電力電子學課程設計說明書單相半控橋式晶閘管整流電路的設計

1、北京交通大學海濱學院電力電子學課程設計說明書單相半控橋式晶閘管整流電路的設計（阻感負載）學生姓名 劉楷鵬 .學號 09142087 .專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級 0902 指導教師 楊國慶 .完成時間 2012-5-10 .摘要 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的直流電源,而相控整流電路結構簡單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應用。但是晶雜管相控整流電路中隨著觸發(fā)角的增大，電流中諧波分量相應增大，因此功率因素很低。把逆變電路中的SPWM控制技術用于整流電路，就構成了

2、PWM整流電路。通過對PWM整流電路的適當控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因素近似為1。這種整流電路稱為高功率因素整流器，它具有廣泛的應用前景。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，而三相晶閘管半控整流電路又有利于夯實基礎，故我們單結晶體管觸發(fā)的單相晶閘管半控整流電路這一課題作為這一課程的課程設計的課題。關鍵詞

3、：電力電子 相控流 PWM 整流 課程設計目錄1. 摘要22. 設計目的與要求4.3. 電器元件選擇54. 輔助電路的設計64.1 驅動電路的設計4.2 保護電路的設計 4.4 電流上升率、電壓上升率的抑制保護5. 主體電路的設計13單相半控式晶閘管整流電路圖主電路設計與原理分析6. 設計總結157. 參考文獻168.附錄 16 參數(shù)計算二設計目的與要求 “電力電子技術”課程設計時在教學及實驗的基礎上，對課程所學理論知識的深化高。因此，要求學生能綜合應用所學知識，設計出符合條件的電路，能夠全面地鞏固和應用本課程所學基本理論和基本方法，并初步掌握電路設計的基本方法。培養(yǎng)學生獨立思考，獨立收集資料

4、，獨立設計的能力。2.2 變壓器二次側電壓的計算 根據(jù)設計要求：電源電壓：交流100V/50Hz；輸出功率：500W；移相范圍：0°-180°。設R=5，=30o 由 得 U0=50V i0= U0/R=50/5=10A,2.3 變壓器一，二側電流的計算變壓器二次側電流:i2= i0=10A由得:變壓器二次側電壓：U2=62V由得：i1=2.4 變壓器容量的計算 變壓器容量:S=U1*i1=100*6.2=620VA2.5 變壓器型號的選擇 選擇匝數(shù)比N1/N2=50/31，容量S=620VA的變壓器。三 . 電路元件的選擇由于單相交流調壓主電路主要元件是晶閘管，所以選取元

5、件時主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。晶閘管電壓、電流最大值的計算1).晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UNVT通常取UDRM和URRM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 UNVT （23）U2 UNVT ：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓 UNVT=(23)U2=263V額定電流INVT通過晶閘管的電流的平均值IdvT Idvt=i2/2=5AIm=IdVt=晶閘管型號的選擇晶閘管的選擇原則：所選晶閘管電流有效值IVT大于元件 在電路中可能流過的最大電流有效值。、 選擇時考慮（1.

6、52）倍的安全余量。即 INVT =10A 則晶閘管的額定電流為INVT=10A(輸出電流的有效值為最小值，所以該額定電流也為最小考慮到2倍裕量,取20A.即晶閘管的額定電流至應大于20A.在本次設計中選用2個KP20-4的晶閘管.四 . 驅動電路的設計觸發(fā)電路的論證與選擇.1單結晶體管的工作原理單結晶體管原理單結晶體管（簡稱UJT）又稱基極二極管，它是一種只有PN結和兩個電阻接觸電極的半導體器件，它的基片為條狀的高阻N型硅片，兩端分別用歐姆接觸引出兩個基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側用合金法制作一個P區(qū)作為發(fā)射極e。其結構，符號和等效電如下圖所示。結晶體管的特性從圖一可以看出，兩基極b

7、1和b2之間的電阻稱為基極電阻。Rbb=rb1+rb2式中：Rb1第一基極與發(fā)射結之間的電阻，其數(shù)值隨發(fā)射極電流ie而變化，rb2為第二基極與發(fā)射結之間的電阻，其數(shù)值與ie無關；發(fā)射結是PN結，與二極管等效。若在兩面三刀基極b2，b1間加上正電壓Vbb，則A點電壓為：VA=rb1/（rb1+rb2）vbb=（rb1/rbb）vbb=Vbb式中：稱為分壓比，其值一般在0.30.85之間，如果發(fā)射極電壓VE由零逐漸增加，就可測得單結晶體管的伏安特性，見圖二：（1）當VeVbb時，發(fā)射結處于反向偏置，管子截止，發(fā)射極只有很小的漏電流Iceo。（2）當VeVbb+VD VD為二極管正向壓降（約為0.7

