成稿單相半控橋式晶閘管整流電路課程設計

1、 電力電子 課 程 設 計 單相半控橋式晶閘管整流電路設計 （帶續(xù)流二極管、反電勢 電阻負載） 院 別： 機械與電子工程學院 專業(yè)年級： 電氣工程自動化姓 名： 學 號： 指導老師： 起止日期： 1.設計任務書一、設計題目單相半控橋式晶閘管整流電路設計（帶續(xù)流二極管、反電勢、電阻負載）二、設計目的 通過電力電子變流技術的課程設計達到以下幾個目的： 1、培養(yǎng)學生文獻檢索的能力，特別是如何利用internet檢索需要的文獻資料。2培養(yǎng)學生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3、培養(yǎng)學生運用知識的能力和工程設計的能力。4、培養(yǎng)學生運用仿真工具的能力和方法。5、提高學生課程設計報告撰寫水平。三、設

2、計數(shù)據(jù): 1、電源電壓：交流100v/50hz 2、輸出功率：500w 3、移相范圍30150 4、反電勢：e=70v四、設計內(nèi)容： 單相半控橋式晶閘管整流電路的設計 （帶續(xù)流二極管）（反電勢、電阻負載）五、設計要求（1）畫出電路原理圖（2）完成參數(shù)計算六、課程設計報告要求課程設計用紙和格式統(tǒng)一，要求圖表規(guī)范，文字通順，邏輯性強。設計報告不少于20頁。1、設計的基本要求（給出所要設計的裝置的主要技術數(shù)據(jù)和設計裝置要達到的要求（包括性能指標），最好劍術所設計裝置的主要用途）2、總體方案的確定（包括調(diào)制方式，pwm控制方法，主電路形式確定等）3、具體電路設計（主電路設控制電路設計以及參數(shù)計算等）4

3、、附錄（電路圖，仿真結(jié)果圖等）5、參考文獻前 言電力電子學,又稱功率電子學(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

4、、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。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。故其學習方法與電子技術和控制技術有很多相似之

5、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。 我們知道，單相整流器的電路形式是各種各樣的，整流的結(jié)構也是比較多的。單相橋式半控整流電路，對每個導電回路進行控制，相對于全控橋而言少了一個控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗！故我們將單結(jié)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。第一章 單相半控橋式整流電路供電方案的選擇1.1 具體供電方案電源電壓：交流100v/50hz第二章 單相半控橋式（反電動勢、電阻負載）整流電路主電路設計2.1主電路原理圖波 形 圖：2.2變壓器二次側(cè)電壓的計算電源電壓：交流100v/50hz，輸出功率：500kw，

6、移相范圍30150，反電勢：e=70v。設r=52.3變壓器一 、二次側(cè)電流的計算p=ud/r ud=50v。p=idr, id=10au1/u2=220/100=11/5, n1/n2=11/5i2=5id /6=25/3a2.4變壓器容量的計算s=u1i1=10025/3=833.33kv.a2.5變壓器型號的選擇n1:n2=11/5, s=833.33kv.a第三章 電路元件的選擇3.1整流元件的選擇由于單相橋式半控反電動勢、電阻負載電路主要器件是晶閘管，所以選取元件時主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。3.1.1晶閘管的結(jié)構晶閘管是大功率的半導體器件，從總體結(jié)構上看，可區(qū)分為管芯及散熱器

7、兩大部分，分別如圖1-6及圖1-7所示。 a） 螺栓型 b）平板型 c）符號圖晶閘管管芯及電路符號表示管芯是晶閘管的本體部分，由半導體材料構成，具有三個與外電路可以連接的電極：陽極，陰極和門極（或稱控制極），其電路圖中符號表示如圖1-6c）所示。散熱器則是為了將管芯在工作時由損耗產(chǎn)生的熱量帶走而設置的冷卻器。按照晶閘管管芯與散熱器間的安裝方式，晶閘管可分為螺栓型與平板型兩種。螺栓型（圖1-6a）依靠螺栓將管芯與散熱器緊密連接在一起，并靠相互接觸的一個面?zhèn)鬟f熱量。a）自冷 b）風冷 c）水冷 圖晶閘管的散熱器晶閘管管芯的內(nèi)部結(jié)構如圖1-3所示，是一個四層（p1n1p2n2）三端（a、k、g）的功

8、率半導體器件。它是在n型的硅基片（n1）的兩邊擴散型半導體雜質(zhì)層（p1、p2），形成了兩個pn結(jié)j1、j2。再在p2層內(nèi)擴散型半導體雜質(zhì)層n2又形成另一個pn結(jié)j3。然后在相應位置放置鉬片作電極，引出陽極a，陰極k及門極g，形成了一個四層三端的大功率電子元件。這個四層半導體器件由于三個pn結(jié)的存在，決定了它的可控導通特性。3.1.2晶閘管的工作原理通過理論分析和實驗驗證表明：1） 只有當晶閘管同時承受正向陽極電壓和正向門極電壓時晶閘管才能導通，兩者不可缺一。2） 晶閘管一旦導通后門極將失去控制作用，門極電壓對管子隨后的導通或關斷均不起作用，故使晶閘管導通的門極電壓不必是一個持續(xù)的直流電壓，只要

