年5月29日電力電子單相橋式整流電路設計報告文檔僅供參考HYPERLINK""電力電子技術課程設計報告電力電子單相橋式整流電路設計姓名學號年級專業系(院)指導教師01月05日引言電子技術包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。一般所說的模擬電子技術和數字電子技術都屬于信息電子技術。電力電子技術是應用于電力領域的電子技術。具體的說,就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。當前所用的電力電子器件均用半導體制成,故也稱為電力半導體器件。電力電子技術所變換的”電力”,功率能夠大到數百MW甚至GW,也能夠小到數W甚至1W以下。隨著科學技術的日益發展,人們對電路的要求也越來越高,由于在生產實際中需要大小可調的直流電源,而相控整流電路結構簡單、控制方便、性能穩定,利用它能夠方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是當前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應用。由于電力電子技術是將電子技術和控制技術引入傳統的電力技術領域,利用半導體電力開關器件組成各種電力變換電路實現電能和變換和控制,而構成的一門完整的學科。故其學習方法與電子技術和控制技術有很多相似之處,因此要學好這門課就必須做好實驗和課程設計,因而我們進行了此次課程設計。又因為整流電路應用非常廣泛,而鋸齒波移相觸發三相晶閘管全控整流電路又有利于夯實基礎,故我們單結晶體管觸發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計的課題。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載的工作原理和基本計算。選擇觸發電路的結構,考慮保護電路。一計劃任務書1.1.設計任務:1.設計方案的比較,并選定設計方案.2完成單元電路的設計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.課程設計的要求熟悉整流和觸發電路的基本原理,能夠運用所學的理論知識分析設計任務。