8、V），PN結正向導通，Ie顯著增加，rb1阻值迅速減小，Ve相應下降，這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負阻特性。管子由截止區(qū)進入負阻區(qū)的臨界P稱為峰點，與其對應的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點電壓Ip和峰點電流Ip。Ip是正向漏電流，它是使單結晶體管導通所需的最小電流，顯然Vp=Vbb。（3）隨著發(fā)射極電流Ie的不斷上升，Ve不斷下降，降到V點后，Ve不再下降了，這點V稱為谷點，與其對應的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點電壓Vv和谷點電流Iv。（4）過了V后，發(fā)射極與第一基極間半導體內的載流子達到了飽和狀態(tài)，所以uc繼續(xù)增加時，ie便緩慢的上升，顯然Vv是維持單結晶體管導通的最小發(fā)射極電壓，如

9、果VeVv，管子重新截止。單結晶體管的主要參數(shù)（1）基極間電阻Rbb發(fā)射極開路時，基極b1，b2之間的電阻，一般為2-10千歐，其數(shù)值隨溫度的上升而增大。（2）分壓比由管子內部結構決定的參數(shù)，一般為0.3-0.85。（3）eb1間反向電壓Vcb1 b2開路，在額定反向電壓Vcb2下，基極b1與發(fā)射極e之間的反向耐壓。（4）反向電流Ieo b1開路，在額定反向電壓Vcb2下，eb2間的反向電流。（5）發(fā)射極飽和壓降Veo在最大發(fā)射極額定電流時，eb1間的壓降。（6）峰點電流Ip單結晶體管剛開始導通時，發(fā)射極電壓為峰點電壓時的發(fā)射極電流。觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調制觸發(fā)等

10、。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求： 1）觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。2）觸發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。3）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。4）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。.1 單結晶體管觸發(fā)電路由單結晶體管構成的觸發(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。.2 單結晶體管自激震蕩電路利用單結晶體管的負阻特性與RC電路的充放電可組成自激振蕩電路，產(chǎn)

11、生頻率可變的脈沖。經(jīng)D1-D2整流后的直流電源UZ一路徑R2、R1加在單結晶體管兩個基極b1、b2之間，另一路通過Re對電容C充電，發(fā)射極電壓ue=uc按指數(shù)規(guī)律上升。Uc剛沖點到大于峰點轉折電壓Up的瞬間，管子e-b1間的電阻突然變小，開始導通。電容C開始通過管子e-b1迅速向R1放電，由于放電回路電阻很小，故放電時間很短。隨著電容C放電，電壓Ue小于一定值，管子BT又由導通轉入截止，然后電源又重新對電容C充電，上述過程不斷重復。在電容上形成鋸齒波震蕩電壓，在R1上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖脈沖us， 其震蕩頻率為f=1/T=1/ReCLn(1/1-)式中=0.30.9是單結晶體管的分壓比。

12、即調節(jié)Re，可調節(jié)振蕩頻率圖.2 單結晶體管觸發(fā)電路及波形同步電源步電壓又變壓器TB獲得，而同步變壓器與主電路接至同一電源，故同步電壓于主電壓同相位、同頻率。同步電壓經(jīng)橋式整流、穩(wěn)壓管DZ削波為梯形波uDZ,而削波后的最大值UZDZ過零時,電容C經(jīng)e-b1、R1迅速放電到零電壓.這就是說,每半周開始,電容C都從零開始充電,進而保證每周期觸發(fā)電路送出第一個脈沖距離過零的時刻(即控制角)一致,實現(xiàn)同步.移相控制當Re增大時，單結晶體管發(fā)射極充電到峰點電壓Up的時間增大，第一個脈沖出現(xiàn)的時刻推遲，即控制角增大，實現(xiàn)了移相。脈沖輸出 觸發(fā)脈沖ug由1直接取出，這種方法簡單、經(jīng)濟，但觸發(fā)電路與主電路有直

13、接的電聯(lián)系，不安全。對于晶閘管串聯(lián)接法的全控橋電路無法工作。所以一般采用脈沖變壓器輸出。 保護電路的論證與選擇電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時可能會發(fā)生過流、過壓，造成開關器件的永久性損壞。過流、過壓保護包括器件保護和系統(tǒng)保護兩個方面。檢測開關器件的電流、電壓，保護主電路中的開關器件，防止過流、過壓損壞開關器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出及負載的電流、電壓，實時保護系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護電路，檢測設備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內工作于有源逆變工作狀態(tài)

