單相全控橋式整流電路的設(shè)計(jì)

1、 目 錄第1章 緒論2第2章 方案的選擇與整流器主電路設(shè)計(jì)3 方案的選擇.3 整流器主電路設(shè)計(jì).6第3章 電路參數(shù)計(jì)算和元件選取8 二次側(cè)相電壓U27.8 二次側(cè)相電流I2、一次側(cè)相電流I112 變壓器的容量12 參數(shù)計(jì)算12 晶閘管的選擇15第4章 單相橋式整流電路的性能指標(biāo)分析16 整流輸出電壓的平均值18 紋波系數(shù).19第5章 晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計(jì)20 晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿(mǎn)足的要求21 晶閘管觸發(fā)電路的選擇23 觸發(fā)電路及工作原理11 控制角a11 同步脈沖形成電路14 驅(qū)動(dòng)電路.14 軟件設(shè)計(jì)14第6章 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)14第7章 實(shí)驗(yàn)與仿真.147.1 仿真模型147.2 仿真結(jié)果.14第

2、8章 設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì)15第9章 參考文獻(xiàn)30附錄A：電路原理圖附錄B：原器件清單附錄C：程序清單第1章 緒 論1.1 什么是整流電路 整流電路（rectifying circuit）把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路

3、之間的電隔離?？梢詮母鞣N角度對(duì)整流電路進(jìn)行分類(lèi)，主要的分類(lèi)方法有：按組成的期間可分為不可控，半控，全控三種；按電路的結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向還是雙向，又可分為單拍電路和雙拍電路.1.2 整流電路的發(fā)展與應(yīng)用 電力電子器件的發(fā)展對(duì)電力電子的發(fā)展起著決定性的作用，因此不管是整流器還是電力電子技術(shù)的發(fā)展都是以電力電子器件的發(fā)展為綱的，1947年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一次革命；1957年美國(guó)通用公司研制了第一個(gè)晶閘管，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生；70年代后期，以門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（B

4、JT）和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展，把電力電子技術(shù)推上一個(gè)全新的階段；80年代后期，以絕緣極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起，成為了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。另外，采用全控型器件的電路的主要控制方式為PWM脈寬調(diào)制式，后來(lái)，又把驅(qū)動(dòng)，控制，保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC）,隨著全控型電力電子器件的發(fā)展，電力電電路的工作頻率也不斷提高。同時(shí)。電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗也隨之增大，為了減小開(kāi)關(guān)損耗，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）和零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）把電力電子技術(shù)和整流電路的發(fā)展推向了新的高潮。 本設(shè)計(jì)

5、的簡(jiǎn)介隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人們對(duì)電路的要求也越來(lái)越高,由于在生產(chǎn)實(shí)際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)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(yīng)增大，因此功率因素很低。把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就構(gòu)成了PWM整流電路。通過(guò)對(duì)PWM整流電路的適當(dāng)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(chēng)為高功率因素整流器，它具有廣泛的應(yīng)用前景由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)

6、領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能和變換和控制，而構(gòu)成的一門(mén)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(mén)課就必須做好實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)，因而我們進(jìn)行了此次課程設(shè)計(jì)。又因?yàn)檎麟娐窇?yīng)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(shí)基礎(chǔ)，故我們單結(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(jì)的課題。第2章 方案的選擇與整流器主電路的設(shè)計(jì) 方案的選擇 單相橋式整流電路可分為單相橋式相控整流電路和單相橋式半控整流電路，它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn)。下面分析兩種單相橋式整流電路在帶電感性負(fù)載的工作情況。單相半控

7、整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)是：輸出電壓脈動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒(méi)有直流磁化問(wèn)題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 單相全控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(fù)載下流過(guò)晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。單相半波相控整流電路因其性能較差，實(shí)際中很少采用，在中小功率場(chǎng)合采用更多的是單相全控橋式整流電路。 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。(1)晶閘管

