電力電子單相橋式整流電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告

.Word資料前言電力電子技術(shù)又稱(chēng)為功率電子技術(shù)，他是用于電能變換和功率控制的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的方法和手段，是當(dāng)代高新技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容，也是支持電力系統(tǒng)技術(shù)革命發(fā)展的重要基礎(chǔ)，并節(jié)能降耗、增產(chǎn)節(jié)約提高生產(chǎn)效能的重要技術(shù)手段。微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及大功率電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，極大地推動(dòng)了電工技術(shù)、電氣工程和電力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步。電力電子器件是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。正是大功率晶閘管的發(fā)明，使得半導(dǎo)體變流技術(shù)從電子學(xué)中分離出來(lái)，發(fā)展成為電力電子技術(shù)這一專(zhuān)門(mén)的學(xué)科。而二十世紀(jì)九十年代各種全控型大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)明，進(jìn)一步拓展了電力電子技術(shù)應(yīng)用和覆蓋的領(lǐng)域和范圍。電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)，包括鋼鐵、冶金、化工、電力、石油、汽車(chē)、運(yùn)輸以及人們的日常生活。功率范圍大到幾千兆瓦的高壓直流輸電，小到一瓦的手機(jī)充電器，電力電子技術(shù)隨處可見(jiàn)。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用中也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，電力電子裝置與傳統(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)操作設(shè)備相比有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制方便，靈活的特點(diǎn)，能夠顯著地改善電力系統(tǒng)的特性，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定、降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約運(yùn)行成本方面有很大潛力。摘要掌握晶閘管的使用，用晶閘管控制單相橋式全控整流電路（阻感性負(fù)載）并畫(huà)出整流電路中輸入輸出、各元器件的電壓、電流波形，理解單相橋式全控整流電路阻感負(fù)載的工作原理和基本計(jì)算。選擇觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)，考慮保護(hù)電路。目錄前言------------------------------------------------1摘要------------------------------------------------1目錄---------------------------------------------------------21設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1.1.設(shè)計(jì)任務(wù)-----------------------------------------------------51.2.技術(shù)要求-----------------------------------------------------52設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1方案的選擇--------------------------------------------------53觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)3.1同步觸發(fā)電路-----------------------------------------------63.2晶閘管的觸發(fā)條件-------------------------------------------73.3晶閘管的分類(lèi)-----------------------------------------------73.4形成與脈沖放大環(huán)節(jié)-----------------------------------------73.5鋸齒波形成與脈沖移相環(huán)節(jié)-----------------------------------83.6同步信號(hào)與主回路的相位關(guān)系---------------------------------84驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)4.1典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路-----------------------------------94.2電力電子器件的保護(hù)---------------------------------------105.