14、，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。過電流保護當電力電子變流裝置內部某些器件被擊穿或短路；驅動、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負載過載；直流側短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變失?。灰约敖涣麟娫措妷哼^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。采用快速熔斷器作過電流保護。熔斷器是最簡單的過電流保護元件，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

15、作用最好，這里就應用這一方法快熔抑制過電流電路圖如下圖所示：A型熔斷器特點：是熔斷器與每一個元件串連，能可靠的保護每一個元件。B型熔斷器特點：能在交流、直流和元件短路時起保護作用，其可靠性稍有降低C型熔斷器特點：直流負載側有故障時動作，元件內部短路時不能起保護作用對于第二類過流，即整流橋負載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，則應當采用電子電路進行保護。常見的電子保護原理圖如所示4.3 過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)。過電壓保護的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加

16、以抑制。 阻容三角抑制過電壓 壓敏電阻過壓 過電壓保護的第二種方法是采用電子電路進行保護。過電壓保護電路4.4 電流上升率、電壓上升率的抑制保護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/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。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如下圖:串聯(lián)電感抑制回路2）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

17、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：圖4.5并聯(lián)R-C阻容吸收回。五主體電路的設計 單相半控式晶閘管整流電路圖如圖所示，其兩臂的二極管被晶閘管取代，在電壓器副邊電壓u的正半周期時，T1和D2承受正向電壓。這是如對晶閘管T1引發(fā)觸發(fā)信號，則T1和D2導通，T2和D1承受反向電壓而截止。同樣在電壓u的負半周期時，T2和D1承受正向電壓。這是晶閘管T2引入觸發(fā)信號，則T2和D1導通。這是T1 D2處于截止狀態(tài)，電壓與波形如圖所示 單相半控式晶閘管整流電路雖本身有自然續(xù)流能力，

18、但在實際中突然把觸發(fā)角增大，或突然切斷觸發(fā)電路時會發(fā)生正在導通的晶閘管一直導通，兩個二極管輪流導通的現(xiàn)象。此時出發(fā)信號對輸出電壓失去控制作用，稱為失控，這在使用中是不允許的，為消掉失控現(xiàn)象，需另接續(xù)流二極管VD。5.2 主電路設計與原理分析 原理圖分析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

19、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。六設計總結 通過單相半控橋式晶閘管整流電路的設計，使我加深了對整流電路的理解，讓我對電力電子該課程產(chǎn)生了濃烈的興趣。學習了很多書本上沒有的知識，也對課本知識進行

20、了強化和更深的理解，更讓我感受到學習不知識一味的書本理性知識還要通過實踐才能記憶更扎實更牢靠。對于一個電路的設計，首先應該對它的理論知識很了解，這樣才能設計出性能好的電路。整流電路中，開關器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關鍵的，開關器件和觸發(fā)電路選擇的好，對整流電路的性能指標影響很大。在這次課程設計過程中，碰到的難題就是保護電路的設計。因為保護電路的種類較多，因此要選擇一個適合本課題的保護電路就比較難。同時在課程設計在制作過程中得到老師與同學們對我的耐心指導、幫助與大力支持這樣我才能將課程設計順利地做完。 有這樣一個動手的機會，讓我得到實踐的機會?？傊ㄟ^這次課程設計，讓我們對這門課更

21、加了解，增強了自信，對以后工作和學習都有很大幫助。七參考文獻1、樊立萍，王忠慶.電力電子技術.北京:北京大學出版社,20062、徐以榮，冷增祥.電力電子技術基礎.南京：東南大學出版社，19993、王兆安,黃俊.電力電子技術.北京：機械工業(yè)出版社,20054、童詩白.模擬電子技術.北京:清華大學出版社, 20015、閻石.數(shù)字電子技術.北京:清華大學出版社, 19986、邱關源.電路.北京：高等教育出版社，19997、龔素文.電力電子技術.北京：北京理工大學出版社，2009八.附錄 參數(shù)計算8.1 單相半控橋式晶閘管可控整流電路（阻感負載）（無續(xù)流二極管） 1）電源電壓：交流100V/50Hz；2）輸出功率：500W；3）移相范圍：0°180°。輸出電壓平均值：U2輸出電流平均值：= Ud/R流過晶閘管電流有效值I= /波形系數(shù)：K= I/=/2交流側相電流的有效值:I=·I令0時，U2=100V，P出=500W。Ud2(1+)/2=90V，