成稿单相半控桥式晶闸管整流电路课程设计概要

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1、电力电子课程设计单相半控桥式晶闸管整流电路设计（带续流二极管、反电势 电阻负载）院 别：机械与电子工程学院专业年级： 电气工程自动化姓 名：学 号：指导老师：起止日期：1. 设计任务书一、设计题目单相半控桥式晶闸管整流电路设计（带续流二极管、反电势、电阻负载）二、设计目的通过电力电子变流技术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用In ternet检索需要的文献资料。2培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。5、提高学生课程设计报告撰写水平。三、设计数据：1 、电源电压：交流

2、100V/50HZ2 、输出功率：500W3、移相范围30（150o4、反电势：E=70V四、设计内容：单相半控桥式晶闸管整流电路的设计 （带续流二极管）（反电势、 电阻负载）五、设计要求 （1）画出电路原理图（2）完成参数计算六、课程设计报告要求 课程设计用纸和格式统一，要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。设 计报告不少于 20 页。1、设计的基本要求（给出所要设计的装置的主要技术数据和设计装 置要达到的要求 （包括性能指标），最好剑术所设计装置的主要用途）2、总体方案的确定（包括调制方式， pwm 控制方法，主电路形式确 定等）3、具体电路设计（主电路设控制电路设计以及参数计算等）4、附录（

3、电路图，仿真结果图等）5、参考文献、八前言电力电子学 , 又称功率电子学 （Power Electronics） 。它主要研究各种电力电 子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置， 以完成对电 能的变换和控制。它既是电子学在强电 （ 高电压、大电流 ） 或电工领域的一个分支， 又是电工学在弱电 （低电压、小电流） 或电子领域的一个分支， 或者说是强弱电相 结合的新科学。 电力电子学是横跨“电子”、 “电力”和“控制”三个领域的一 个新兴工程技术学科。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

4、、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 , 是目前获得直流电能的主 要方法, 得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力 网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机 等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各 种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具 有单向导电特性的器件， 把方向和大小交变的电流变换为直流电。 整流的基础是 整流电路。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

5、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课程设计，因而我们进行了此次课程设计。我们知道，单相整流器的电路形式是各种各样的，整流的结构也是比较多 的。单相桥式半控整流电路， 对每个导电回路进行控制， 相对于全控桥而言少了 一个控制器件， 用二极管代替， 有利于降低损耗！ 故我们将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。第一章 单相半控桥式整流电路供电方案的选择1.1具体供电方案电源电压：交流100V/50HZ第二章 单相半控桥式（反电动势、电阻负载）整流电路主电路设计2.1主电路原波

6、形 图:(B)2.2变压器二次侧电压的计算电源电压：交流100V/50HZ,输出功率：500KV，移相范围30(150q 反电势：E=70V。设R=5Q2.3变压器一、二次侧电流的计算P=Ud2/RUd=50v。P=Id 2R, Id=10AUl/U2=220/100=11/5, N1/N2=11/5J=5id /6=25/3A2.4变压器容量的计算S=Ui i=100x 25/3=833.33 kv.A2.5变压器型号的选择N1:N2=11/5,S=833.33kv.A第三章电路元件的选择3.1整流元件的选择由于单相桥式半控反电动势、电阻负载电路主要器件是晶闸管，所以选取 元件时主要考虑晶闸

7、管的参数及其选取原则。晶闸管的结构晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两1-6及图1-7所示大部分，分别如图a）螺栓型b ）平板型 c ）符号图晶闸管管芯及电路符号表示管芯是晶闸管的本体部分，由半导体材料构成，具有三个与外电路可以连接 的电极：阳极A,阴极K和门极（或称控制极）G,其电路图中符号表示如图 1-6C ）所示。散热器则是为了将管芯在工作时由损耗产生的热量带走而设置的冷 却器。按照晶闸管管芯与散热器间的安装方式， 晶闸管可分为螺栓型与平板型两 种。螺栓型（图1-6a）依靠螺栓将管芯与散热器紧密连接在一起，并靠相互接 触的一个面传递热量。a）自冷 b ）风冷

8、 c ）水冷图晶闸管的散热器晶闸管管芯的内部结构如图1-3所示，是一个四层（Pi Ni F2 N2）二端（A、 K、G）的功率半导体器件。它是在 N型的硅基片（N1）的两边扩散P型半导体杂 质层（Pi、F2），形成了两个PN结Ji、J20再在P2层内扩散N型半导体杂质层 N 又形成另一个PN结J3。然后在相应位置放置钼片作电极，引出阳极 A,阴极K 及门极G形成了一个四层三端的大功率电子元件。这个四层半导体器件由于 三个PN结的存在，决定了它的可控导通特性。晶闸管的工作原理通过理论分析和实验验证表明：1）只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导 通，两者不可缺一。2）晶闸管