單相橋式全控整流電路原理說(shuō)-----------------------------------126．元器件和電路參數(shù)計(jì)算6.1元件選取-----晶閘管（SCR）---------------------------------136.2晶閘管的選型-----------------------------------------------187整流變壓器額定參數(shù)計(jì)算7.1二次相電壓U2---------------------------------------------197.2一次與二次額定電流及容量計(jì)算------------------------------208設(shè)計(jì)結(jié)果分析-----------------------------------------------219心得體會(huì)--------------------------------------------------2210參考文獻(xiàn)-------------------------------------------231.設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1.1.設(shè)計(jì)任務(wù)：1、進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的比較，并選定設(shè)計(jì)方案；2、完成單元電路的設(shè)計(jì)和主要元器件說(shuō)明；3、完成主電路的原理分析,各主要元器件的選擇；4、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；1.2.技術(shù)要求:（1）電網(wǎng)供電電壓為單相220V；（2）變壓器二次側(cè)電壓為110V；（3）輸出電壓連續(xù)可調(diào)，為0～100V；（4）帶阻感性負(fù)載：L=1000mH，R=100Ω2.設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1方案的選擇單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單相橋式相控流電路，它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn)。下面分析各種單相控整流電路在帶電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載和反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況。單相半控整流電路的優(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。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）。3觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)3.1同步觸發(fā)電路晶閘管最重要的特性是可控的正向?qū)ㄌ匦?當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極加上正向電壓后,還必須在門(mén)極與陰極之間加上一個(gè)具有一定功率的正向觸發(fā)電壓才能打通,這一正向觸發(fā)電壓的導(dǎo)通是由觸發(fā)電路提供的,根據(jù)具體情況這個(gè)電壓可以是交流、直流或脈沖電壓。由于晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通以后，門(mén)極的觸發(fā)電壓即失去控制作用，所以為了減少門(mén)極的觸發(fā)功率，常常用脈沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導(dǎo)通后才能撤掉，晶閘管對(duì)觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門(mén)極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應(yīng)大于產(chǎn)品提出的數(shù)據(jù)，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場(chǎng)合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通。為了保證晶閘管電路能正常，可靠的工作，觸發(fā)電路必須滿足以下要求：觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓和電流應(yīng)大于晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定的裕量。由閘管的門(mén)極伏安特性曲線可知，同一型號(hào)的晶閘管的門(mén)極伏安特性的分散性很大，所以規(guī)定晶閘管元件的門(mén)極阻值在某高阻和低阻之間，才可能算是合格的產(chǎn)品。晶閘管器件出廠時(shí)，所標(biāo)注的門(mén)極觸發(fā)電流Igt、門(mén)極觸發(fā)電壓U是指該型號(hào)的所有合格器件都能被觸發(fā)導(dǎo)通的最小門(mén)極電流、電壓值，所以在接近坐標(biāo)原點(diǎn)處以觸發(fā)脈沖應(yīng)一定的寬度且脈沖前沿應(yīng)盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個(gè)過(guò)程的，也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時(shí)間。只有當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，所以觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導(dǎo)通，對(duì)于電感性負(fù)載，脈沖的寬度要寬些，一般為0.5~1MS，相當(dāng)于50HZ、18度電度角。