單相雙半波晶閘管整流電路設(shè)計..

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書單相雙半波晶閘管整流電路設(shè)計（純電阻負(fù)載）系、部：機(jī)電工程系學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：專業(yè)：自動化組員：喬壘壘喬兀培班級：自動化1002班完成時間：2012年12月11日電力電子技術(shù)，又稱“功率電子學(xué)”（英文：Power Electronics），簡稱 PE,是應(yīng)用于電力領(lǐng)域，使用電力電子元件對電能進(jìn)行變換和控制的電子技術(shù)。 電力電子技術(shù)分為電力電子元件制造技術(shù)和變流技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的 “電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息 處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力變換。1974年，美國的W. Newell提出：電力電子學(xué)

2、是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論 三個學(xué)科交叉而行成。這一觀點被全世界普遍接受。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(gòu)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(xué)在強(qiáng)電（高電壓、大電流）或電工領(lǐng)域的一個分支，又 是電工學(xué)在弱電（低電壓、小電流）或電子領(lǐng)域的一個分支，或者說是強(qiáng)弱電相結(jié) 合的新科學(xué)。電力電子學(xué)是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領(lǐng)域的一個 新興工程技術(shù)學(xué)科。電力電子技術(shù)自誕生已來，以其應(yīng)用范圍廣泛，迅速的發(fā)展起來，但是我 們在關(guān)心電力電子技術(shù)發(fā)展的過程中，不難發(fā)現(xiàn)，電力電子技術(shù)之所以會迅速的 發(fā)展起來，是因為其實用性高，應(yīng)用范圍廣，所以電力電

3、子工作者要去挖掘電力 電子的新作用，同時也要關(guān)心電力電子技術(shù)的未來走向，積極關(guān)注本行業(yè)的最新 成果。現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力 電子學(xué)，向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù) 起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆 變器時代和變頻器時代，并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代 末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高 壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代 電力電子時代。由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力

4、技術(shù)領(lǐng)域，利用 半導(dǎo)體電力開關(guān)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(gòu)成的一 門完整的學(xué)科。故其學(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) 好這門課就必須做好課程設(shè)計，因而我們進(jìn)行了此次課程設(shè)計。又因為整流電路 應(yīng)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(chǔ)，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(shè)計的 課題。 TOC o 1-5 h z 1設(shè)計要求4 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 1.1設(shè)計課題目4 HYPERLINK l bookmark19 o Current Doc

5、ument 1.2技術(shù)要求4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2設(shè)計方案的選擇4 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.1單相雙半波晶閘管整流電路供電方案的選擇4 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 2.2單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計5 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 3 元件的選擇6 HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 3.1電路元件的選擇

6、7 HYPERLINK l bookmark87 o Current Document 3.2、保護(hù)元件的選擇8 HYPERLINK l bookmark109 o Current Document 4單相雙半波整流電路的相控觸發(fā)器電路94.1、相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理9 HYPERLINK l bookmark113 o Current Document 4.2、相控觸發(fā)芯片的選擇9 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 4.3、芯片引腳功能10 HYPERLINK l bookmark124 o Current Document 5單相雙

7、半波整流電路總設(shè)計結(jié)果11 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 5.1晶閘管工作原理11 HYPERLINK l bookmark131 o Current Document 5.2總電路的原理框圖13 HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 5.3總電路原理圖13 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 5.4總電路工作原理14 HYPERLINK l bookmark137 o Current Document 5.5繪制輸出波形（即Ud,id波形）1

8、4 HYPERLINK l bookmark140 o Current Document 5.6繪制觸發(fā)信號波形146 設(shè)計總侖吉16附錄1、設(shè)計要求1.1、設(shè)計課題目單相雙半波晶閘管整流電路設(shè)計(純電阻負(fù)載)1.2、技術(shù)要求1、單相雙半波晶閘管整流電路的設(shè)計要求為: 負(fù)載為阻性負(fù)載.2、技術(shù)要求：電網(wǎng)供電電壓：交流100V/50Hz；輸出功率：500W；移相范圍：0180；設(shè)計方案的選擇2. 1、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(dǎo)電回路進(jìn)行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個半周

