课程设计---单相半控式晶闸管整流电路的设计.doc

1 电力电子课程设计 课课 题题: 单相半控式晶闸管整流电路的设计单相半控式晶闸管整流电路的设计 专专 业业: 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班班 级级: 电气电气 0802 班班 2 目目 录录 1. 概述概述3 2. 设计目的与要求设计目的与要求3 . 3 3. 方案选择方案选择4 4. 辅助电路的设计辅助电路的设计6 4.1 驱动电路的设计 4.2 保护电路的设计 4.4 电流上升率、电压上升率的抑制保护 5. 主体电路的设计主体电路的设计13 5.1 单相半控式晶闸管整流电路图 5.2 主电路设计与原理分析 6. 设计总结设计总结15 7. 参考文献参考文献15 3 一概述一概述 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、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。但是晶杂管相控整流电路中随着触发角 的增大，电 流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。把逆变电路中的 spwm 控制技术 用于整流电路，就构成了 pwm 整流电路。通过对 pwm 整流电路的适当控制， 可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为 1。这种整流电路称为高功率因素整流器，它具有广泛的应用前景 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实验和课程设计，因而我们进行了此次课程设计。 又因为整流电路应用非常广泛，而三相晶闸管半控整流电路又有利于夯实基础， 故我们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。 二设计目的与要求设计目的与要求 2.1 设计目的设计目的 “电力电子技术”课程设计时在教学及实验的基础上，对课程所学理论知识的深化高。 因此，要求学生能综合应用所学知识，设计出符合条件的电路，能够全面地巩固和应 4 用本课程所学基本理论和基本方法，并初步掌握电路设计的基本方法。培养学生独立 思考，独立收集资料，独立设计的能力。 2.2 变压器二次侧电压的计算变压器二次侧电压的计算 根据设计要求：电源电压：交流 100v/50hz；输出功率：500w；移相范 围：0-180。设 r=5，=30o 由 得 u0=50v r u p 2 0 i0= u0/r=50/5=10a, 2.3 变压器一，二侧电流的计算变压器一，二侧电流的计算 变压器二次侧电流:i2= i0=10a 由 2sin 2 1 )(t)sinu2（ 1 u 2 2 20 utd 得:变压器二次侧电压：u2=62v 由 62 100 2 1 2 1 1 2 u u n n i i 得：i1=6.2a 2.4 变压器容量的计算变压器容量的计算 变压器容量:s=u1*i1=100*6.2=620va 2.5 变压器型号的选择变压器型号的选择 选择匝数比 n1/n2=50/31，容量 s=620va 的变压器。 5 三三 . 电路元件的选择电路元件的选择 3.1 晶闸管的选择晶闸管的选择 由于单相交流调压主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑 晶闸管的参数及其选取原则。 3.1.1 晶闸管电压、电流最大值的计算晶闸管电压、电流最大值的计算 1).晶闸管的主要参数如下： 额定电压 unvt 通常取 udrm和 urrm中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型 的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23 倍，以 保证电路的工作安全。 晶闸管的额定电压 rrmdrmnvt uuu,min unvt （23）u2 2 unvt ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 unvt=(23)u2=263v2 额定电流 invt 通过晶闸管的电流的平均值 idvt idvt=i2/2=5a im=idvt=15.7a 3.1.2 晶闸管型号的选择晶闸管型号的选择 晶闸管的选择原则： 所选晶闸管电流有效值ivt大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。 、 选择时考虑（1.52）倍的安全余量。即 /1.57 vtnvt ii)25 . 1 ( invt =10a 6 则晶闸管的额定电流为 invt=10a(输出电流的有效值为最小值，所以该额 定电流也为最小考虑到 2 倍裕量,取 20a.即晶闸管的额定电流至应大于 20a. 在本次设计中选用 2 个 kp20-4 的晶闸管. 四四 . . 驱动电路的设计驱动电路的设计 4.14.1 驱动电路的设计驱动电路的设计 4.1.1 触发电路的论证与选择触发电路的论证与选择 4.1.1.1 单结晶体管的工作原理 单结晶体管原理单结晶体管（简称 ujt）又称基极二极管，它是一种只有 pn 结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻 n 型硅片， 两端分别用欧姆接触引出两个基极 b1和 b2。在硅片中间略偏 b2一侧用合金法制 作一个 p 区作为发射极 e。其结构，符号和等效电如下图所示。 结晶体管的特性 从图一可以看出，两基极 b1和 b2之间的电阻称为基极电阻。 rbb=rb1+rb2 式中：rb1第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流 ie而变化， rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与 ie无关；发射结是 pn 结，与二 7 极管等效。 若在两面三刀基极 b2，b1间加上正电压 vbb，则 a 点电压为： va=rb1/（rb1+rb2）vbb=（rb1/rbb）vbb=vbb 式中：称为分压比，其值一般在 0.30.85 之间，如果发射极电压 ve由零 逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图二： （1）当 vevbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的 漏电流 iceo。 （2）当 vevbb+vd vd 为二极管正向压降（约为 0.7v） ，pn 结正向导通， ie显著增加，rb1阻值迅速减小，ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的 特性，称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界 p 称为峰点，与其对应 的发射极电压和电流，分别称为峰点电压 ip和峰点电流 ip。ip是正向漏电流， 它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然 vp=vbb。 （3）随着发射极电流 ie的不断上升，ve不断下降，降到 v 点后，ve不再下降 了，这点 v 称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压 vv和谷 点电流 iv。 （4）过了 v 后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所 以 uc继续增加时，ie便缓慢的上升，显然 vv是维持单结晶体管导通的最小发射 极电压，如果 vevv，管子重新截止。 单结晶体管的主要参数 （1）基极间电阻 rbb发射极开路时，基极 b1，b2之间的电阻，一般为 2-10 千 欧，其数值随温度的上升而增大。 （2）分压比 由管子内部结构决定的参数，一般为 0.3-0.85。 （3）eb1间反向电压 vcb1 b2开路，在额定反向电压 vcb2 下，基极 b1 与发射 8 极 e 之间的反向耐压。 （4）反向电流 ieo b1开路，在额定反向电压 vcb2下，eb2间的反向电流。 （5）发射极饱和压降 veo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。 （6）峰点电流 ip单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极 电流。 