶閘管的陽極相對于陰極為負，只要 V AK < V RO ， I A 很小，且與 I G 基本無 關。但反向電壓很大時（ V AK » V RO ） ，通過晶閘管的反向漏電流急劇增大，表現(xiàn) 出晶閘管擊穿，因此稱 V RO 為反向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。 （2）總電路的原理框圖 11 系統(tǒng)原理方框圖如圖所示： (3總電路原理圖 (4總電路工作原理 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 12 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， 我們選擇學過的單相全波整流電路。 該電路的結(jié)構和工作原理是利用晶閘管的開關特性實現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ堋?觸發(fā)電路