成稿單相半控橋式晶閘管整流電路課程設(shè)計

1、電力電子之遲辟智美創(chuàng)作課程設(shè)計單相半控橋式晶閘管整流電路設(shè)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(xué)院 專業(yè)年級： 電氣工程自動化姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)老師：起止日期：一、設(shè)計題目單相半控橋式晶閘管整流電路設(shè)計（帶續(xù)流二極管、反電勢、電阻負載）二、設(shè)計目的通過電力電子變流技術(shù)的課程設(shè)計到達以下幾個目的：1、培養(yǎng)學(xué)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(xué)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(xué)生運用知識的能力和工程設(shè)計的能力.4、培養(yǎng)學(xué)生運用仿真工具的能力和方法.5、提高學(xué)生課程設(shè)計陳說撰寫水平 .三、設(shè)計數(shù)據(jù)1、電源電壓：交流

2、100V/50Hz2、輸出功率： 500W3、移相范圍30o150o4、反電勢：E=70V四、設(shè)計內(nèi)容：單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計 （帶續(xù)流二極管）（反電勢、電阻負載）五、設(shè)計要求（ 1 ）畫出電路原理圖（ 2 ）完成參數(shù)計算六、課程設(shè)計陳說要求課程設(shè)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(shè)計陳說很多于 20頁.1、設(shè)計的基本要求（給出所要設(shè)計的裝置的主要技術(shù)數(shù)據(jù)和設(shè)計裝置要到達的要求（包括性能指標） ，最好劍術(shù)所設(shè)計裝置的主要用途）2、總體方案簡直定（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(shè)計（主電路設(shè)控制電路設(shè)計以及參數(shù)計算等）4、附錄（電路

3、圖，仿真結(jié)果圖等）5、參考文獻前言電力電子學(xué) ,又稱功率電子學(xué) （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(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)在強電（高電壓、年夜電流）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.隨著科學(xué)技術(shù)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)實際中需要年夜小可調(diào)的直流電源, 而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡單、 控制方便、 性能穩(wěn)

4、定 ,利用它可以方便地獲得年夜中、 小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,獲得了廣泛應(yīng)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，而在許多場所， 例如電解、蓄電池的充電、直流電念頭等，需要用直流電 .要獲得直流電，除直流發(fā)機電外，最普遍應(yīng)用的是利用各種半導(dǎo)體元件發(fā)生直流電 .這個方法中，整流是最基礎(chǔ)的一步.整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，把方向和年夜小交變的電流變換為直流電 .整流的基礎(chǔ)是整流電路.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)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

5、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)好這門課就必需做好課程設(shè)計，因而我們進行了此次課程設(shè)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(gòu)也是比力多的 .單相橋式半控整流電路， 對每個導(dǎo)電回路進行控制，相對全控橋而言少了一個控制器件，用二極管取代，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(shè)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(shè)計波 形 圖：電源電壓：交流100V/50Hz ，輸出功率： 500

6、KW ，移相范圍3061500,反電勢：E=70V.設(shè) R=5Q2.3變壓器一 、二次側(cè)電流的計算P=Ud2/R Ud=50v.P=Id2R, Id=10AU1/U2=220/100=11/5,N1/N2=11/5I2=5id /6=25/3A第三章 電路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 .晶閘管是年夜功率的半導(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年夜部份，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暗示管芯是晶閘管的本體部份， 由半導(dǎo)體資料構(gòu)成， 具有三個

7、 與外電路可以連接的電極：陽極A,陰極K和門極（或稱控 制極）G,其電路圖中符號暗示如圖1-6c）所示.散熱器則是為了將管芯在工作時由損耗發(fā)生的熱量帶走而設(shè)置的冷卻器 .依照晶閘管管芯與散熱器間的裝置方式，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(fēng)冷c）水冷圖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）的兩邊擴散P型半導(dǎo)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N

8、型 半導(dǎo)體雜質(zhì)層N2又形成另一個PN結(jié)J3.然后在相應(yīng)位置放 置鉬片作電極，引出陽極A ，陰極 K 及門極 G ，形成了一個四層三真?zhèn)€年夜功率電子元件.這個四層半導(dǎo)體器件由于三個 PN 結(jié)的存在，決定了它的可控導(dǎo)通特性 .通過理論分析和實驗驗證標明：1）只有當晶閘管同時接受正向陽極電壓和正向門極電壓時晶閘管才華導(dǎo)通，兩者不成缺一.2）晶閘管一旦導(dǎo)通后門極將失去控制作用，門極電壓對管子隨后的導(dǎo)通或關(guān)斷均不起作用，故使晶閘管導(dǎo)通的門極電壓不用是一個繼續(xù)的直流電壓，只要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(guān).這個脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖 .3)要使已導(dǎo)通的晶閘管

9、關(guān)斷，必需使陽極電流降低到奧 一數(shù)值之下(約幾十毫安).這可以通過增年夜負載電阻，降 低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實現(xiàn).這個能堅持晶閘管導(dǎo)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(dǎo)通和關(guān)斷的特性，這與晶閘管內(nèi)部發(fā)生的物理過程有關(guān).晶閘管是一個具有 P1-N1-P2-N2 四層半導(dǎo)體的器件，內(nèi)部形成有三個PN結(jié)J1、J2、J3,晶閘管接受正向陽極電壓時，其中J1、J3接受反向阻斷電壓，J2接受正向阻斷電壓.這三個PN結(jié)的功能可以看作是一個 PNP型三極管 VT1 (P1 N1P2)和一個NPN型三極管 VT2 (N1-P2-N2)構(gòu)成的復(fù)合作用，如圖