9、一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的正向脉冲电压即可， 脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负 载性质有关。这个脉冲常称之为触发脉冲。3）要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安）。这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极 电压来实现。这个能保持晶闸管导通的最小电流称为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。晶闸管为什么会有以上导通和关断的特性，这与晶闸管内部发生的物理过程 有关。晶闸管是一个具有Pi Ni R 2四层半导体的器件，内部形成有三个 P

10、N 结Ji、J2、J3，晶闸管承受正向阳极电压时，其中 Ji、J3承受反向阻断电压，J2 承受正向阻断电压。这三个 PN结的功能可以看作是一个 PNP型三极管VT （ Pi NP2）和一个NPN型三极管VE （Ni RN）构成的复合作用，如图i-9所 示 0图晶闸管的等效复合三极管效应可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电极电流就是另一个晶 体管的基极电流，当有足够的门极电流Ig流入时，两个相互复合的晶体管电路 就会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的导通。如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管VT1、VT2均处于反压状态，无论有无门极电流Ig，晶闸管都不能

11、导通。3.13晶闸管的基本特性1 静态特性静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。这里介绍阳极伏 安特性和门极伏安特性。(1)阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak与阳极电流i之间的关系曲线，如图1-10所示。1正間l 晉通(3)r(2) AlJ A 虽 1 A 珀二 Or 靈一图6.5晶闸管阳极伏安特性 正向阻断高阻区；负阻区；正向导通低阻区；反向阻断高阻区阳极伏安特性可以划分为两个区域：第I象限为正向特性区，第川象限为反 向特性区。第I象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。(2)门极伏安特性晶闸管的门极与阴极间存在着一个 PN结J3,门

12、极伏安特性就是指这个PN结 上正向门极电压ug与门极电流ig间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无 法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极 特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，如图1-11阴影区域所示。图6.6 晶闸管门极伏安特性2 动态特性晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时， 有时也在高频电力电子电路中 得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性， 即开通特性和关断特性。（1）开通特性晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图1-12给出了晶闸管的开关特性。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部

13、正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时 刻到阳极电流上升到稳定值It的10%所需的时间称为延迟时间td,而阳极电流从 10%T上升到90%T所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸 管的开通时间 tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.51.5卩S,上升时间为 0.53卩s。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和 辅助换流电路来提供。要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就 是要使各层区内载流子消失，使元件对正

14、向阳极电压恢复阻断能力。 突加反向阳 极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程， 当阳 极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值I RM后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。3.14整流元件中电压、电流最大值的计算Uta=(23) ,2 U2=2 2 X , 2 x 100=400VI=(1.5 2)k I d=2X 0.75 x 10=15A3.15整流元件型号的选择晶闸管的型号为：Kp15-4第四章保护元件的选择4.1变压器二次侧熔断器的选择采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措 施。在选择快熔时应考

15、虑：1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一 般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流 母线中。3）快熔的12t值应小于被保护器件的允许I 2t值、4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。因为晶闸管的额定电流为10A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管 额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为 15A。4.2晶闸管保护电路的选择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

16、；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。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。因此，必须 对电力电子装置进行适当的过电压保护。4.3保护电路原理图及工作原理迪漁戡定绪定骨移图4.3过流保护原理图过压皴定给定第建图4.3过电压保护电路第五章 单相半控桥式晶闸管整流电路的相控触发电路5.1相控触发电路原理图及工作原理单结晶体管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

17、生的触发脉冲要求： 触发信号可为直流、交流或脉冲电压。 触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。 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。 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。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，电路图如图所示。第六章 单相半控桥式晶闸管整流电路设计总设计结果6.1总电路的原理框图系统原理方框图如图所示:6.

18、2总电路原理图6.3总电路工作原理该电路主要由主电路和触发电路构成，输入的信号市电220v经变压器变压后变为100v,由触发电路来控制导通角。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。 加续流二极管是为了防止整流失控。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半控桥

19、式整 流电路。总结：通过单相半控桥式整流电路的设计，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。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，碰到的难题就是对晶闸管的相关参数的计算，因为在学习中没能很好的系统的总结晶闸管相关知识。 在整个课程设计中贯穿的计算 过程没能很好的把握。在今后的学习中要认真总结经验， 对电力电子课程进行补 充。为以后深入的学习电气工程及其自动化专业做铺垫。通过这次课程设计我对于文

20、档的编排格式、原理图波有了一定的了解，这 对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助， 在完成课程设计的同时我也在 复习一遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题基本掌握了。参考文献浣喜明、姚为正 . 电力电子技术 . 北京：高等教育出版社， 2004 黄俊. 半导体变流技术 .第二版. 北京：机械工业出版社， 1980 莫正康 . 半导体变流技术 . 北京：机械工业出版社， 1999 叶斌. 电力电子应用技术及装置 . 北京：中国铁道出版社， 1999 王维平.现代电力电子技术及其应用 .南京. ：东南大学出版社， 2000 王兆安，黄俊 .电力电子技术 .第四版.北京：机械工业出版社， 2000