9、是一個具有一定寬度的正向脈沖電壓即可，脈沖的寬度與晶閘管的開通特性及負載性質(zhì)有關。這個脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。3） 要使已導通的晶閘管關斷，必須使陽極電流降低到某一數(shù)值之下（約幾十毫安）。這可以通過增大負載電阻，降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實現(xiàn)。這個能保持晶閘管導通的最小電流稱為維持電流，是晶閘管的一個重要參數(shù)。晶閘管為什么會有以上導通和關斷的特性，這與晶閘管內(nèi)部發(fā)生的物理過程有關。晶閘管是一個具有p1n1p2n2四層半導體的器件，內(nèi)部形成有三個pn結(jié)j1、j2、j3，晶閘管承受正向陽極電壓時，其中j1、j3承受反向阻斷電壓，j2承受正向阻斷電壓。這三個pn結(jié)的功能可以看作是一個p

10、np型三極管vt1（p1n1p2）和一個npn型三極管vt2（n1p2n2）構成的復合作用，如圖1-9所示。圖晶閘管的等效復合三極管效應可以看出，兩個晶體管連接的特點是一個晶體管的集電極電流就是另一個晶體管的基極電流，當有足夠的門極電流ig流入時，兩個相互復合的晶體管電路就會形成強烈的正反饋，導致兩個晶體管飽和導通，也即晶閘管的導通。如果晶閘管承受的是反向陽極電壓，由于等效晶體管vt1、vt2均處于反壓狀態(tài)，無論有無門極電流ig，晶閘管都不能導通。3.13晶閘管的基本特性1靜態(tài)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

11、的陽極伏安特性表示晶閘管陽極與陰極之間的電壓uak與陽極電流ia之間的關系曲線，如圖1-10所示。圖6.5 晶閘管陽極伏安特性正向阻斷高阻區(qū)；負阻區(qū)；正向?qū)ǖ妥鑵^(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?qū)顟B(tài)。（2） 門極伏安特性晶閘管的門極與陰極間存在著一個pn結(jié)j3，門極伏安特性就是指這個pn結(jié)上正向門極電壓ug與門極電流ig間的關系。由于這個結(jié)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1-11陰影

12、區(qū)域所示。 圖6.6 晶閘管門極伏安特性2動態(tài)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，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(zhuǎn)為導通的過程為開通過程。圖1-12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it的10%所需的時間稱為延遲時間td，而陽極電流從10%it上升到90%it所需的時間稱為上升時間tr，延遲時間與上升時間之和為晶閘管的開通時

13、間tgt=td+tr，普通晶閘管的延遲時間為0.51.5s，上升時間為0.53s。延遲時間隨門極電流的增大而減少，延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。圖6.7 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irm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

14、阻斷能力。3.14整流元件中電壓、電流最大值的計算uta=(23)u2=2100=400vi=(1.52)k id=20.7510=15a3.15整流元件型號的選擇晶閘管的型號為：kp15-4第四章 保護元件的選擇4.1變壓器二次側(cè)熔斷器的選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。快熔一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）快熔的值應小于被保護器件的允許值、4）為保證熔體在正常過載情況下不熔化

15、，應考慮其時間電流特性。因為晶閘管的額定電流為10a,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15a。4.2晶閘管保護電路的選擇4.2.1過電流保護當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。4.2.2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)。因此

16、，必須對電力電子裝置進行適當?shù)倪^電壓保護。4.3保護電路原理圖及工作原理圖4.3 過流保護原理圖圖4.3過電壓保護電路第五章 單相半控橋式晶閘管整流電路的相控觸發(fā)電路5.1相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理單結(jié)晶體管觸發(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(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)

17、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，電路圖如圖所示。第六章 單相半控橋式晶閘管整流電路設計 總設計結(jié)果6.1總電路的原理框圖 系統(tǒng)原理方框圖如圖所示：6.2總電路原理圖6.3總電路工作原理該電路主要由主電路和觸發(fā)電路構成，輸入的信號市電220v經(jīng)變壓器變壓后變?yōu)?00v，由觸發(fā)電路來控制導通角。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

18、路的整流作用。加續(xù)流二極管是為了防止整流失控。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半控橋式整流電路?？偨Y(jié)： 通過單相半控橋式整流電路的設計，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。 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，碰到的難題就是對晶閘管的相關參數(shù)的計算，因為在學習中沒能很好的系統(tǒng)的總結(jié)晶閘管相關知識。在整個課程設計中貫穿的計算過程沒能很好的把握。在今后的學習中要認真總結(jié)經(jīng)驗，對電力電子課程進行補充。為以后深入的學習電氣工程及其自動化專業(yè)