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1、电力电子课程设计 课 题: 单相半控式晶闸管整流电路的设计 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 电气0802班 目 录1. 概述32. 设计目的与要求3.3. 方案选择44. 辅助电路的设计64.1 驱动电路的设计4.2 保护电路的设计 4.4 电流上升率、电压上升率的抑制保护5. 主体电路的设计135.1单相半控式晶闸管整流电路图5.2主电路设计与原理分析6. 设计总结157. 参考文献15一概述随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得
2、直流电能的主要方法,得到了广泛应用。但是晶杂管相控整流电路中随着触发角的增大，电流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就构成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为1。这种整流电路称为高功率因素整流器，它具有广泛的应用前景由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好实验和课程设计，因而我们进行了此
3、次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛，而三相晶闸管半控整流电路又有利于夯实基础，故我们单结晶体管触发的单相晶闸管半控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。二设计目的与要求2.1设计目的 “电力电子技术”课程设计时在教学及实验的基础上，对课程所学理论知识的深化高。因此，要求学生能综合应用所学知识，设计出符合条件的电路，能够全面地巩固和应用本课程所学基本理论和基本方法，并初步掌握电路设计的基本方法。培养学生独立思考，独立收集资料，独立设计的能力。2.2 变压器二次侧电压的计算 根据设计要求：电源电压：交流100V/50Hz；输出功率：500W；移相范围：0-180。设R=5，=30o 由
4、 得 U0=50V i0= U0/R=50/5=10A,2.3 变压器一，二侧电流的计算变压器二次侧电流:i2= i0=10A由得:变压器二次侧电压：U2=62V由得：i1=6.2A2.4 变压器容量的计算 变压器容量:S=U1*i1=100*6.2=620VA2.5 变压器型号的选择 选择匝数比N1/N2=50/31，容量S=620VA的变压器。三 . 电路元件的选择3.1晶闸管的选择由于单相交流调压主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。3.1.1晶闸管电压、电流最大值的计算1).晶闸管的主要参数如下：额定电压UNVT通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠
5、近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 UNVT （23）U2 UNVT ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 UNVT=(23)U2=263V额定电流INVT通过晶闸管的电流的平均值IdvT Idvt=i2/2=5AIm=IdVt=15.7A3.1.2晶闸管型号的选择晶闸管的选择原则：所选晶闸管电流有效值IVT大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。、 选择时考虑（1.52）倍的安全余量。即/1.57 INVT =10A 则晶闸管的额定电流为INVT=10A(输出电流的有效值为最小值，所以该额定电
6、流也为最小考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至应大于20A.在本次设计中选用2个KP20-4的晶闸管.四 . 驱动电路的设计4.1驱动电路的设计4.1.1触发电路的论证与选择4.1.1.1单结晶体管的工作原理单结晶体管原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其结构，符号和等效电如下图所示。结晶体管的特性从图一可以看出，两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。Rbb=rb1+rb2式中：Rb1第一基极与发射
7、结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而变化，rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关；发射结是PN结，与二极管等效。若在两面三刀基极b2，b1间加上正电压Vbb，则A点电压为：VA=rb1/（rb1+rb2）vbb=（rb1/rbb）vbb=Vbb式中：称为分压比，其值一般在0.30.85之间，如果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图二：（1）当VeVbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。（2）当VeVbb+VD VD为二极管正向压降（约为0.7V），PN结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随
8、电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对应的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Ip和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然Vp=Vbb。（3）随着发射极电流Ie的不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不再下降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压Vv和谷点电流Iv。（4）过了V后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢的上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果VeVv，管子重新截止。单结晶体管的主要参数（1）基极间电阻Rbb发射极开路时
9、，基极b1，b2之间的电阻，一般为2-10千欧，其数值随温度的上升而增大。（2）分压比由管子内部结构决定的参数，一般为0.3-0.85。（3）eb1间反向电压Vcb1 b2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。（4）反向电流Ieo b1开路，在额定反向电压Vcb2下，eb2间的反向电流。（5）发射极饱和压降Veo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。（6）峰点电流Ip单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电流。4.1.2触发电路晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求： 1）触发信号可为直流、交流或脉冲电