(2)掌握基本電路的數據分析、處理;描繪波形并加以判斷。

(3)能正確設計電路,畫出線路圖,分析電路原理。

(4)按時參加課程設計指導,定期匯報課程設計進展情況。

(5)廣泛收集相關技術資料。

(6)獨立思考,刻苦鉆研,嚴禁抄襲。

(7)按時完成課程設計任務,認真、正確地書寫課程設計報告。

(8)培養實事求是、嚴謹的工作態度和認真的工作作風。

二.設計內容2.1方案的選擇電源→變壓器→整流電路→負載↓變壓器→觸發電路↑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,它們所連接的負載性質不同就會有不同的特點。下面分析各種單相控整流電路在帶電阻性負載、電感性負載和反電動勢負載時的工作情況。單相半控整流電路的優點是:線路簡單、調整方便。弱點是:輸出電壓脈動沖大,負載電流脈沖大(電阻性負載時),,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小,功率因數高,變壓器二次電流為兩個等大反向的半波,沒有直流磁化問題,變壓器利用率高的優點。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,在相同的負載下流過晶閘管的平均電流減小一半;且功率因數提高了一半。根據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(負載為阻感性負載)。三電路設計方案當負載由電阻和電感組成時稱為阻感性負載。例如各種電機的勵磁繞組,整流輸出端接有平波電抗器的負載等等。單相橋式整流電路帶阻感性負載的電路如上圖所示。由于電感儲能,而且儲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。當流過電感中的電流變化時,在電感兩端將產生感應電動勢,引起電壓降UL負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。當負載電感量L較小(即負載阻抗角φ),控制角α〉φ時,負載上的電流不連續;當電感L增大時,負載上的電流不連續的可能性就會減小;當電感L很大,且ωLd﹥﹥Rd示時,這種負載稱為大電感負載。此時大電感阻止負載中電流的變化,負載電流連續,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時觸發,T1、T2導通,電流經T1、負載、T2和Tr二次形成回路,但由于大電感的存在,u2過零變負時,電感上的感應電動勢使T1、T2繼續導通,直到T3、T4被觸發時,T1、T2承受反向電壓而截止。輸出電壓的波形出現了負值部分。在電源電壓u2負半周期間,晶閘管T3、T4承受正向電壓,在ωt=α+π時觸發,T3、T4導通,T1、T2反向則制,負載電流從T1、T2中換流至T3、T4中。在ωt=2π時,電壓u2過零,T3、T4因電感中的感應電動勢一直導通,直到下個周期T1、T2導通時,T3、T4因加反向電壓才截止。值得注意的是,只有當α〈=π/2時,負載電流才連續,當α〉π/2時,負載電流不連續,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。性能指標分析:整流電路的性能常見兩個技術指標來衡量:一個是反映轉換關系的用整流輸出電壓的平均值表示;另一個是反映輸出直流電壓平滑程度的,稱為紋波系數。1)整流輸出電壓平均值===(3.5.1)2)紋波系數紋波系數用來表示直流輸出電壓中相對紋波電壓的大小,即3.2晶閘管的觸發條件(1):晶閘管承受反向電壓時,不論門極是否有觸發電流,晶閘管都不會導通;(2):晶閘管承受正向電壓時,僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管都才能導通;(3):晶閘管一旦導通門極舊失去控制作用;(4):要使晶閘管關斷,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,逆導晶閘管,雙向晶閘管,光控晶閘管,門極可關斷晶閘管(GTO),電力晶閘管(GTR),功率場效應晶閘管(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.靜電感應晶體管。3.4主要元器件的參數選擇①額定電壓UTn一般取UDRM和URRM中較小的,再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時,額定電壓應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電壓②額定電流IT(AV)IT(AV)又稱為額定通態平均電流。其定義是在室溫40°和規定的冷卻條件下,元件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170°的電路中,結溫不超過額定結溫時,所允許的最大通態平均電流值。將此電流按晶閘管標準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通時間遠小于正弦波的半個周期,即使正向電流值沒超過額定值,但峰值電流將非常大,可能會超過管子所能提供的極限,使管子由于過熱而損壞。在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導通角多大,只要其最大電流有效值ITM≤ITn,散熱冷卻符合規定,則晶閘管的發熱、溫升就能限制在允許的范圍。ITn:額定電流有效值,根據管子的IT(AV)換算出,IT(AV)、ITMITn三者之間的關系:(5.2)(5.3)波形系數: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,用Kf表示。(5.4)額定狀態下,晶閘管的電流波形系數(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)因為IT=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大于25A.在本次設計中我選用4個MCR100-8的晶閘管.Ⅲ、若散熱條件不符合規定要求時,則元件的額定電流應降低使用。③通態平均管壓降UT(AV)。指在規定的工作溫度條件下,使晶閘管導通的正弦波半個周期內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,晶閘管從較大的通態電流降到剛好能保持通態所需要的最小通態電流。