8、的介紹:晶管又稱(chēng)為晶體閘流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代; 20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)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(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域，成為功率低頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專(zhuān)指晶閘管的一種基本類(lèi)型-普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類(lèi)型的派生器件 (2)晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率器件，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。外行:螺栓型和平板型兩種封裝引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（或稱(chēng)柵極）G三個(gè)聯(lián)接

9、端。對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。 晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和模塊外形a)晶閘管外形 b)內(nèi)部結(jié)構(gòu) c)電氣圖形符號(hào) d)模塊外形（3）晶閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個(gè)結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個(gè)電極，如圖1.2(左)所示。由于具有擴(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.2（右）所示的兩個(gè)晶閘管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。圖.2晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和

10、等效電路晶閘管的驅(qū)動(dòng)過(guò)程更多的是稱(chēng)為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門(mén)極的觸發(fā)電流的電路稱(chēng)為門(mén)極觸發(fā)電路。也正是由于能過(guò)門(mén)極只能控制其開(kāi)通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱(chēng)為半控型器件。 整流電路我們知道，單相整流器的電路形式是各種各樣的，整流的結(jié)構(gòu)也是比較多的。因此在做設(shè)計(jì)之前我們主要考慮了以下幾種方案：方案一：?jiǎn)蜗鄻蚴桨肟卣麟娐冯娐泛?jiǎn)圖如： 圖2.1.2a單相橋式半控整流電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，相對(duì)于全控橋而言少了一個(gè)控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗！如果不加續(xù)流二極管，當(dāng)突然增大至180或出發(fā)脈沖丟失時(shí)，由于電感儲(chǔ)能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負(fù)載電阻上，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流

11、導(dǎo)通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期為ud為零，其平均值保持穩(wěn)定，相當(dāng)于單相半波不可控整流電路時(shí)的波形，即為失控。所以必須加續(xù)流二極管，以免發(fā)生失控現(xiàn)象。方案二：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐冯娐泛?jiǎn)圖如： 圖2.1.2b單相橋式全控整流電路此電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，無(wú)須用續(xù)流二極管，也不會(huì)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(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱(chēng)，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問(wèn)題，變壓器的利用率也高。方案三：?jiǎn)蜗喟氩煽卣麟娐罚弘娐泛?jiǎn)圖如： 圖 2.1.2c單相半波可控整流電路此電路只需要一個(gè)可控器件

12、，電路比較簡(jiǎn)單，VT的a 移相范圍為180。但輸出脈動(dòng)大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。為使變壓器鐵心不飽和，需增大鐵心截面積，增大了設(shè)備的容量。實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。方案四：?jiǎn)蜗嗳煽卣麟娐罚弘娐泛?jiǎn)圖如： 圖 2.1.2d單相全波可控整流電路此電路變壓器是帶中心抽頭的，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，只要用2個(gè)可控器件，單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，因此少了一個(gè)管壓降，相應(yīng)地，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)，但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。不存在直流磁化的問(wèn)題，適用于輸出低壓的場(chǎng)合作電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器

13、不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒(méi)有直流磁化問(wèn)題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。相同的負(fù)載下流過(guò)晶閘管的平單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。綜上所述，針對(duì)他們的優(yōu)缺點(diǎn)，我們采用方案二，即單相橋式全控整流電路。2.2 整流器主電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理方框圖：系統(tǒng)原理方框圖如所示： 圖2.2系統(tǒng)原理方框圖整流電路主要由驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和整流主電路組成。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，在此設(shè)計(jì)中采用單相橋式全控整流電路接電阻性負(fù)載