9、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O云?。郝芬謺r觸發(fā)一對晶閘管，電路復(fù)雜， 兩兩晶閘管導(dǎo)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u2正半周T1工作，變壓器二次繞組上半部分流過電流。u2負(fù)半 周，VT2H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Ud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

10、直流磁化的問題。當(dāng)接其他負(fù)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(fù)載時)。在比較兩者的電路結(jié)構(gòu)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/ 50Hz2.2、單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計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。(A)電幡裁堪圖根據(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同。(1)輸出平均電壓為：1 r -,、趴域艮HD = L = - v2U;sir.vtdG-vt) = IV =

11、0.9U；n Jo(2)流過負(fù)載的平均電流為：=二二T二極管所承受的最大反向電壓為：URmax=2j2U2單相全波整流電路的脈動系數(shù)s與單相橋式整流電路相同：s二冬J.： = 2 =0.673 兀n 3在單相全波整流電路的變壓器中，只有交流電流流過;而在半波和橋式整流 電路中，均有直流分量流過。單相全波整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和橋式 整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源中。變壓器二次測電壓的計算電源電壓交流100/ 50Hz，輸出功率500W，移相范圍：0 -180。設(shè)R=1.25Q , a=0 所以 p =Ud2/RUd =25V變壓器一二次側(cè)電流的計算P=Id2R Id=20AU1/Ud=

12、100/25N1/N2=4/1Ii=Id/4=5 A變壓器容量的計算S=U1i100X5=0.5kVA變壓器型號的選擇N1:N2=4： 1 ; S=0.5kVA元件的選擇3.1、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(fù)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。整流元件中電壓、電流最大值的計算晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UNVT斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的 峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM反向重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的 反向峰值電壓。通常取udrm

13、和urrm中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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。晶閘管的額定電壓七.=皿1叫潮，Urrm UNVT N(23) 2 顯 U2(3-1)U；T：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓U =(23)2J2U= (141.4-212.1) V通過晶閘管的電流的平均值IvT(AV)額定電流INVT1*枷=1/2=10入Im= n )=314、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)載流過正弦半波、導(dǎo)通角不小于170的電路中，結(jié)溫不超過額 定結(jié)溫

14、時，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 電流等級即為晶閘管的額定電流。要注意的是若晶閘管的導(dǎo)通時間遠(yuǎn)小于正弦波的半個周期，即使正向電流值 沒有超過額定值，但峰值電流將非常大，可能會超過管子所能提供的極限，使管 子由于過熱而損壞。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、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(1.52)倍的安全裕量。即InvtN(1.52)1/1.57二(19.1-25.5) A、=20A則晶閘管的額定電流為Invt=20A.在本次設(shè)計中選用2個KP20-2的晶閘管.3.2、保護(hù)元件的選擇變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇采用快速熔

15、斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措 施。在選擇快熔時應(yīng)考慮：1）電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。2）電流容量應(yīng)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(dǎo)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I 21值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許121值、4）為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)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。晶閘管保護(hù)電路的選擇1）過電流保護(hù)當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動、觸發(fā)電路或

16、控制電 路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負(fù)載過載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變失?。灰?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(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。2）過電壓保護(hù)設(shè)備在運(yùn)行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓 的侵襲。同時，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)。因此，必須 對電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電壓保護(hù)。保護(hù)電路原理圖及工作原理過流、過電壓保護(hù)電路如圖三4、單相雙半波整流電路的相控觸發(fā)器電路4.1、相控觸發(fā)芯片的選擇相控觸發(fā)電路芯片選擇KJ004集成觸發(fā)電路芯片構(gòu)成的集成觸發(fā)器KJ004 可控硅移

