1、電力電子課程設計課題：單相半控晶閘管整流電路設計專業：電氣工程及其自動化 目錄一、概述3二、設計目的及要求 3.三、方案選擇 4 _4.輔助電路設計 64.1 驅動電路設計4.2 保護電路設計4.4 電流上升率和電壓上升率抑制保護5 、主電路設計 135.1 單相半控晶閘管整流電路圖5.2主電路設計及原理分析6. 設計總結. 157.參考文獻. . 15 _一。概述隨著科學技術的不斷發展，人們對電路的要求也越來越高。由于實際生產中需要一個尺寸可調的直流電源，而該相控整流電路結構簡單，控制方便，性能穩定，使用方便。它是目前獲得直流電源的主要方法，并已得到廣泛應用。但在晶閘管相控整流電路中，隨著觸

2、發角的增大，電流中的諧波分量也相應增大，因此功率因數很低。逆變電路中的SPWM控制技術用于整流電路，構成PWM整流電路。通過對PWM整流電路的適當控制，可以使輸入電流非常接近于正弦波，并且與輸入電壓同相，功率因數約為1。這種整流電路稱為高功率因數整流器，并且具有廣泛的應用前景因為電力電子技術是將電子技術和控制技術引入傳統電力技術領域，利用半導體功率開關器件組成各種功率轉換電路，實現電能、轉換和控制的完整學科。因此，它的學習方法與電子技術和控制技術有很多相似之處。所以，要學好這門課程，就需要做實驗和課程設計，所以我們進行了這門課程設計。又因整流電路應用廣泛，加上三相晶閘管半控整流電路有利于夯實基

3、礎，故以我司單結晶體管觸發的單相晶閘管半控整流電路為課題。本課程的課程設計。二。設計目的和要求2.1 設計目的電力電子技術課程設計在教學和實驗編制依據上，深化了課程所學的理論知識。因此，要求學生能夠綜合應用所學知識，設計符合條件的電路，綜合鞏固和應用本課程所學的基本理論和方法，初步掌握電路設計的基本方法。培養學生獨立思考、獨立收集信息、獨立設計的能力。2.2 變壓器二次側電壓的計算按設計要求：供電電壓：AC 100V/50Hz ；輸出功率：500W ；相移范圍：0-180。設R=5，= 30o從U 0 = 50V我0 = U 0 /R=50/5=10A，2.3 變壓器第一側和第二側電流的計算變

4、壓器二次側電流：i 2 = i 0 =10A取決于得到：變壓器二次側電壓：U 2 =62V取決于得到： i 1 =6.2A2.4 變壓器容量計算變壓器容量：S=U 1 *i 1 =100*6.2=620VA2.5 變壓器型號的選擇選擇匝數比為N 1 /N 2 =50/31、容量為S=620VA的變壓器。3、電路元件的選擇3.1 晶閘管的選擇由于單相交流調壓主電路的主要元件是晶閘管，因此在選擇元件時主要考慮晶閘管的參數及其選擇原則。3.1.1 晶閘管電壓電流最大值的計算1）。晶閘管的主要參數如下：通過晶閘管的電流平均值 I dvTI d vt =i 2 /2=5AIm=I dVt =15.7A3

5、.1.2 晶閘管型號的選擇那么晶閘管的額定電流為I NVT = 10A（輸出電流的有效值為最小值，所以額定電流也是最小值，考慮2倍余量，取20A。即額定晶閘管的電流應大于20A。在本設計中，選擇了兩個 KP20-4 晶閘管。4 、驅動電路設計4.1 驅動電路設計4.1.1 觸發電路的演示與選擇4.1.1.1 單結晶體管的工作原理單結晶體管原理單結晶體管（簡稱UJT）又稱基極二極管，是一種只有一個PN結和兩個電阻接觸電極的半導體器件。其襯底為條狀高阻N型硅片。端子分別引出具有歐姆接觸的兩個基極電極b 1和b 2 。在略微偏向b 2側的硅晶片的中間，通過合金化制成P區作為發射極e。其結構、符號及等