14、。主電路原理圖 圖2.主電路原理圖 圖2.4 主電路工作波形圖 電路如圖2.和圖2.所示。為便于討論，假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)。(1) 工作原理 在電源電壓正半周期間，VT1、VT2承受正向電壓，若在時(shí)觸發(fā)，VT1、VT2導(dǎo)通，電流經(jīng)VT1、負(fù)載、VT2和T二次側(cè)形成回路，但由于大電感的存在，過(guò)零變負(fù)時(shí)，電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使VT1、VT2繼續(xù)導(dǎo)通，直到VT3、VT4被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，VT1、VT2承受反相電壓而截止。輸出電壓的波形出現(xiàn)了負(fù)值部分。在電源電壓負(fù)半周期間，晶閘管VT3、VT4承受正向電壓，在時(shí)觸發(fā)，VT3、VT4導(dǎo)通，VT1、VT2受反相電壓截止，負(fù)載電流從VT1、VT2中換流至VT3、V

15、T4中在時(shí)，電壓過(guò)零，VT3、VT4因電感中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一直導(dǎo)通，直到下個(gè)周期VT1、VT2導(dǎo)通時(shí)，VT3、VT4因加反向電壓才截止。值得注意的是，只有當(dāng)時(shí)，負(fù)載電流才連續(xù)，當(dāng)時(shí)，負(fù)載電流不連續(xù)，而且輸出電壓的平均值均接近零，因此這種電路控制角的移相范圍是。第3章 電路參數(shù)計(jì)算和元件選取整流電路參數(shù)計(jì)算1）整流輸出電壓的平均值可按下式計(jì)算=（3.1.1）當(dāng)=0時(shí)，取得最大值100V即= 0.9 =100V從而得出=111V，=90o時(shí)，=0。角的移相范圍為90o。2）整流輸出電壓的有效值為= =111V （3.1.2）3）整流電流的平均值和有效值分別為 （3.1.3） （3.1.4）4)在一個(gè)

16、周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通180，兩組輪流導(dǎo)通，變壓器二次電流是正、負(fù)對(duì)稱(chēng)的方波，電流的平均值和有效值相等，其波形系數(shù)為1。流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值分別為： （3.1.5） （3.1.6）5)晶閘管在導(dǎo)通時(shí)管壓降=0,故其波形為與橫軸重合的直線段；VT1和VT2加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒(méi)到時(shí)，VT3、VT4已導(dǎo)通，把整個(gè)電壓加到VT1或VT2上，則每個(gè)元件承受的最大可能的正向電壓等于;VT1和VT2反向截止時(shí)漏電流為零，只要另一組晶閘管導(dǎo)通，也就把整 個(gè)電壓加到VT1或VT2上，故兩個(gè)晶閘管承受的最大反向電壓也為。元器件選取由于單相橋式全控整流帶電感性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件

17、時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。1).晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UTn通常取UDRM和URRM中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)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 UTn （23）UTM （3.2.1） UTM ：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓 額定電流IT(AV) IT(AV) 又稱(chēng)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(guò)正弦半波、導(dǎo)通角不小于170的電路中，結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，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(jí)即為晶閘管的額定電

18、流。要注意的是若晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正弦波的半個(gè)周期，即使正向電流值沒(méi)超過(guò)額定值，但峰值電流將非常大，可能會(huì)超過(guò)管子所能提供的極限，使管子由于過(guò)熱而損壞。 在實(shí)際使用時(shí)不論流過(guò)管子的電流波形如何、導(dǎo)通角多大，只要其最大電流有效值ITM ITn ,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。ITn ：額定電流有效值，根據(jù)管子的IT(AV) 換算出，IT(AV) 、ITM ITn 三者之間的關(guān)系： （3.2.2） （3.2.3）波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，其有效值與平均值之比稱(chēng)為該波形的波形系數(shù)，用Kf表示。 （3.2.4）額定狀態(tài)下， 晶閘管的電流波形系數(shù) （3.2.5）=