為了可靠地、快速地觸發(fā)大功率晶閘管，常常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個(gè)觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能在規(guī)定范圍內(nèi)移動(dòng)。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)，要求觸發(fā)脈沖的移項(xiàng)范圍是0度~180度，帶大電感負(fù)載時(shí)，要求移項(xiàng)范圍是0度~90度；三相半波可控整流電路電阻性負(fù)載時(shí)，要求移項(xiàng)范圍是0度~90度。同步電壓：來(lái)自同步電源(同步電源變壓器)，經(jīng)鋸齒波形成電路，得到與電源同步的鋸齒波電壓。缺少同步電壓則不能形成鋸齒波電壓，將無(wú)觸發(fā)脈沖；鋸齒波電壓：鋸齒波電壓與控制電壓，偏移電壓疊加，在其交叉點(diǎn)形成觸發(fā)脈沖；沒(méi)有鋸齒波電壓，也將無(wú)觸發(fā)脈沖；控制電壓：工作時(shí)，控制其大小，實(shí)現(xiàn)在需要的范圍內(nèi)移相；偏移電壓：與控制電壓疊加，以確定控制電壓為零時(shí)，觸發(fā)脈沖的初始位相位。如果缺少偏移電壓，或偏移電壓不當(dāng)，將不能在需要的范圍內(nèi)移相。觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個(gè)周期都以相同的控制角被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應(yīng)該相同，而且要有固定的相位關(guān)系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時(shí)受控于電壓uc與同步電壓us控制。3.2晶閘管的觸發(fā)條件（1）:晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通；（2）：晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管都才能導(dǎo)通；（3）：晶閘管一旦導(dǎo)通門(mén)極舊失去控制作用；（4）：要使晶閘管關(guān)斷，只能使其電流小到零一下.3.3晶閘管的分類(lèi)晶閘管分為：快速晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管，雙向晶閘管，光控晶閘管，門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO），電力晶閘管（GTR），功率場(chǎng)效應(yīng)晶閘管（MOSFET），絕緣珊雙極晶閘管（IGBT），MOS控制晶閘管，集成門(mén)極換向晶閘管.靜電感應(yīng)晶體管。3.4形成與脈沖放大環(huán)節(jié)脈沖的形成環(huán)節(jié)由晶閘管V4、V5組成，V7、V8組成脈沖功率放大環(huán)節(jié)?？刂?、電壓uct和負(fù)偏移相電壓up分別經(jīng)過(guò)電阻R6、R7、R8并聯(lián)接入V4基極。在分析該環(huán)節(jié)時(shí)，暫不考慮鋸齒波電壓ue3和負(fù)偏電壓up對(duì)電路的影響。對(duì)控制電壓uct=0時(shí)，V4截止，+15V電源通過(guò)電阻R11供給V5一個(gè)足夠大的基極電流，使V5飽和導(dǎo)通，V5的集電極電壓接近-15V，所以V7、V8截止，無(wú)脈沖輸出，同時(shí)，+15V電源經(jīng)R9和飽和晶體管V5及-15V電源對(duì)電容C3進(jìn)行充電，充電結(jié)束后，電容兩端電壓為30V，其左端為+15V右端為-15V。調(diào)節(jié)電壓uct，當(dāng)uct0.7V時(shí)，V4由截止變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通，其集電極A端ua由+15V迅速下降至1V左右，由于電容C3上的電壓不能突變，C3右端的電壓也開(kāi)始的-15V下降至-30V，V5的基射結(jié)由于受到反偏而立即截止，其集電極電壓uc5由開(kāi)始的-15V左右迅速上升，當(dāng)uc5>2.1時(shí)，V7、V8導(dǎo)通，脈沖變壓器一次側(cè)流過(guò)電流，其二次側(cè)有觸發(fā)脈沖輸出。同時(shí)，電容C3反向充電使V5的基極電壓ub5由-30V開(kāi)始上升，當(dāng)ub5>-15V，V5又重新導(dǎo)通，uc5又變成-15V，使V7、V8又截止，輸出脈沖結(jié)束?？梢?jiàn)，V4導(dǎo)通的瞬間決定了脈沖發(fā)出的時(shí)刻，到V5截止時(shí)間即是脈沖的寬度，而V5截止時(shí)間的長(zhǎng)短反向充電時(shí)間常數(shù)R11C3決定的。3.5鋸齒波形成與脈沖移相環(huán)節(jié)該環(huán)節(jié)主要由V1、V2、V3、C2、VS等元器件組成，鋸齒波是由恒流源電流對(duì)C2充電形成的。在圖中，VS、RP2、R3、V1組成了一個(gè)恒流源電路，恒流源電流Ic1對(duì)電容C2進(jìn)行充電，電容C2兩端的電壓uc2為uc2=t可見(jiàn)，uc2是隨時(shí)間現(xiàn)性變化的，其充電斜率為。當(dāng)V2導(dǎo)通時(shí)，由于電阻R4的阻值很少，所以，電容C2經(jīng)R4及V2迅速放電，當(dāng)V2周期性的關(guān)斷與導(dǎo)通時(shí)，電容C2兩端就得到了線性很好的鋸齒波電壓，要想改變鋸齒波的斜率，只要改變充電電流的大小，即只要改變RP2的阻值即可。