6、效電量如下圖所示。結型晶體管的特性從圖1可以看出，兩個基極b 1和b 2之間的電阻稱為基極電阻。Rb b =rb 1 +rb 2式中： Rb 1 第一基極與發射結之間的電阻，其值隨發射極電流i e變化，rb 2為第二基極與發射結之間的電阻，其值與i相同e無關的；發射結是一個PN結，相當于一個二極管。在雙面三極底座b 2和b 1之間加上一個正電壓Vb b ，則A點的電壓為：V A =rb 1 /(rb 1 +rb 2 )vb b =(rb 1 /rb b )vb b =Vb b式中：稱為分壓比，其值一般在0.30.85之間。如果發射極電壓V E從零開始逐漸增大，則可以測量出單結晶體管的伏安特性，

7、如圖2所示：( 1) 當V e Vb b時，發射結處于反偏，管子關斷，發射極只有很小的漏電流I ceo 。(2) 當V e Vb b +VD VD 為二極管正向壓降（約0.7V）時，PN結正向導通，I e明顯增大，rb 1的阻值迅速減小，V e相應減小。電壓隨電流增大而減小的特性稱為負電阻特性。管子從截止區進入負阻區的臨界P稱為峰點，對應的發射極電壓和電流分別稱為峰點電壓Ip和峰點電流Ip 。 I p是正向泄漏電流，它是開啟單結晶體管所需的最小電流，顯然 V p = Vbb 。隨著發射極電流I e 的不斷上升，V e繼續下降。到達點 V 后，V e不再下降。該點V稱為谷點，對應的發射極電壓和電

8、流稱為谷電壓V v和谷電流I v 。(4) V經過后，發射極和第一基極之間半導體的載流子達到飽和狀態，所以當u c繼續增大時，i e緩慢上升。顯然，V v是為了維持單結晶體管的導通。的最小發射極電壓，如果 V e V v ，則再次關斷管子。單結晶體管的主要參數(1)基極間電阻Rb b當發射極開路時，基極b 1和b 2之間的電阻一般為2-10千歐，其值隨溫度升高而增大。(2)分壓比是由管子結構決定的參數，一般為0.3-0.85。(3) eb 1 之間的反向電壓Vcb 1 b 2 為開路，在額定反向電壓Vcb2 下，基極b1 與發射極e 之間的反向耐壓。(4)反向電流I eo b 1為開路，在額定

9、反向電壓Vcb 2 下， eb 2 之間的反向電流。(5) 發射極飽和電壓降V eo 是最大發射極額定電流下eb 1 之間的電壓降。(6) 峰值點電流Ip當單結晶體管剛開始導通時，發射極電壓即為峰值點電壓時的發射極電流。4.1.2 觸發電路晶閘管觸發主要包括相移觸發、過零觸發和脈沖串調制觸發。其產生的觸發脈沖的觸發電路要求：1) 觸發信號可以是直流、交流或脈沖電壓。2）觸發信號要有足夠的功率（觸發電壓和觸發電流）。3）觸發脈沖要有一定的寬度，脈沖前沿盡量陡峭，這樣在元件觸發導通后，陽極電流能迅速上升超過阻斷電流，保持導通。4）觸發脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖的相移必須滿足電路要求。4.