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門極觸發電流Ig。在常溫下,陽極電壓為6V時,使晶閘管能完全導通所需的門極電流,一般為毫安級。⑥斷態電壓臨界上升率du/dt。在額定結溫和門極開路的情況下,不會導致晶閘管從斷態到通態轉換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。⑦通態電流臨界上升率di/dt。在規定條件下,晶閘管能承受的最大通態電流上升率。若晶閘管導通時電流上升太快,則會在晶閘管剛開通時,有很大的電流集中在門極附近的小區域內,從而造成局部過熱而損壞晶閘管。四.驅動電路與保護電路的設計4.1典型全控型器件的驅動電路GTO是電流驅動型器件。它的導通控制與普通晶閘管相似,但對觸發前沿的幅值和陡度要求較高,且一般需要在整個導通期間施加正向門極電流。要使GTO關斷則需施加反向門極電流,對其幅值和陡度的要求則更高,幅值需達到陽極電流的1/3左右,陡度需達50A/s,其中強負脈沖寬度約30s,負脈沖總寬度100s,關斷后還需在門極-陰極間施加約5V的負偏壓,以提高器件的抗干擾能力。GTO一般用于大容量電流的場合,其驅動電路一般包括開通驅動電路、關斷驅動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。直流耦合式驅動電路可避免電路內部的相互干擾和寄生振蕩,能夠得到較陡的脈沖前沿,因此當前應用較為廣泛,其缺點是功耗大,效率低。直流耦合式GTO驅動電路的電源由高頻電源經二極管整流后得到,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。場效應晶體管V1開通時,輸出正強脈沖;V2開通時,輸出正脈沖平頂部分;V2關斷而V3開通時輸出負脈沖;V3關斷后電阻R3和R4提供門極負偏壓。4.2電力電子器件的保護在電力電子器件電路中,除了電力電子器件參數要選擇合適,驅動電路設計良好外,采用合適的過電壓保護,過電流保護,du/dt保護和di/dt保護也是必不可少的。4.2.1過電壓的產生及過電壓保護電力電子裝置中可能發生的過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。(1):外因過電壓主要來自雷擊和系統中的操作過程等外部原因,包括:操作過電壓:由分閘,合閘等開關操作引起的過電壓,電網側的操作過電壓會由供電變壓器電磁感應耦合,或由變壓器繞組之間的存在的分布電容靜電感應耦合過來。雷擊過電壓:由雷擊引起的過電壓。(2):內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程,包括以下幾個部分。換相過電壓:由于晶閘管或者與全控型器件反并聯的續流二極管在換相結束后不能恢復阻斷能力時,因而有較大的反向電流經過,使殘存的載流子恢復,而當其恢復了阻斷能力時,反向電流急劇減小,這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極這間或與續流二極管反并聯的全控型器件兩端產生過電壓。關斷過電壓:全控型器件在較高頻率下工作,當器件關斷時,因正向電流的迅速降低而線路電感在器件兩端感應出的過電壓。各電壓保護措施及配置位置,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(一般供電電網一側稱網側,電力電子電路一側稱閥側)或電力電子電路的直側流。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。有關保護電路的參數計算可參考相關的工程手冊。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過電流保護電力電子電路運行不正?；蛘甙l生故障時,可能會發生過電流現象。過電流分載和短路兩種情況。一般電力電子均同時采用幾種過電壓保護措施,怪提高保護的可靠性和合理性。在選擇各種保護措施時應注意相互協調。一般,電子電路作為第一保護措施,快速熔斷器只作為短路時的部分區斷的保護,直流快速斷路器在電子電力動作之后實現保護,過電流繼電器在過載時動作。在選擇快熔時應考慮:1、電壓等級應根據快熔熔斷后實際承受的電壓來確定。2、電流容量應按照其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定。快熔一般與電力半導體體器件串聯連接,在小容量裝置中也可串接于閥側交流母線或直流母線中。3、快熔的It值應小于被保護器件的允許It值。4、為保證熔體在正常過載情況下不熔化,應考慮其時間電流特性。快熔對器件的保護方式分為全保護和短保護兩種。全保護是指無論過載還是短路均由快熔進行保護,此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕量較大的場合。短路保護方式是指快熔只要短路電流較大的區域內起保護作用,此方式需與其它過電流保護措施相配合。對一些重要的且易發生短路的晶閘管設備,或者工作頻率較高,很難用快熔保護的全控型器件,需要采用電子電路進行過電流保護。除了對電動機起動時的沖擊電流等變化較慢的過電流能夠用控制系統本身調節器進行對電流的限制之外,需設置專門的過電流保護電子電路,檢測到過流之后直接調節觸發,驅動電路,或者關斷被保護器件。另外,常在全控型器件的驅動電路中設置過電流保護環節,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.阻感性負載1)工作原理:假設電路已經工作在穩定狀態,圖5.1阻感性負載電路(a)工作波形(b)假設,負載電流連續,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．元器件和電路參數計算6.1晶閘管的結構晶閘管是大功率的半導體器件,從總體結構上看,可區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,由半導體材料構成,具有三個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由損耗產生的熱量帶走而設置的冷卻器。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面傳遞熱量。\a)自冷b)風冷c)水冷