該鋸齒波電壓經(jīng)過(guò)由V3管組成射極跟隨器后，ue3是一個(gè)與遠(yuǎn)波形相同的鋸齒波電壓。Ue3、up、uct三個(gè)信號(hào)通過(guò)電阻R6、R7、R8的綜合作用成為ub4，它控制V4的導(dǎo)通與關(guān)斷。這里采用電工學(xué)課程中的疊加原理，在考慮一個(gè)信號(hào)在b4點(diǎn)的作用時(shí)，可以將另外兩個(gè)信號(hào)接地，而三個(gè)信號(hào)在b4點(diǎn)作用綜合電壓ub4才是控制V4的真正信號(hào)。當(dāng)uct=0時(shí)，V4的基極電壓的ub4的波形有ue3+up決定，控制偏移電壓up的大小。使鋸齒波向下移動(dòng)。當(dāng)uct從0增加時(shí)，V4的基極電位ub4的波形就由ue3+uct+up決定，即當(dāng)ub4>0.7V時(shí)的時(shí)刻，即V4由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的時(shí)刻，也就是該時(shí)刻電路輸出脈沖。如果把偏移電壓up調(diào)整到某特定值而固定時(shí)，調(diào)節(jié)控制電壓uct就能改變ub4波形上升到0.7V的時(shí)間，也就是說(shuō)，改變控制電壓uct就可以改變移動(dòng)脈沖電壓的相位，從而達(dá)到脈沖移相的目的。電路中設(shè)置負(fù)偏移電壓up的目的是為了確定初始脈沖相位。通過(guò)三相橋式整流及逆變電路的分析可知：當(dāng)負(fù)載大電感連續(xù)時(shí)，三相橋式整流電路的脈沖初始相位在控制角=90o的位置，對(duì)于可逆系統(tǒng)，電路需要在整流與逆變兩種工作狀態(tài)，這時(shí)需要脈沖的移相范圍約為180o，考慮鋸齒波電壓波形兩端的非線性，因此要求鋸齒波底寬為240o，此時(shí)使脈沖初始位置調(diào)整到鋸齒波的中點(diǎn)位置，對(duì)應(yīng)主電路=90o位置。3.6同步信號(hào)與主回路的相位關(guān)系

同步問(wèn)題是指觸發(fā)脈沖與主回路電源同步。同步變壓器BT和主回路整流變壓器接在同一交流電源上，具有相同頻率。主回路整流變壓器為Yo/Y-12聯(lián)接組，同步變壓器為Y/Y-6，Y/Y-12聯(lián)接組。選擇T1的同步電壓為-uTa，其余T2～T6的同步電壓見(jiàn)圖5-2。被觸發(fā)的晶閘管T1T2T3T4主回路電壓+Ua-Ub+Ub-Ua同步信號(hào)電壓-uTa+uTb-uTb+uTa圖5-2晶閘管單相全控橋中晶閘管的同步信號(hào)電壓同步變壓器二次正弦波電壓uBT經(jīng)D1間接地加在T2的基極上。在uBT負(fù)半周的下降段，D1導(dǎo)通，同步電壓uBT對(duì)C1迅速充電，C1的端電壓uA跟隨uBT變化，T2截止。在uBT負(fù)半周的上升段，電源通過(guò)R1給C1反向充電，由于充電時(shí)間常數(shù)較大，致使電容端電壓uA波形上升比uBT緩慢，D1截止。隨著C1反向充電，A點(diǎn)電位按指數(shù)規(guī)律逐漸上升，當(dāng)A點(diǎn)電位大于1V后，D2、T2開(kāi)始導(dǎo)通，uA穩(wěn)定在1.4V左右。因此可使T2截止時(shí)間大于180°，達(dá)到240°左右。

由WD1、R2、R4、WR1及T1組成恒流電路。在T2截止時(shí)，+12V直流電源經(jīng)WR1、R4和T1對(duì)C2進(jìn)行恒流充電。在T2導(dǎo)通后，電容C2通過(guò)R3和T2放電，由于R3電阻很小，所以C2迅速放電，使T3基極電位迅速降到0V附近。于是在C2兩端形成底寬為240°左右的正鋸齒波電壓，此電壓通過(guò)T3組成的射極跟隨器輸出。由于可逆系統(tǒng)，電路需要在整流和逆變狀態(tài)下工作，這時(shí)要求脈沖移相范圍約為180°，考慮到鋸齒波波形兩端的非線性，因而要求鋸齒波寬度大于180°。4驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)4.1典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTO是電流驅(qū)動(dòng)型器件。它的導(dǎo)通控制與普通晶閘管相似，但對(duì)觸發(fā)前沿的幅值和陡度要求較高，且一般需要在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正向門(mén)極電流。要使GTO關(guān)斷則需施加反向門(mén)極電流，對(duì)其幅值和陡度的要求則更高，幅值需達(dá)到陽(yáng)極電流的1/3左右，陡度需達(dá)50A/s，其中強(qiáng)負(fù)脈沖寬度約30s，負(fù)脈沖總寬度100s，關(guān)斷后還需在門(mén)極-陰極間施加約5V的負(fù)偏壓，以提高器件的抗干擾能力。GTO一般用于大容量電流的場(chǎng)合，其驅(qū)動(dòng)電路通常包括開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門(mén)極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直流耦合式兩種類(lèi)型。直流耦合式驅(qū)動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可以得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較為廣泛，其缺點(diǎn)是功耗大，效率低。直流耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路的電源由高頻電源經(jīng)二極管整流后得到，二極管VD1和電容C1提供+5V電壓，VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路，提供+15V電壓，VD4和電容C4提供-15V電壓。