19、（3.2.6）當(dāng)=0時(shí)，取得最大值100V即= 0.9 =100V從而得出=111V，=90o時(shí)，=0。角的移相范圍為90o。晶閘管承受最大電壓為考慮到2倍裕量，取400V.晶閘管的選擇原則：、所選晶閘管電流有效值ITn 大于元件 在電路中可能流過(guò)的最大電流有效值。、 選擇時(shí)考慮（1.52）倍的安全余量。即ITn IT(AV) （1.52）ITM （3.2.7） 因?yàn)?則晶閘管的額定電流為=10A(輸出電流的有效值為最小值，所以該額定電流也為最小值)考慮到2倍裕量,取20A.即晶閘管的額定電流至少應(yīng)大于20A.在本次設(shè)計(jì)中我選用4個(gè)KP20-4的晶閘管.、 若散熱條件不符合規(guī)定要求時(shí)，則元件的

20、額定電流應(yīng)降低使用。 通態(tài)平均管壓降 UT(AV) 。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通的正弦波半個(gè)周期內(nèi)陽(yáng)極與陰極電壓的平均值，一般在。 維持電流IH 。指在常溫門(mén)極開(kāi)路時(shí)，晶閘管從較大的通態(tài)電流降到剛好能保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般IH值從幾十到幾百毫安，由晶閘管電流容量大小而定。 門(mén)極觸發(fā)電流Ig 。在常溫下，陽(yáng)極電壓為6V時(shí)，使晶閘管能完全導(dǎo)通所需的門(mén)極電流，一般為毫安級(jí)。 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不會(huì)導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。 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

21、上升率。若晶閘管導(dǎo)通時(shí)電流上升太快，則會(huì)在晶閘管剛開(kāi)通時(shí)，有很大的電流集中在門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而損壞晶閘管。2)、變壓器的選取A。性能指標(biāo)分析：整流電路的性能常用兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)來(lái)衡量：一個(gè)是反映轉(zhuǎn)換關(guān)系的用整流輸出電壓的平均值表示；另一個(gè)是反映輸出直流電壓平滑程度的，稱(chēng)為紋波系數(shù)。1)整流輸出電壓平均值= （3.2.8）2)紋波系數(shù)紋波系數(shù)用來(lái)表示直流輸出電壓中相對(duì)紋波電壓的大小，即第4章 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 對(duì)于使用晶閘管的電路，在晶閘管陽(yáng)極加正向電壓后，還必須在門(mén)極與陰極之間加觸發(fā)電壓，使晶閘管在需要導(dǎo)通的時(shí)刻可靠導(dǎo)通。驅(qū)動(dòng)電路亦稱(chēng)觸發(fā)電路。根據(jù)控制要求決定晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻，對(duì)

22、變流裝置的輸出功率進(jìn)行控制。觸發(fā)電路是變流裝置中的一個(gè)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(guān)系，因此，正確合理地選擇設(shè)計(jì)觸發(fā)電路及其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是保證晶閘管變流裝置安全，可靠，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提。4.1 對(duì)觸發(fā)電路的要求 晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過(guò)零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對(duì)其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求:1）、觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。2）、觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。 3）、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(yáng)極電流能迅速上升超過(guò)掣住電流而維持導(dǎo)通。 4）、觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿(mǎn)足電路要

23、求。圖4.1.1 強(qiáng)觸發(fā)電流波形4.2 晶閘管觸發(fā)電路類(lèi)型4單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1）特點(diǎn)：由單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸發(fā)電路具有簡(jiǎn)單、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、溫度補(bǔ)償性能好，脈沖前沿陡等優(yōu)點(diǎn)，在小容量的晶閘管裝置中得到了廣泛應(yīng)用。利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性與RC電路的充放電可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可變的脈沖。2)組成：由自激振蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成如圖 a所示：圖4.2.1單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形3)工作原理：經(jīng)整流后的直流電源，一路經(jīng)、加在單結(jié)晶體管兩個(gè)基極、之間；另一路通過(guò)對(duì)電容C充電、通過(guò)單結(jié)晶體管放電?？刂艬T的導(dǎo)通、截止；在電容上形成鋸齒波振蕩電壓，在上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖

24、脈沖；如圖4(b)所示，其振蕩頻率為： (4.1)上式中是單結(jié)晶體管的分壓比，即調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)振蕩頻率。4)同步電源： 同步電壓由變壓器TB獲得，而同步變壓器與主電路接至同一電源，故同步電壓與主電壓同相位、同頻率。同步電壓經(jīng)橋式整流、穩(wěn)壓管削波為梯形波，而削波后的最大值既是同步信號(hào)，又是觸發(fā)電路電源。當(dāng)過(guò)零時(shí)，電容C經(jīng)e-、迅速放電到零電壓。這就是說(shuō)，每半周開(kāi)始，電容C都從零開(kāi)始充電。進(jìn)而保證每周期觸發(fā)電路送出第一個(gè)脈沖距離過(guò)零的時(shí)刻（即控制角）一致，實(shí)現(xiàn)了同步。5)移相控制：當(dāng)增大時(shí)，單結(jié)晶體管發(fā)射極充電到峰點(diǎn)電壓的時(shí)間增大，第一個(gè)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻推遲，即控制角增大，實(shí)現(xiàn)了移相。鋸齒波形成電路由

25、、和等元件組成，其中、和為一恒流源電路。截止時(shí)，恒流源電流對(duì)電容充電，所以?xún)啥穗妷簽椋?圖4.2.3同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，由于阻值很小，所以迅速放電，使電位迅速降壓。當(dāng)周期性地導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，便形成一鋸齒波，同樣也是一個(gè)鋸齒波電壓，射極跟隨器的作用是減小控制回路的電流對(duì)鋸齒波電壓的影響。調(diào)節(jié)電位器，即改變的恒定充電電流，可調(diào)節(jié)鋸齒波斜率。同步移相環(huán)節(jié)初始位，基極電位由鋸齒波電壓、控制電壓、直流偏移電壓三者共同決定。如果=0，為負(fù)值時(shí)，點(diǎn)的波形由+確定。當(dāng)為正值時(shí)，點(diǎn)的波形由+ +確定。電壓等于后，導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)M點(diǎn)時(shí)使電路輸出脈沖。之后一直被鉗位在。M點(diǎn)是由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也就是脈

26、沖的前沿。因此當(dāng)為某固定值時(shí)，改變便可改變M點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，即改變了脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻，脈沖被移相。可見(jiàn)，加的目的是為了確定控制電壓=0時(shí)脈沖的初始相位。4.2.2 KC04集成移相觸發(fā)器KC04集成移相觸發(fā)器可分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成，脈沖輸出等幾部分電路。圖同步電路由晶體管等元件組成。正弦波同步電壓經(jīng)限流電阻加到、基極。在正半周，截止，導(dǎo)通，導(dǎo)通，得不到足夠的基極電壓而截止。在 的負(fù)半周，截止，、導(dǎo)通，導(dǎo)通，同樣得不到足夠的基極電壓而截止。在上述的正、負(fù)半周內(nèi)，當(dāng)|時(shí)，、均截止，、也截止，于是 從電源+15V經(jīng)、獲得足夠的基極電流而飽和導(dǎo)通，形成上圖所示的與正弦波同步電壓同步的脈沖。

27、圖.5KC04組成的移相式觸發(fā)電路及各點(diǎn)電壓波形圖主電路主電路為圖同步觸發(fā)電路，且移相范圍要求180.因?yàn)殇忼X波底寬為 240，考慮到兩端的非線性，故取30210作為 0180的移相區(qū)間。以A相晶閘管Tl為例時(shí)，觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖應(yīng)對(duì)準(zhǔn)相電壓自然換流點(diǎn)，即對(duì)準(zhǔn)相電壓為30時(shí)刻。這說(shuō)明，鋸齒波的起點(diǎn)正好是相電壓的上升過(guò)零點(diǎn)，即控制鋸齒波電路的同步電壓應(yīng)與晶閘管陽(yáng)極電壓相位上相差180。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個(gè)同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號(hào)，這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管頻率始終是一致的。觸發(fā)電路的定相由多方面的因素確