圖6.2晶閘管的散熱器晶閘管管芯的內部結構如圖1-3所示,是一個四層(P1—N1—P2—N2)三端(A、K、G)的功率半導體器件。它是在N型的硅基片(N1)的兩邊擴散Ｐ型半導體雜質層(P1、P2),形成了兩個PN結J1、J2。再在P2層內擴散Ｎ型半導體雜質層N2又形成另一個PN結J3。然后在相應位置放置鉬片作電極,引出陽極A,陰極K及門極G,形成了一個四層三端的大功率電子元件。這個四層半導體器件由于三個PN結的存在,決定了它的可控導通特性。圖6.3晶閘管管芯結構原理圖6.2晶閘管的工作原理經過理論分析和實驗驗證表明:1)只有當晶閘管同時承受正向陽極電壓和正向門極電壓時晶閘管才能導通,兩者不可缺一。2)晶閘管一旦導通后門極將失去控制作用,門極電壓對管子隨后的導通或關斷均不起作用,故使晶閘管導通的門極電壓不必是一個持續的直流電壓,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有關。這個脈沖常稱之為觸發脈沖。3)要使已導通的晶閘管關斷,必須使陽極電流降低到某一數值之下(約幾十毫安)。這能夠經過增大負載電阻,降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實現。這個能保持晶閘管導通的最小電流稱為維持電流,是晶閘管的一個重要參數。晶閘管為什么會有以上導通和關斷的特性,這與晶閘管內部發生的物理過程有關。晶閘管是一個具有P1—N1—P2—N2四層半導體的器件,內部形成有三個PN結J1、J2、J3,晶閘管承受正向陽極電壓時,其中J1、J3承受反向阻斷電壓,J2承受正向阻斷電壓。這三個PN結的功能能夠看作是一個PNP型三極管VT1(P1—N1—P2)和一個NPN型三極管VT2(N1—P2—N2)構成的復合作用,如圖1-9所示。圖6.4晶閘管的等效復合三極管效應能夠看出,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,兩個相互復合的晶體管電路就會形成強烈的正反饋,導致兩個晶體管飽和導通,也即晶閘管的導通。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,無論有無門極電流Ig,晶閘管都不能導通。6..3晶閘管的基本特性1．靜態特性靜態特性又稱伏安特性,指的是器件端電壓與電流的關系。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;②負阻區;③正向導通低阻區;④反向阻斷高阻區陽極伏安特性能夠劃分為兩個區域:第Ⅰ象限為正向特性區,第Ⅲ象限為反向特性區。第Ⅰ象限的正向特性又可分為正向阻斷狀態及正向導通狀態。(2)門極伏安特性晶閘管的門極與陰極間存在著一個PN結J3,門極伏安特性就是指這個PN結上正向門極電壓Ug與門極電流Ig間的關系。由于這個結的伏安特性很分散,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域來代表所有元件的門極伏安特性,如圖1-11陰影區域所示。圖6.6晶閘管門極伏安特性2．動態特性晶閘管常應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得到應用,如逆變器等。在高頻電路應用時,需要嚴格地考慮晶閘管的開關特性,即開通特性和關斷特性。(1)開通特性晶閘管由截止轉為導通的過程為開經過程。圖1-12給出了晶閘管的開關特性。在晶閘管處在正向阻斷的條件下突加門極觸發電流,由于晶閘管內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0.5～1.5μs,上升時間為0.5～3μs。延遲時間隨門極電流的增大而減少,延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。圖6.7晶閘管的開關特性(2)關斷特性一般采用外加反壓的方法將已導通的晶閘管關斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。要關斷已導通的晶閘管,一般給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的關斷,就是要使各層區內載流子消失,使元件對正向陽極電壓恢復阻斷能力。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,也會出現反向恢復電流,反向電流達最大值IRM后,再朝反方向快速衰減接近于零,此時晶閘管恢復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載,電流波形可看作連續且平直的。Ud=100V時,不計控制角余量按=0o計算由Ud=0.9U2得U2==111V取150VU=(2~3)U=(2~3)U2=(2~3)150V=735~1102V取U為1000V當=1時,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計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往往不能一致,同時又為了減少電網與整流裝置的相互干擾,使整流主電路與電網隔離,為此需要配置整流變壓器。整流變壓器根據主電路的型式、負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,因此在設計或選用整流變壓器時,應考慮這些因素。7.1二次相電壓U2平時我們在計算U2是在理想條件下進行的,但實際上許多影響是不可忽略的。如電網電壓波動、管子本身的壓降以及整流變壓器等效內阻造成的壓降等。因此設計時U2應按下式計算:U2=式中U——負載的額定電壓;——整流元件的正向導通壓降,一般取1V;——電流回路所經過的整流元件(VT及VD)的個數(如橋式=2,半波電路=1);A——理想情況下=0o時U與U2的比值,查表可知;——電網電壓波動系數,一般取0;——最少移相角,在自動控制系統中總希望U2值留有調節余量,對于可逆直流調速系統取30o~35o,不可逆直流調速系統取10o~15o;C——線路接線方式系數,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)因此根據以知的參數及查表得: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算如果不計變壓器的勵磁電流,根據變壓器磁動勢平衡原理可得一次和二次電流關系式為:K==式中、——變壓器一次和二次繞組的匝數;K——變壓器的匝數比。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、容量計算與線路型式有關。單相橋式可控整流電路計算如下:大電感負載時變壓器二次電流的有效值為2=Id=I=1AU2=110V由一次側和二次側電壓得:===2==0.5故=0.5A變壓器二次側容量為S2=U2==110KVA八.設計結果分析該電路為大電感負載,電流波形可看作連續且平直的。(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