場(chǎng)效應(yīng)晶體管V1開(kāi)通時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖；V2開(kāi)通時(shí)，輸出正脈沖平頂部分；V2關(guān)斷而V3開(kāi)通時(shí)輸出負(fù)脈沖；V3關(guān)斷后電阻R3和R4提供門(mén)極負(fù)偏壓。4.2電力電子器件的保護(hù)在電力電子器件電路中，除了電力電子器件參數(shù)要選擇合適，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓保護(hù)，過(guò)電流保護(hù)，du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必不可少的。4.2.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(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)。(1):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，包括：操作過(guò)電壓：由分閘，合閘等開(kāi)關(guān)操作引起的過(guò)電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過(guò)電壓會(huì)由供電變壓器電磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間的存在的分布電容靜電感應(yīng)耦合過(guò)來(lái)。雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起的過(guò)電壓。(2):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，包括以下幾個(gè)部分。換相過(guò)電壓：由于晶閘管或者與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結(jié)束后不能恢復(fù)阻斷能力時(shí)，因而有較大的反向電流通過(guò)，使殘存的載流子恢復(fù)，而當(dāng)其恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會(huì)因線路電感而在晶閘管陰陽(yáng)極這間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過(guò)電壓。關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，因正向電流的迅速降低而線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。各電壓保護(hù)措施及配置位置，各電力電子裝置可視具體情況只來(lái)用采用其中的幾種。其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過(guò)電壓的裝置，其功能屬于緩沖電路的范疇。在抑制外因過(guò)電壓的措施中，采用RS過(guò)電壓抑制電路是最為常見(jiàn)的。RC過(guò)電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（通常供電電網(wǎng)一側(cè)稱(chēng)網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱(chēng)閥側(cè)）或電力電子電路的直側(cè)流。對(duì)于大容量的電力電子裝置，可采用圖1－39所示的反向阻斷式RC電路。有關(guān)保護(hù)電路的參數(shù)計(jì)算可參考相關(guān)的工程手冊(cè)。采用雪崩二極管，金屬氧化物壓敏電阻，硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件來(lái)限制或吸收過(guò)電壓也是較為常用的手段。4.2.2過(guò)電流保護(hù)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流現(xiàn)象。過(guò)電流分載和短路兩種情況。一般電力電子均同時(shí)采用幾種過(guò)電壓保護(hù)措施，怪提高保護(hù)的可靠性和合理性。在選擇各種保護(hù)措施時(shí)應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器只作為短路時(shí)的部分區(qū)斷的保護(hù)，直流快速斷路器在電子電力動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：1、電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)快熔熔斷后實(shí)際承受的電壓來(lái)確定。2、電流容量應(yīng)按照其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體體器件串聯(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It值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許It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?？烊蹖?duì)器件的保護(hù)方式分為全保護(hù)和短保護(hù)兩種。全保護(hù)是指無(wú)論過(guò)載還是短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕量較大的場(chǎng)合。短路保護(hù)方式是指快熔只要短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護(hù)作用，此方式需與其他過(guò)電流保護(hù)措施相配合。