17、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(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)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。4.2、芯片引腳功能功能輸 出空鋸齒波形 成-Vee(lkQ)空地同步輸 入綜合比 較空微分阻 容封鎖調(diào) 制輸 出+Vcc引線腳 號12345678910111213141516表一晶閘管觸發(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

18、號應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后， 陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)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(gòu)成的觸發(fā)電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、溫度補(bǔ)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(yīng)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V四所示。5、單相雙半波整流電路總設(shè)計結(jié)果5.1晶閘管工作原理晶閘管由四層半導(dǎo)體(P、N、P、N)組成，形成三個結(jié)J (PN)、J (NP)、1122111212J (P

19、N ),并分別從P、P、N引入A、G、K三個電極，如圖V五(a)所示。由 32 2122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V五(b)所示的兩個晶閘管T (P-N P )和111- 2(N1-P2-N2)組成的等效電路。h)圖V五晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路一個PNPN四層結(jié)構(gòu)的兩端器件，可以看成電流放大系數(shù)分別為a 1和a 2的 TOC o 1-5 h z PNP和NPN晶體管，其中J結(jié)為共用集電結(jié)。當(dāng)器件加正向電壓時。正偏 11 21 222J結(jié)注入空穴經(jīng)過N區(qū)的輸運(yùn)，到達(dá)集電極結(jié)(J )空穴電流為a I ;而正偏 1121 A的J結(jié)注入電子，經(jīng)過P區(qū)的輸運(yùn)到達(dá)J結(jié)的電

20、流為a I。由于J結(jié)處于反3222 K2向，通過J 2結(jié)的電流還包括自身的反向飽和電流1書晶閘管導(dǎo)通與關(guān)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(guān)系，如圖V六所示。圖V六晶閘管的伏安特性曲線當(dāng)晶閘管V加正向電壓時，J和J正偏，J反偏，外加電壓幾乎全部降 AK132落在J2結(jié)上，J2結(jié)起到阻斷電流的作用。隨著VAK的增大，只要VAK匕。，通 過陽極電流IA都很小，因而稱此區(qū)域為正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)VAK增大超過匕。以后， 陽極電流突然增大，特性曲線過負(fù)阻過程瞬間變到低電壓、大電流狀態(tài)。晶閘管 流過由負(fù)載決定的通態(tài)電流IT，器件壓降為1V左右，特性曲線C

21、D段對應(yīng)的狀 態(tài)稱為導(dǎo)通狀態(tài)。通常將匕。及其所對應(yīng)的I。稱之為正向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。 晶閘管導(dǎo)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(dāng)電流小到稱為維持電流Ih的某一臨界值以下，器件才 能被關(guān)斷。當(dāng)晶閘管處于斷態(tài)-時，如果使得門極相對于陰極為正，給門極通以電流IG，那么晶閘管將在較低的電壓下轉(zhuǎn)折導(dǎo)通。轉(zhuǎn)折電壓VB。以及轉(zhuǎn)電流IBO都是IG的函數(shù)，IG越大，VB。越小。如圖3所示，晶閘管一旦導(dǎo)通后， 即使去除門極信號，器件仍然然導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管的陽極相對于陰極為負(fù)，只要】.艾：二：，IA很小，且與Ig基本無關(guān)。 但反向電壓很大時二；一，通過晶閘管的反向漏電流急劇增大，表現(xiàn)出晶閘 管擊穿，因此稱匕。為反向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。5.2總電路的原理框圖系統(tǒng)原理方框圖如圖v七所示:圖v七5.3總電路原理圖&1TD-U-1TD圖八5.4總電路工作原理該電路主要由四部分構(gòu)成，分別為電源，過電保護(hù)電路，整流電路和觸發(fā)電 路構(gòu)成。輸入的信號經(jīng)變壓器變壓后通過過電保護(hù)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(fù)載。在電路中還加了防雷