28、定，主要包括相控電路的主電路結(jié)構(gòu)、觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)等。只有根據(jù)各晶閘管供電電壓的相位正確決定各觸發(fā)電路同步電壓uTS的相位，才能保證各晶閘管有相同的控制角，相同的輸出電壓波形。正確選擇同步電壓相位，叫做晶閘管電路的同步或定相，它是變流裝置設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)整、維護(hù)中的重要問(wèn)題。鋸齒波同步觸發(fā)電路的同步電壓uTS 和晶閘管的供電電壓之間的相位關(guān)系分析如下：晶閘管的供電電壓如圖所示，據(jù)單相電路要求移相范圍001800，即要求觸發(fā)電路在正半波范圍內(nèi)發(fā)出脈沖。因此，正半波范圍內(nèi)應(yīng)存在鋸齒波的上升段，鋸齒波的寬度為2400，見(jiàn)圖3.4.2所示。圖.6晶閘管的供電電壓第5章 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)相對(duì)于電機(jī)和繼電器，接觸

29、器等控制器而言，電力電子器件承受過(guò)電流和過(guò)電壓的能力較差，短時(shí)間的過(guò)電流和過(guò)電壓就會(huì)把器件損壞。但又不能完全根據(jù)裝置運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的暫時(shí)過(guò)電流和過(guò)電壓的數(shù)值來(lái)確定器件參數(shù)，必須充分發(fā)揮器件應(yīng)有的過(guò)載能力。因此，保護(hù)就成為提高電力電子裝置運(yùn)行可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)。5.1 主電路的過(guò)電壓保護(hù)所謂過(guò)壓保護(hù)，即指流過(guò)晶閘管兩端的電壓值超過(guò)晶閘管在正常工作時(shí)所能承受的最大峰值電壓Um都稱(chēng)為過(guò)電壓，其電路圖見(jiàn)圖5圖5.1.1過(guò)壓保護(hù)電路產(chǎn)生過(guò)電壓的原因一般由靜電感應(yīng)、雷擊或突然切斷電感回路電流時(shí)電磁感應(yīng)所引起。其中，對(duì)雷擊產(chǎn)生的過(guò)電壓，需在變壓器的初級(jí)側(cè)接上避雷器，以保護(hù)變壓器本身的安全；而對(duì)突然切斷

30、電感回路電流時(shí)電磁感應(yīng)所引起的過(guò)電壓，一般發(fā)生在交流側(cè)、直流側(cè)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(hù)方法。5過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程：電源變壓器初級(jí)側(cè)突然拉閘，使變壓器的勵(lì)磁電流突然切斷，鐵芯中的磁通在短時(shí)間內(nèi)變化很大，因而在變壓器的次級(jí)感應(yīng)出很高的瞬時(shí)電壓。保護(hù)方法：阻容保護(hù)5 過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程：當(dāng)某一橋臂的晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)突然因果載使快速熔斷器熔斷時(shí)，由于直流住電路電感中儲(chǔ)存能量的釋放，會(huì)在電路的輸出端產(chǎn)生過(guò)電壓。保護(hù)方法：阻容保護(hù)圖.2主電路的過(guò)電壓保護(hù)5.2晶閘管的保護(hù)電路5.2.1晶閘管過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電流保護(hù)第一種是采用電子保護(hù)電路，檢測(cè)設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入

31、電流超過(guò)允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過(guò)電壓或過(guò)電流的數(shù)值。第二種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，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。我們這次的課程設(shè)計(jì)采用的是第二種保護(hù)電路。（1） 晶閘管變流裝置的過(guò)電流保護(hù)晶閘管變流裝置運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流，過(guò)電流分過(guò)載和短路兩種情況，由于晶閘管的熱容量較小，以及從管心到散熱器的傳導(dǎo)途徑中要遭受到一系列熱阻，所以一旦過(guò)電流，結(jié)溫上升很快，特別在瞬時(shí)短路電流通過(guò)時(shí)，內(nèi)部熱量來(lái)不及傳導(dǎo)，結(jié)溫上升更快，晶閘管承受過(guò)載或短路電流的能力主要受結(jié)溫的限制?？捎米鬟^(guò)電流保護(hù)電路