10、压。2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。4.1.2.1 单结晶体管触发电路由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成。4.1.2.2 单结晶体管自激震荡电路利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。经D1-D2整流后的直流电源UZ
11、一路径R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压ue=uc按指数规律上升。Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。随着电容C放电，电压Ue小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us， 其震荡频率为f=1/T=1/ReCLn(1/1-)式中=0.30.9是单结晶体管的分压比。即调节Re，可调节振荡频率图3.1.2.2 单结晶
12、体管触发电路及波形4.1.3同步电源步电压又变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管DZ削波为梯形波uDZ,而削波后的最大值UZ既是同步信号,又是触发电路电源.当UDZ过零时,电容C经e-b1、R1迅速放电到零电压.这就是说,每半周开始,电容C都从零开始充电,进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻(即控制角)一致,实现同步.4.1.4移相控制当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角增大，实现了移相。4.1.5脉冲输出 触发脉冲ug由1直接取出，这种方法简单、经
13、济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以一般采用脉冲变压器输出。4.2保护电路的设计4.2.1 保护电路的论证与选择电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，
14、借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。4.2.2过电流保护当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。采用快速熔断器作过电流保护。熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。最好的办法是晶闸管元
15、件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如下图所示：A型熔断器特点：是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。B型熔断器特点：能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低C型熔断器特点：直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如4.2.3所示4.3 过压保护设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过电压
16、保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。 阻容三角抑制过电压 压敏电阻过压 过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。过电压保护电路4.4 电流上升率、电压上升率的抑制保护1）电流上升率di/dt的抑制晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/s的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图3.4所示:串联电感抑制回路2）电压上升率dv/dt的抑制加在晶闸管上的
17、正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如图4.5所示：图4.5并联R-C阻容吸收回。五主体电路的设计5.1单相半控式晶闸管整流电路图 单相半控式晶闸管整流电路图如图所示，其两臂的二极管被晶闸管取代，在电压器副边电压u的正半周期时，T1和D2承受正向电压。这是如对晶闸管T1引发触发信号，则T1和D2导通，T2和D1承受反向电压而截止。同样在电压u的负半周期时，T2和D1承受正向电压。这
18、是晶闸管T2引入触发信号，则T2和D1导通。这是T1 D2处于截止状态，电压与波形如图所示 单相半控式晶闸管整流电路虽本身有自然续流能力，但在实际中突然把触发角增大，或突然切断触发电路时会发生正在导通的晶闸管一直导通，两个二极管轮流导通的现象。此时出发信号对输出电压失去控制作用，称为失控，这在使用中是不允许的，为消掉失控现象，需另接续流二极管VD。5.2 主电路设计与原理分析 5.2.2原理图分析该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。在电路中还加了防雷击的保护电
19、路。然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。在电路中,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护,而过压保护则采用RC电路。这部分的选择主要考虑到电路的简单性，所以才这样的保护电路部分。整流部分电路则是根据题目的要求，选择的我们学过的单相桥式整流电路。该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能。触发电路是由设计题目而定的，题目要求了用单结晶体管直接触发电路。单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大，而且由于是直接触发电路它的结构比较简单。一方面是方便我们对设计电路中变压器型号的选择。六设计总结
20、通过单相半控桥式晶闸管整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。学习了很多书本上没有的知识，也对课本知识进行了强化和更深的理解，更让我感受到学习不知识一味的书本理性知识还要通过实践才能记忆更扎实更牢靠。对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。在这次课程设计过程中，碰到的难题就是保护电路的设计。因为保护电路的种类较多，因此要选择一个适合本课题的保护电路就比较难。同时在课程设计在制作过程中得到老师与同学们对我的耐心指导、帮助与大力支持这样我才能将课程设计顺利地做完。有这样一个动手的机会，让我得到实践的机会。总之通过这次课程设计，让我们对这门课更加了解，增强了自信，对以后工作和学习都有很大帮助七参考文献（1）：王兆安 黄俊 电力电子技术 机械工业出版社 （2）：莫正康 半导体变流技术 机械工业出版社 （3）：陈治明 电力电子器件基础航天工业出版社 (4)：胡俊翔 电路分析高等教育出版社