10、1.2.1 單結晶體管觸發電路由單結晶體管組成的觸發電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強、溫度補償性能好、脈沖前沿快等優點。已廣泛應用于小容量晶閘管器件中。它由自激振蕩、同步電源、移相和脈沖形成組成。4.1.2.2 單結晶體管的自激振蕩電路利用單結晶體管的負阻特性和RC電路的充放電，可以形成自激振蕩電路，產生可變頻率的脈沖。通過D 1 -D 2在單結晶體管的兩個基極b 1和b 2之間有一條路徑R2 和R 1 ，另一條路徑通過Re對電容器C 充電，發射極電壓ue = uc呈指數上升。當U c剛好達到大于峰值轉折電壓U p 的點時，管eb 1之間的電阻突然減小并開始導通。電容器C開始通過管eb1快速向

11、R1放電，由于放電電路的電阻小，放電時間很短。隨著電容C的放電，電壓U e小于一定值，管BT由導通轉為截止，然后電源再次對電容C充電，重復上述過程。在電容上形成鋸齒波振蕩電壓，在R 1 上得到一系列前沿非常陡峭的觸發尖峰us，振蕩頻率為f=1/T=1/R e CLn(1/1-)式中，=0.30.9為單結晶體管的分壓比。即通過調節 Re ，可以調節振蕩頻率圖 3.1.2.2 單結晶體管觸發電路及波形4.1.3 同步電源階躍電壓由變壓器TB得到，同步變壓器和主電路接在同一個電源上，所以同步電壓與主電壓同相同頻。同步電壓經橋式整流器和穩壓管D Z限幅為梯形波u DZ ，限幅后的最大值UZ既是同步信號

12、又是觸發電路的電源。當U DZ過零時，電容器C通過eb 1。R 1迅速放電至零電壓。也就是說，在每半個周期開始時，電容C從零開始充電，從而保證每個周期觸發電路發出的第一個脈沖與距離過零的時間一致（即，控制角)，實現同步。4.1.4 相移控制當 Re增加時，單結晶體管發射極充電到峰值電壓 U p的時間增加，第一個脈沖出現的時間延遲，即控制角 增加，實現了相移.4.1.5 脈沖輸出觸發脈沖ug由R1直接取出，這種方法簡單經濟，但觸發電路與主電路直接電連接，不安全。采用晶閘管串聯方式的全控橋式電路不能工作。因此，一般采用脈沖變壓器輸出。4.2 保護電路設計4.2.1 保護電路的演示與選型當電力電子系

13、統發生故障時，可能會出現過流和過壓，從而對開關器件造成永久性損壞。過流和過壓保護包括器件保護和系統保護。檢測開關器件的電流和電壓，保護主電路中的開關器件，防止開關器件因過流、過壓而損壞。檢測系統電源輸入、輸出和負載的電流和電壓，實時保護系統，防止系統崩潰引發事故。例如RC阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。另一種是使用電子保護電路來檢測器件的輸出電壓或輸入電流。當輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發控制系統使整流橋短時間工作在有源逆變工作狀態。抑制過電壓或過電流的值。4.2.2 過流保護當電力電子變流裝置的某些元件發生故障或短路時；驅動、觸發電路或控制電路出現故障；外

14、部負載過載；直流側短路；可逆驅動系統反轉失敗；或太低；兩者都可能導致設備或其他元件的電流超過正常工作電流，即過流。因此，需要對電力電子設備進行適當的過流保護。使用快速熔斷器進行過流保護。熔斷器是最簡單的過流保護元件，但最常見的熔斷器不適合熔斷特性，很可能是晶閘管燒壞后熔斷器還沒有熔斷，而快速熔斷器具有更好的快速熔斷特性。電流可以隨時間熔斷，起到保護作用。最好的方法是將快速熔斷器直接連接到晶閘管元件。因為流過晶閘管的電流與晶閘管的電流相同，所以對元件的保護效果最好。 ：A型保險絲特點：熔斷器與各元件串聯，能可靠保護各元件。B型保險絲特點：可保護交流、直流及元件短路，可靠性略有降低C型保險絲特點：