32、的主要有快速熔斷器，直流快速熔斷器和過(guò)電流繼電器等。在此我們采用快速熔斷器措施來(lái)進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。圖5.a過(guò)電流保護(hù)采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：1）電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來(lái)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。快熔一般與電力半導(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）快熔的值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許值、4）為保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。因?yàn)榫чl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

33、15A。（2）晶閘管變流裝置的過(guò)電壓保護(hù)電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類(lèi)。外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因，內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，過(guò)電壓保護(hù)有避雷器保護(hù)，利用非線性過(guò)電壓保護(hù)元件保護(hù)，利用儲(chǔ)能元件保護(hù)，利用引入電壓檢測(cè)的電子保護(hù)電路作過(guò)電壓保護(hù)。在此我們采用儲(chǔ)能元件保護(hù)即阻容保護(hù)。圖5.2.1b晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)單相阻容保護(hù)的計(jì)算公式如下： （5.1） （5.2）S:變壓器每相平均計(jì)算容量（VA）U：變壓器副邊相電壓有效值 （V）i%:變壓器激磁電流百分值U%：變壓器的短路電壓百分值。當(dāng)變壓器的容量 在（10-1000）

34、KVA里面取值時(shí)i%=（4-10）在里面取值，U%=（5-10）里面取值。電容C的單位為F，電阻的單位為歐姆電容C的交流耐壓U：正常工作時(shí)阻容兩端交流電壓有效值。，在設(shè)計(jì)中我們?nèi)‰娙轂?F，電阻值為13。5晶閘管初開(kāi)通時(shí)電流集中在靠近門(mén)極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密很大，然后以/s的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面，若晶閘管開(kāi)通時(shí)電流上升率di/dt過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)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(yáng)極回路串聯(lián)入電感。如圖所示:圖串聯(lián)電感抑制回路5加在晶閘管上的正向電壓上升率du/dt也應(yīng)有所限制,如果du/dt過(guò)大由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的

35、位移電流，該電流可以實(shí)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(yán)重時(shí)引起晶閘管誤導(dǎo)通。為抑制du/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 并聯(lián)R-C阻容吸收回路第6章 系統(tǒng)原理電路圖及調(diào)試6.1 系統(tǒng)原理電路圖圖6.1系統(tǒng)原理電路圖62系統(tǒng)的調(diào)試6（1）將DJK01電源控制屏的電源選擇開(kāi)關(guān)打到“直流調(diào)速”側(cè)使輸出線電壓為200V,用兩根導(dǎo)線將200V交流電壓接到DJK03-1的“外接220V”端，按下“啟動(dòng)”按鈕，打開(kāi)DJK03-1的電源開(kāi)關(guān)，用雙蹤示波器觀察“Tca785鋸齒波移相觸發(fā)電路”各觀察孔的波形。（2）鋸齒波移相觸發(fā)電路的調(diào)試：鋸齒波斜率由電位器RP1調(diào)節(jié)，RP2電位器調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，將DJK04上的“給定”輸出Ug直接與DJK02-1上的移相控制電壓Uct相接，將給定開(kāi)關(guān)S2撥到接地位置（即Uct=0），調(diào)節(jié)DJK02-1上的偏移電壓電位器，RP2電位器順時(shí)針轉(zhuǎn)到底，=。單相橋式全控整流電路的調(diào)試按原理圖接線，主電路接電阻R和電感L，將電阻器調(diào)到最大阻值位置，按下“啟動(dòng)”按鈕，用示波器觀察負(fù)載電壓和晶閘管兩端電壓的波形，調(diào)節(jié)鋸齒波移相觸發(fā)電路上的移相控制電位器RP2，觀察并記錄在不同角時(shí)和的波形，測(cè)量相應(yīng)電源電壓和