電力電子單相橋式整流電路設(shè)計(jì)報(bào)告VIP

年5月29日電力電子單相橋式整流電路設(shè)計(jì)報(bào)告文檔僅供參考HYPERLINK""電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告電力電子單相橋式整流電路設(shè)計(jì)姓名學(xué)號年級專業(yè)系(院)指導(dǎo)教師01月05日引言電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。一般所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。具體的說,就是使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。當(dāng)前所用的電力電子器件均用半導(dǎo)體制成,故也稱為電力半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)所變換的”電力”,功率能夠大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW,也能夠小到數(shù)W甚至1W以下。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(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)簡單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它能夠方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是當(dāng)前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應(yīng)用。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(shí)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。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。一計(jì)劃任務(wù)書1.1.設(shè)計(jì)任務(wù):1.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)和主要元器件的說明.3.完成主電路的原理分析,各住要元器件的選擇.1.2.課程設(shè)計(jì)的要求熟悉整流和觸發(fā)電路的基本原理,能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識分析設(shè)計(jì)任務(wù)。

(2)掌握基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理;描繪波形并加以判斷。

(3)能正確設(shè)計(jì)電路,畫出線路圖,分析電路原理。

(4)按時(shí)參加課程設(shè)計(jì)指導(dǎo),定期匯報(bào)課程設(shè)計(jì)進(jìn)展情況。

(5)廣泛收集相關(guān)技術(shù)資料。

(6)獨(dú)立思考,刻苦鉆研,嚴(yán)禁抄襲。

(7)按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)任務(wù),認(rèn)真、正確地書寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。