15、直流負載側有故障時動作，元件短路時不能起到保護作用對于第二種過電流，即整流橋負載外電路短路引起的過電流，應采用電子電路進行保護。常見的電子保護示意圖見4.2.34.3過壓保護設備在運行過程中，會受到從交流電網進入的運行過電壓和雷擊過電壓的攻擊。同時，在設備本身運行過程中和異常運行過程中也會出現過電壓。過壓保護的第一種方法是并聯一個RC阻容吸收電路，用壓敏電阻或硒堆等非線性元件對其進行抑制。阻容三角抑制過壓變阻器過壓過壓保護的第二種方法是使用電子電路進行保護。過壓保護電路4.4電流上升率和電壓上升率抑制保護1)抑制電流上升率di/dt晶閘管初始導通時，電流集中在靠近柵極的陰極表面小區域，局部電流

16、密度大，然后電流以0.1mm的擴展速度擴展至整個陰極表面/s。如果晶閘管導通，電流上升率di/dt過大，PN結會擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率，使其在合適的范圍內。有效的方法是將電感與晶閘管的陽極回路串聯。如下圖3.4所示：串聯電感抑制回路2)抑制電壓上升率 dv/dt施加到晶閘管的正向電壓上升率 dv/dt 也應該受到限制。如果dv/dt過大，由于晶閘管結電容的存在，會產生很大的位移電流，實際上可以起到觸發電流的作用。結果，晶閘管的正向阻斷能力降低，嚴重時，晶閘管誤接。為了抑制dv/dt的影響，可以在晶閘管的兩端并聯一個RC阻容吸收電路。如圖4.5 所示：圖 4.5 并聯 RC 阻容反吸收

17、。五。主電路設計5.1 單相半控晶閘管整流電路圖單相半控晶閘管整流電路圖如圖所示。它的兩個臂上的二極管被晶閘管取代。在電壓表次級電壓u的正半周內，T1和D2承受正向電壓。這是如果觸發信號到晶閘管T1，則T1和D2導通，T2和D1被反向電壓關斷。同樣在電壓u的負半周期期間，T2和D1受到正向電壓。這是晶閘管T2引入的觸發信號，然后T2和D1導通。這是T1 D2處于截止狀態，電壓和波形如圖雖然單相半控晶閘管整流電路本身具有自然續流能力，但在實際應用中，當觸發角突然增大，或者觸發電路突然斷開時，導通的晶閘管會一直導通，而兩個二極管將依次導通。現象。此時啟動信號失去對輸出電壓的控制，稱為失控，在使用中

18、是不允許的。為了消除失控現象，需要連接另一個續流二極管VD。5.2 主電路設計及原理分析5.2.2 原理圖分析該電路主要由電源、過流保護電路、整流電路和觸發電路四部分組成。輸入信號經變壓器變換后通過過流保護電路，保證電路過載或短路時晶閘管和負載不會損壞。電路中還增加了防雷電路。然后將經過變換和保護的信號輸入整流電路。整流電路中的晶閘管在觸發信號的作用下工作，發揮整流電路的整流功能。在電路中，我們為過流保護選用的快速熔斷器為過流保護，而過壓保護采用RC電路。這部分的選擇主要考慮電路的簡單性，所以保護電路這部分是唯一的部分。電路的整流部分就是我們根據題目要求學習的單相橋式整流電路。該電路的結構和工作原理是利用晶閘管的開關特性來實現將交流轉換為直流的功能。觸發電路由設計問題決定，需要使用單結晶體管直接觸發電路。單結晶體管直接觸發電路的相移變化很大，而且由于是直接觸發電路，其結構也比較簡單。一方面，方便我們在設計電路中選擇變壓器型號。六。設計總結通過單相半控橋式晶閘管整流電路的設計，加深了對整流電路的理解，對電力電子這門課產生了濃厚的興趣。學到了很多書本上沒有的知識，也加強和加深了對課本知識的理解。也讓我覺得，從沒有知識的書本上學習理性的知識，需要實踐，才能更扎實、更牢記。對于電路的設計，首先要對它的理論知識有一個很好的了解，這樣才能設計出一個性能好的電路。