10、1-9所示.圖晶閘管的等效復(fù)合三極管效應(yīng)可以看由，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(fù)合的晶體管電路就會形成強烈的正反 饋，招致兩個晶體管飽和導(dǎo)通，也即晶閘管的導(dǎo)通如果晶閘管接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(dǎo)通.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(guān)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的陽極伏安特性暗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(guān)系曲線，如圖 1-10所示. 正向阻斷高阻區(qū)；負

11、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I象限為正向特性 區(qū)，第田象限為反向特性區(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(guān)系 .由于這個結(jié)的伏安特性很分散， 無法找到一條典范的代表曲線，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 陰影區(qū)域所示.2靜態(tài)特性晶閘管常應(yīng)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獲得應(yīng)用，如逆變器等.在高頻

12、電路應(yīng)用時，需要嚴格地考慮晶閘管的開關(guān)特性，即開通特性和關(guān)斷特性 .1 ）開通特性晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程為開通過程.圖 1-12給出了晶閘管的開關(guān)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間tgt=td+tr ,普通晶閘管的延遲時間為0.51.5以,s上升時間為0.53以s延遲時間隨門極電流的增年夜而減少，

13、延遲時 TOC o 1-5 h z 間和上升時間隨陽極電壓上升而下降.（ 2 ）關(guān)斷特性通常采納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、負載和輔助換流電路來提供.要關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽極電壓.晶閘管的關(guān)斷，就是要使各層區(qū)內(nèi)載流子消失，使元件對正向陽極電壓恢復(fù)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，也會呈現(xiàn)反向恢復(fù)電流，反向電流達最年夜值IRM后，再朝反方向快速衰減接近于零，此時晶閘管恢復(fù)對 反向電壓的阻斷能力.3.14整流元件中電壓、電流最年夜值的計算UTA=(23) V2U2=2 & x& X1

14、00=400VI=(1.52)k Id=2 0.75 X0=15A晶閘管的型號為：Kp15-4第四章呵護元件的選擇采納快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的 一種過電流呵護辦法.在選擇快熔時應(yīng)考慮：1)電壓品級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際接受的電壓來確定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.快熔一般與電力半導(dǎo)體器件串連連接，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12t值應(yīng)小于被呵護器件的允許 12t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10A,快速熔斷器的熔斷電流年夜于1.5倍的晶閘管額定電流，所以快速

15、熔斷器的熔斷電 流為15A.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；外部呈現(xiàn)負載過載；直 流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)發(fā)生逆變失??；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越正常工作電流， 即呈現(xiàn)過電流.因此， 必需對電力電子裝置進行適當?shù)倪^電流呵護 .設(shè)備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的把持過電壓和雷擊過電壓的侵襲. 同時， 設(shè)備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓呈現(xiàn). 因此， 必需對電力電子裝置進行適當?shù)倪^電壓呵護 .圖 4.3 過流呵護原理圖第五章 單相半控橋式晶閘管整流電路的相控觸發(fā)電路單結(jié)晶體管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)主要有移

16、相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等 .觸發(fā)電路對其發(fā)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(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越掣住電流而維持導(dǎo)通 .觸發(fā)脈沖必需與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必需滿足電路要求.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、溫度賠償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點，在容量小的晶閘管裝置中獲得了廣泛應(yīng)用.他由自激震蕩、同步電源、 移相、脈沖形成等部份組成，電路圖如圖所示 .第六章 單相半控橋式晶閘管整流電路設(shè)計 總設(shè)計結(jié)果系統(tǒng)原

17、理方框圖如圖所示：該電路主要由主電路和觸發(fā)電路構(gòu)成， 輸入的信號市電 220v經(jīng)變壓器變壓后釀成100v ，由觸發(fā)電路來控制導(dǎo)通角 .保證電路呈現(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呵護電路. 然后將經(jīng)變壓和呵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)信號的作用下舉措， 以發(fā)揮整流電路的整流作用 .加續(xù)流二極管是為了防止整流失控.在電路中 ,過電呵護部份我們分別選擇的快速熔斷器做過流呵護 ,而過壓呵護則采納 RC 電路.這部份的選擇主要考慮到電路的簡單性， 所以才這樣的呵護電路部份.整流部份電路則是根據(jù)題目的要求，選擇的我們學(xué)過的單相半控橋式整流電路

18、.總結(jié)：通過單相半控橋式整流電路的設(shè)計，使我加深了對整流電路 TOC o 1-5 h z 的理解，讓我對電力電子該課程發(fā)生了濃烈的興趣.對一個電路的設(shè)計，首先應(yīng)該對它的理論知識很了解， 這樣才華設(shè)計出性能好的電路.整流電路中， 開關(guān)器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關(guān)鍵的，開關(guān)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年夜.在這次課程設(shè)計過程中， 碰到的難題就是對晶閘管的相關(guān)參數(shù)的計算，因為在學(xué)習(xí)中沒能很好的系統(tǒng)的總結(jié)晶閘管相關(guān)知識 .在整個課程設(shè)計中貫穿的計算過程沒能很好的掌控.在今后的學(xué)習(xí)中要認真總結(jié)經(jīng)驗， 對電力電子課程進行彌補 .為以后深入的學(xué)習(xí)電氣工程及其自動化專業(yè)做鋪墊.通過這次課程設(shè)計我對文檔的編排