對(duì)一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或者工作頻率較高，很難用快熔保護(hù)的全控型器件，需要采用電子電路進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。除了對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的沖擊電流等變化較慢的過(guò)電流可以用控制系統(tǒng)本身調(diào)節(jié)器進(jìn)行對(duì)電流的限制之外，需設(shè)置專(zhuān)門(mén)的過(guò)電流保護(hù)電子電路，檢測(cè)到過(guò)流之后直接調(diào)節(jié)觸發(fā)，驅(qū)動(dòng)電路，或者關(guān)斷被保護(hù)器件。此外，常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)，這種措施對(duì)器件過(guò)電流的5.單相橋式全控整流電路原理說(shuō)明5.1.阻感性負(fù)載1）工作原理:假設(shè)電路已經(jīng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，圖5.1阻感性負(fù)載電路（a）工作波形（b）假設(shè)，負(fù)載電流連續(xù)，近似為一平直的直線。（1）輸出電壓平均值Ud和輸出電流平均值Id（2）晶閘管的電流平均值IdT和有效值IT（3）輸出電流有效值I和變壓器二次電流有效值I2（4）晶閘管所承受的最大正向電壓和反向電壓均為6．元器件和電路參數(shù)計(jì)算6.1元件選取-----晶閘管（SCR）6.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從總體結(jié)構(gòu)上看，可區(qū)分為管芯及散熱器兩大部分，分別如圖1-6及圖1-7所示。

a）螺栓型b）平板型c）符號(hào)圖6.1晶閘管管芯及電路符號(hào)表示管芯是晶閘管的本體部分，由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，具有三個(gè)與外電路可以連接的電極：陽(yáng)極Ａ，陰極Ｋ和門(mén)極（或稱(chēng)控制極）Ｇ，其電路圖中符號(hào)表示如圖1-6c）所示。散熱器則是為了將管芯在工作時(shí)由損耗產(chǎn)生的熱量帶走而設(shè)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(gè)面?zhèn)鬟f熱量。\a）自冷b）風(fēng)冷c）水冷

圖6.2晶閘管的散熱器晶閘管管芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，是一個(gè)四層（P1—N1—P2—N2）三端（A、K、G）的功率半導(dǎo)體器件。它是在N型的硅基片（N1）的兩邊擴(kuò)散Ｐ型半導(dǎo)體雜質(zhì)層（P1、P2），形成了兩個(gè)PN結(jié)J1、J2。再在P2層內(nèi)擴(kuò)散Ｎ型半導(dǎo)體雜質(zhì)層N2又形成另一個(gè)PN結(jié)J3。然后在相應(yīng)位置放置鉬片作電極，引出陽(yáng)極A，陰極K及門(mén)極G，形成了一個(gè)四層三端的大功率電子元件。這個(gè)四層半導(dǎo)體器件由于三個(gè)PN結(jié)的存在，決定了它的可控導(dǎo)通特性。圖6.3晶閘管管芯結(jié)構(gòu)原理圖6.1.2晶閘管的工作原理通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：1）只有當(dāng)晶閘管同時(shí)承受正向陽(yáng)極電壓和正向門(mén)極電壓時(shí)晶閘管才能導(dǎo)通，兩者不可缺一。2）晶閘管一旦導(dǎo)通后門(mén)極將失去控制作用，門(mén)極電壓對(duì)管子隨后的導(dǎo)通或關(guān)斷均不起作用，故使晶閘管導(dǎo)通的門(mén)極電壓不必是一個(gè)持續(xù)的直流電壓，只要是一個(gè)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(kāi)通特性及負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。這個(gè)脈沖常稱(chēng)之為觸發(fā)脈沖。3）要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使陽(yáng)極電流降低到某一數(shù)值之下（約幾十毫安）。這可以通過(guò)增大負(fù)載電阻，降低陽(yáng)極電壓至接近于零或施加反向陽(yáng)極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流稱(chēng)為維持電流，是晶閘管的一個(gè)重要參數(shù)。晶閘管為什么會(huì)有以上導(dǎo)通和關(guān)斷的特性，這與晶閘管內(nèi)部發(fā)生的物理過(guò)程有關(guān)。晶閘管是一個(gè)具有P1—N1—P2—N2四層半導(dǎo)體的器件，內(nèi)部形成有三個(gè)PN結(jié)J1、J2、J3，晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，其中J1、J3承受反向阻斷電壓，J2承受正向阻斷電壓。這三個(gè)PN結(jié)的功能可以看作是一個(gè)PNP型三極管VT1（P1—N1—P2）和一個(gè)NPN型三極管VT2（N1—P2—N2）構(gòu)成的復(fù)合作用，如圖1-9所示。