(8)培養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和認(rèn)真的工作作風(fēng)。

二.設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1方案的選擇電源→變壓器→整流電路→負(fù)載↓變壓器→觸發(fā)電路↑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,沒有直流磁化問題,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)。三電路設(shè)計(jì)方案當(dāng)負(fù)載由電阻和電感組成時(shí)稱為阻感性負(fù)載。例如各種電機(jī)的勵(lì)磁繞組,整流輸出端接有平波電抗器的負(fù)載等等。單相橋式整流電路帶阻感性負(fù)載的電路如上圖所示。由于電感儲(chǔ)能,而且儲(chǔ)能不能突變因此電感中的電流不能突變,即電感具有阻礙電流變化的作用。當(dāng)流過電感中的電流變化時(shí),在電感兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,引起電壓降UL負(fù)載中電感量的大小不同,整流電路的工作情況及輸出Ud、id的波形具有不同的特點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載電感量L較小(即負(fù)載阻抗角φ),控制角α〉φ時(shí),負(fù)載上的電流不連續(xù);當(dāng)電感L增大時(shí),負(fù)載上的電流不連續(xù)的可能性就會(huì)減小;當(dāng)電感L很大,且ωLd﹥﹥Rd示時(shí),這種負(fù)載稱為大電感負(fù)載。此時(shí)大電感阻止負(fù)載中電流的變化,負(fù)載電流連續(xù),可看作一條水平直線。在電源電壓u2正半周期間,晶閘管T1、T2承受正向電壓,若在ωt=α?xí)r觸發(fā),T1、T2導(dǎo)通,電流經(jīng)T1、負(fù)載、T2和Tr二次形成回路,但由于大電感的存在,u2過零變負(fù)時(shí),電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢使T1、T2繼續(xù)導(dǎo)通,直到T3、T4被觸發(fā)時(shí),T1、T2承受反向電壓而截止。輸出電壓的波形出現(xiàn)了負(fù)值部分。在電源電壓u2負(fù)半周期間,晶閘管T3、T4承受正向電壓,在ωt=α+π時(shí)觸發(fā),T3、T4導(dǎo)通,T1、T2反向則制,負(fù)載電流從T1、T2中換流至T3、T4中。在ωt=2π時(shí),電壓u2過零,T3、T4因電感中的感應(yīng)電動(dòng)勢一直導(dǎo)通,直到下個(gè)周期T1、T2導(dǎo)通時(shí),T3、T4因加反向電壓才截止。值得注意的是,只有當(dāng)α〈=π/2時(shí),負(fù)載電流才連續(xù),當(dāng)α〉π/2時(shí),負(fù)載電流不連續(xù),而且輸出電壓的平均值均接近于零,因此這種電路控制角的移相范圍是0—π/2。性能指標(biāo)分析:整流電路的性能常見兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)來衡量: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,稱為紋波系數(shù)。1)整流輸出電壓平均值===(3.5.1)2)紋波系數(shù)紋波系數(shù)用來表示直流輸出電壓中相對紋波電壓的大小,即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,門極可關(guān)斷晶閘管(GTO),電力晶閘管(GTR),功率場效應(yīng)晶閘管(MOSFET),絕緣珊雙極晶閘管(IGBT),MOS控制晶閘管,集成門極換向晶閘管.靜電感應(yīng)晶體管。3.4主要元器件的參數(shù)選擇①額定電壓UTn一般取UDRM和URRM中較小的,再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級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2～3倍,以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓·UTn≥(2～3)UTM(5.1)UTM:工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓②額定電流IT(AV)IT(AV)又稱為額定通態(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)載流過正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°的電路中,結(jié)溫不超過額定結(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即為晶閘管的額定電流。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,即使正向電流值沒超過額定值,但峰值電流將非常大,可能會(huì)超過管子所能提供的極限,使管子由于過熱而損壞。在實(shí)際使用時(shí)不論流過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)、ITMITn三者之間的關(guān)系:(5.2)(5.3)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為該波形的波形系數(shù),用Kf表示。(5.4)額定狀態(tài)下,晶閘管的電流波形系數(shù)(5.5)晶閘管承受最大電壓為考慮到2倍裕量,取500V.晶閘管的選擇原則:Ⅰ、所選晶閘管電流有效值ITn大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。Ⅱ、選擇時(shí)考慮(1.5～2)倍的安全余量。即ITn＝1.57IT(AV)＝(1.5～2)ITMIT(AV)≥(1.5～2)(5.6)因?yàn)镮T=I/,則晶閘管的額定電流為=12.5A(輸出電流的有效值為最小值,因此該額定電流也為最小值)考慮到2倍裕量,取25A.即晶閘管的額定電流至少應(yīng)大于25A.在本次設(shè)計(jì)中我選用4個(gè)MCR100-8的晶閘管.Ⅲ、若散熱條件不符合規(guī)定要求時(shí),則元件的額定電流應(yīng)降低使用。③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)陽極與陰極電壓的平均值,一般在0.4～1.2V。④維持電流IH。指在常溫門極開路時(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。⑤門極觸發(fā)電流Ig。在常溫下,陽極電壓為6V時(shí),使晶閘管能完全導(dǎo)通所需的門極電流,一般為毫安級。⑥斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開路的情況下,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。⑦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)在晶閘管剛開通時(shí),有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi),從而造成局部過熱而損壞晶閘管。四.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)通期間施加正向門極電流。要使GTO關(guān)斷則需施加反向門極電流,對其幅值和陡度的要求則更高,幅值需達(dá)到陽極電流的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合,其驅(qū)動(dòng)電路一般包括開通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門極反偏電路三部分,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,能夠得到較陡的脈沖前沿,因此當(dāng)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。場效應(yīng)晶體管V1開通時(shí),輸出正強(qiáng)脈沖;V2開通時(shí),輸出正脈沖平頂部分;V2關(guān)斷而V3開通時(shí)輸出負(fù)脈沖;V3關(guān)斷后電阻R3和R4提供門極負(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,采用合適的過電壓保護(hù),過電流保護(hù),du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必不可少的。4.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。(1):外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因,包括:操作過電壓:由分閘,合閘等開關(guān)操作引起的過電壓,電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會(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)耦合過來。雷擊過電壓:由雷擊引起的過電壓。(2):內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程,包括以下幾個(gè)部分。換相過電壓: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經(jīng)過,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)生過電壓。關(guān)斷過電壓: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用采用其中的幾種。其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的裝置,其功能屬于緩沖電路的范疇。在抑制外因過電壓的措施中,采用RS過電壓抑制電路是最為常見的。RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)(一般供電電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè),電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè))或電力電子電路的直側(cè)流。對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。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)等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較為常見的手段。4.2.2過電流保護(hù)電力電子電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時(shí),可能會(huì)發(fā)生過電流現(xiàn)象。過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)。一般,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),過電流繼電器在過載時(shí)動(dòng)作。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮:1、電壓等級應(yīng)根據(jù)快熔熔斷后實(shí)際承受的電壓來確定。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載情況下不熔化,應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。快熔對器件的保護(hù)方式分為全保護(hù)和短保護(hù)兩種。全保護(hù)是指無論過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,此方式需與其它過電流保護(hù)措施相配合。對一些重要的且易發(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)行過電流保護(hù)。除了對電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的沖擊電流等變化較慢的過電流能夠用控制系統(tǒng)本身調(diào)節(jié)器進(jìn)行對電流的限制之外,需設(shè)置專門的過電流保護(hù)電子電路,檢測到過流之后直接調(diào)節(jié)觸發(fā),驅(qū)動(dòng)電路,或者關(guān)斷被保護(hù)器件。另外,常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié),這種措施對器件過電流的五.單相橋式全控整流電路原理說明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六．元器件和電路參數(shù)計(jì)算6.1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)符號圖6.1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(dǎo)體材料構(gòu)成,具有三個(gè)與外電路能夠連接的電極: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,引出陽極A,陰極K及門極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6.2晶閘管的工作原理經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明:1)只有當(dāng)晶閘管同時(shí)承受正向陽極電壓和正向門極電壓時(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通特性及負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。這個(gè)脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。3)要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷,必須使陽極電流降低到某一數(shù)值之下(約幾十毫安)。這能夠經(jīng)過增大負(fù)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(shí)現(xiàn)。這個(gè)能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流,是晶閘管的一個(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)的功能能夠看作是一個(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)能夠看出,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。6..3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(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(guān)系曲線,如圖1-10所示。圖6.5晶閘管陽極伏安特性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)陽極伏安特性能夠劃分為兩個(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)門極伏安特性晶閘管的門極與陰極間存在著一個(gè)PN結(jié)J3,門極伏安特性就是指這個(gè)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(gè)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陰影區(qū)域所示。圖6.6晶閘管門極伏安特性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)通的過程為開經(jīng)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(shí)間。從突加門極電流時(shí)刻到陽極電流上升到穩(wěn)定值IT的10%所需的時(shí)間稱為延遲時(shí)間td,而陽極電流從10%IT上升到90%IT所需的時(shí)間稱為上升時(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)間隨門極電流的增大而減少,延遲時(shí)間和上升時(shí)間隨陽極電壓上升而下降。圖6.7晶閘管的開關(guān)特性(2)關(guān)斷特性一般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提供。要關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管,一般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(huì)有一個(gè)過程,當(dāng)陽極電流過零,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)對反向電壓的阻斷能力。6.4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1.28A七.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,因此在設(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)我們在計(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)、管子本身的壓降以及整流變壓器等效內(nèi)阻造成的壓降等。因此設(shè)計(jì)時(shí)U2應(yīng)按下式計(jì)算:U2=式中U——負(fù)載的額定電壓;——整流元件的正向?qū)▔航?一般取1V;——電流回路所經(jīng)過的整流元件(VT及VD)的個(gè)數(shù)(如橋式=2,半波電路=1);A——理想情況下=0o時(shí)U與U2的比值,查表可知;——電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù),一般取0;——最少移相角,在自動(dòng)控制系統(tǒng)中總希望U2值留有調(diào)節(jié)余量,對于可逆直流調(diào)速系統(tǒng)取30o~35o,不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)取10o~15o;C——線路接線方式系數(shù),查表單相橋式C取0V;U——變壓器阻抗電壓比,100KV以及取U=0.05,100KVA以上取U=0.05~0.1;——二次側(cè)允許的最大電流與額定電流之比。 對于一般的中小容量整流調(diào)壓裝置,其U2值也能夠用以下公式估算: U2=(1.15~1.2)因此根據(jù)以知的參數(shù)及查表得:U2==143.9V故我們選擇晶閘管的型號為:KP1.2810。7.2一次與二次額定電流及容量計(jì)算如果不計(jì)變壓器的勵(lì)磁電流,根據(jù)變壓器磁動(dòng)勢平衡原理可得一次和二次電流關(guān)系式為:K==式中、——變壓器一次和二次繞組的匝數(shù);K——變壓器的匝數(shù)比。由于整流變壓器流過的電流一般都是非正弦波,因此其電流、容量計(jì)算與線路型式有關(guān)。單相橋式可控整流電路計(jì)算如下:大電感負(fù)載時(shí)變壓器二次電流的有效值為2=Id=I=1AU2=110V由一次側(cè)和二次側(cè)電壓得:===2==0.5故=0.5A變壓器二次側(cè)容量為S2=U2==110KVA八.設(shè)計(jì)結(jié)果分析該電路為大電感負(fù)載,電流波形可看作連續(xù)且平直的。(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IdvT和有效值IvT(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