圖6.4晶閘管的等效復(fù)合三極管效應(yīng)可以看出，兩個(gè)晶體管連接的特點(diǎn)是一個(gè)晶體管的集電極電流就是另一個(gè)晶體管的基極電流，當(dāng)有足夠的門(mén)極電流Ig流入時(shí)，兩個(gè)相互復(fù)合的晶體管電路就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋，導(dǎo)致兩個(gè)晶體管飽和導(dǎo)通，也即晶閘管的導(dǎo)通。如果晶閘管承受的是反向陽(yáng)極電壓，由于等效晶體管VT1、VT2均處于反壓狀態(tài)，無(wú)論有無(wú)門(mén)極電流Ig，晶閘管都不能導(dǎo)通。6.1.3晶閘管的基本特性1．靜態(tài)特性靜態(tài)特性又稱(chēng)伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關(guān)系。這里介紹陽(yáng)極伏安特性和門(mén)極伏安特性。（1）陽(yáng)極伏安特性晶閘管的陽(yáng)極伏安特性表示晶閘管陽(yáng)極與陰極之間的電壓Uak與陽(yáng)極電流ia之間的關(guān)系曲線，如圖1-10所示。圖6.5晶閘管陽(yáng)極伏安特性①正向阻斷高阻區(qū)；②負(fù)阻區(qū)；③正向?qū)ǖ妥鑵^(qū)；④反向阻斷高阻區(qū)陽(yáng)極伏安特性可以劃分為兩個(gè)區(qū)域：第Ⅰ象限為正向特性區(qū)，第Ⅲ象限為反向特性區(qū)。第Ⅰ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(mén)極伏安特性晶閘管的門(mén)極與陰極間存在著一個(gè)PN結(jié)J3，門(mén)極伏安特性就是指這個(gè)PN結(jié)上正向門(mén)極電壓Ug與門(mén)極電流Ig間的關(guān)系。由于這個(gè)結(jié)的伏安特性很分散，無(wú)法找到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門(mén)極特性和一條極限低阻門(mén)極特性之間的一片區(qū)域來(lái)代表所有元件的門(mén)極伏安特性，如圖1-11陰影區(qū)域所示。圖6.6晶閘管門(mén)極伏安特性2．動(dòng)態(tài)特性晶閘管常應(yīng)用于低頻的相控電力電子電路時(shí)，有時(shí)也在高頻電力電子電路中得到應(yīng)用，如逆變器等。在高頻電路應(yīng)用時(shí)，需要嚴(yán)格地考慮晶閘管的開(kāi)關(guān)特性，即開(kāi)通特性和關(guān)斷特性。（1）開(kāi)通特性晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過(guò)程為開(kāi)通過(guò)程。圖1-12給出了晶閘管的開(kāi)關(guān)特性。在晶閘管處在正向阻斷的條件下突加門(mén)極觸發(fā)電流，由于晶閘管內(nèi)部正反饋過(guò)程及外電路電感的影響，陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)需要一定的時(shí)間。從突加門(mén)極電流時(shí)刻到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)定值IT的10%所需的時(shí)間稱(chēng)為延遲時(shí)間td，而陽(yáng)極電流從10%IT上升到90%IT所需的時(shí)間稱(chēng)為上升時(shí)間tr，延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和為晶閘管的開(kāi)通時(shí)間

tgt=td+tr，普通晶閘管的延遲時(shí)間為0.5～1.5μs，上升時(shí)間為0.5～3μs。延遲時(shí)間隨門(mén)極電流的增大而減少，延遲時(shí)間和上升時(shí)間隨陽(yáng)極電壓上升而下降。圖6.7晶閘管的開(kāi)關(guān)特性（2）關(guān)斷特性通常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用電源、負(fù)載和輔助換流電路來(lái)提供。要關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽(yáng)極電壓。晶閘管的關(guān)斷，就是要使各層區(qū)內(nèi)載流子消失，使元件對(duì)正向陽(yáng)極電壓恢復(fù)阻斷能力。突加反向陽(yáng)極電壓后，由于外電路電感的存在，晶閘管陽(yáng)極電流的下降會(huì)有一個(gè)過(guò)程，當(dāng)陽(yáng)極電流過(guò)零，也會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)電流，反向電流達(dá)最大值IRM后，再朝反方向快速衰減接近于零，此時(shí)晶閘管恢復(fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。6.1.4晶閘管的主要參數(shù)要正確使用一個(gè)晶閘管，除了了解晶閘管的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性外，還必須定量地掌握晶閘管的一些主要參數(shù)。現(xiàn)對(duì)經(jīng)常使用的幾個(gè)晶閘管的參數(shù)作一介紹。1．電壓參數(shù)（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM門(mén)極開(kāi)路，元件額定結(jié)溫時(shí)，從晶閘管陽(yáng)極伏安特性正向阻斷高阻區(qū)（圖1-10中的曲線①）漏電流急劇增長(zhǎng)的拐彎處所決定的電壓稱(chēng)斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM，“不重復(fù)”表明這個(gè)電壓不可長(zhǎng)期重復(fù)施加。取斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓的90％定義為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM，“重復(fù)”表示這個(gè)電壓可以以每秒50次，每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms的重復(fù)方式施加于元件上。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM門(mén)極開(kāi)路，元件額定結(jié)溫時(shí)，從晶閘管陽(yáng)極伏安特性反向阻斷高阻區(qū)（圖1-10中曲線④）反向漏電流急劇增長(zhǎng)的拐彎處所決定的的電壓稱(chēng)為反向不重復(fù)峰值電壓URSM，這個(gè)電壓是不能長(zhǎng)期重復(fù)施加的。取反向不重復(fù)峰值電壓的90％定義為反向重復(fù)峰值電壓URRM，這個(gè)電壓允許重復(fù)施加。（3）晶閘管的額定電壓UR取UDRM和URRM中較小的一個(gè)，并整化至等于或小于該值的規(guī)定電壓等級(jí)上。電壓等級(jí)不是任意決定的，額定電壓在1000Ｖ以下是每100Ｖ一個(gè)電壓等級(jí)，1000Ｖ至3000Ｖ則是每200Ｖ一個(gè)電壓等級(jí)。由于晶閘管工作中可能會(huì)遭受到一些意想不到的瞬時(shí)過(guò)電壓，為了確保管子安全運(yùn)行，在選用晶閘管時(shí)應(yīng)使其額定電壓為正常工作電壓峰值UM的2~3倍，以作安全余量。UR=（2~3）UM（1-4）（4）通態(tài)平均電壓UT（AV）指在晶閘管通過(guò)單相工頻正弦半波電流，額定結(jié)溫、額定平均電流下，晶閘管陽(yáng)極與陰極間電壓的平均值，也稱(chēng)之為管壓降。在晶閘管型號(hào)中，常按通態(tài)平均電壓的數(shù)值進(jìn)行分組，以大寫(xiě)英文字母A～I(xiàn)表示。通態(tài)平均電壓影響元件的損耗與發(fā)熱，應(yīng)該選用管壓降小的元件來(lái)使用。2．電流參數(shù)（1）通態(tài)平均電流IT（AV）在環(huán)境溫度為＋40℃、規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管元件在電阻性負(fù)載的單相、工頻、正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°的電路中，當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125℃時(shí)所允許的通態(tài)時(shí)的最大平均電流稱(chēng)為額定通態(tài)平均電流IT（AV）。選用晶閘管時(shí)應(yīng)根據(jù)有效電流相等的原則來(lái)確定晶閘管的額定電流。由于晶閘管的過(guò)載能力小，為保證安全可靠工作，所選用晶閘管的額定電流IT（AV）應(yīng)使其對(duì)應(yīng)有效值電流為實(shí)際流過(guò)電流有效值的1.5～2倍。按晶閘管額定電流的定義，一個(gè)額定電流為100A的晶閘管，其允許通過(guò)的電流有效值為157A。晶閘管額定電流的選擇可按下式計(jì)算。（1-5）（2）維持電流IH維持電流是指晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。維持電流與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關(guān)斷。（3）掣住電流IL晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)并撤除門(mén)極觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)要維持元件導(dǎo)通所需的最小陽(yáng)極電流稱(chēng)為掣住電流。一般掣住電流比維持電流大（2～4）倍。3．晶閘管的型號(hào)普通型晶閘管型號(hào)可表示如下KP[電流等級(jí)]—[電壓等級(jí)/100][通態(tài)平均電壓組別]其中其中K代表閘流特性，P為普通型。如KP500—15型號(hào)的晶閘管表示其通態(tài)平均電流（額定電流）IT（AV）為500A，正反向重復(fù)峰值電壓（額定電壓）UR為1500V，通態(tài)平均電壓組別以英文字母標(biāo)出，小容量的元件可不標(biāo)。6.2晶閘管的選型該電路為大電感負(fù)載，電流波形可看作連續(xù)且平直的。Ud=100V時(shí)，不計(jì)控制角余量按=0o計(jì)算由Ud=0.9U2得U2==111V取150VU=（2~3）U=（2~3）U2=（2~3）150V=735~1102V取U為1000V當(dāng)=1時(shí)，晶閘管額定電流===0.64A 考慮2倍裕量：取1.28A7整流變壓器額定參數(shù)計(jì)算在很多情況下晶閘管整流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)往往不能一致，同時(shí)又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，使整流主電路與電網(wǎng)隔離，為此需要配置整流變壓器。整流變壓器根據(jù)主電路的型式、負(fù)載額定電壓和額定電流，算出整流變壓器二次相電壓U2、一次與二次額定電流以及容量。由于整流變壓器二次與一次電流都不是正弦波，因而存在著一定的諧波電流，引起漏抗增大，外特性變軟以及損耗增大，所以在設(shè)計(jì)或選用整流變壓器時(shí)，應(yīng)考慮這些因素。7.1二次相電壓U2平時(shí)我們?cè)谟?jì)算U2是在理想條件下進(jìn)行的，但實(shí)際上許多影響是不可忽略的。如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、管子本身的壓