4.1.2 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 其产生的触发脉冲要求： 1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压。 2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流） 。 3）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。 4）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。 4.1.2.1 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。 4.1.2.2 单结晶体管自激震荡电路 利用单结晶体管的负阻特性与 rc 电路的充放电可组成自激振荡电路，产 生频率可变的脉冲。 经 d1-d2整流后的直流电源 uz 一路径 r2、r1加在单结晶体管两个基极 b1、b2之间，另一路通过 re 对电容 c 充电，发射极电压 ue=uc按指数规律上升。 uc刚冲点到大于峰点转折电压 up的瞬间，管子 e-b1间的电阻突然变小，开始 导通。电容 c 开始通过管子 e-b1迅速向 r1放电，由于放电回路电阻很小，故 放电时间很短。随着电容 c 放电，电压 ue小于一定值，管子 bt 又由导通转入 截止，然后电源又重新对电容 c 充电，上述过程不断重复。在电容上形成锯齿 波震荡电压，在 r1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲 us， 其震荡频率为 f=1/t=1/recln(1/1-) 9 式中 =0.30.9 是单结晶体管的分压比。即调节 re，可调节振荡频率 图 3.1.2.2 单结晶体管触发电路及波形 4.1.3 同步电源 步电压又变压器 tb 获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步 电压于主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管 dz削波为梯形波 udz,而削波后的最大值 uz既是同步信号,又是触发电路电源.当 udz过零时,电容 c 经 e-b1、r1迅速放电到零电压.这就是说,每半周开始,电容 c 都从零开始充电, 进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻(即控制角 )一致,实 现同步. 4.1.4 移相控制 当 re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压 up的时间增大，第一个 脉冲出现的时刻推迟，即控制角 增大，实现了移相。 4.1.5 脉冲输出 ) 1 1 ln( 11 cr t f e ) 1 1 ln( 11 cr t f e 10 触发脉冲 ug由1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路 有直接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以 一般采用脉冲变压器输出。 4.24.2 保护电路的设计保护电路的设计 4.2.1 保护电路的论证与选择保护电路的论证与选择 电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久 性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的 电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测 系统电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造 成事故。例如，r-c 阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆 等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出 电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于 有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。 4.2.2 过电流保护过电流保护 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； 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。 采用快速熔断器作过电流保护。熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通 的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快 速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。 最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同， 所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如下 图所示： 11 a 型熔断器 特点：是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。 b 型熔断器 特点：能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低 c 型熔断器 特点：直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用 对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用 电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如 4.2.3 所示 4.3 过压保护过压保护 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。 12 过电压保护的第一种方法是并接 r-c 阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒 堆等非线性元件加以抑制。 阻容三角抑制过电压 压敏电阻过压 过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。 过电压保护电路 4.4 电流上升率、电压上升率的抑制保护电流上升率、电压上升率的抑制保护 1）电流上升率 di/dt 的抑制 晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密 度很大，然后以 0.1mm/s 的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通 时电流上升率 di/dt 过大，会导致 pn 结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使 其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图 3.4 所示: 13 串联电感抑制回路 2）电压上升率 dv/dt 的抑制 加在晶闸管上的正向电压上升率 dv/dt 也应有所限制,如果 dv/dt 过大，由于 晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流 的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制 dv/dt 的作用，可以在晶闸管两端并联 r-c 阻容吸收回路。如图 4.5 所示：图 4.5 并 联 r-c 阻容吸收回。 五主体电路的设计五主体电路的设计 5.1 单相半控式晶闸管整流电路图单相半控式晶闸管整流电路图 单相半控式晶闸管整流电路图如图所示，其两臂的二极管被晶闸管取代，在 电压器副边电压 u 的正半周期时，t1 和 d2 承受正向电压。这是如对晶闸管 t1 引发触发信号，则 t1 和 d2 导通，t2 和 d1 承受反向电压而截止。同样在电压 u 的负半周期时，t2 和 d1 承受正向电压。这是晶闸管 t2 引入触发信号，则 t2 和 d1 导通。这是 t1 d2 处于截止状态，电压与波形如图所示 单相半控式晶闸管整 流电路虽本身有自然续流 能力，但在实际中突然把 触发角增大，或突然切断触发电路时会发生正在导通的晶闸管一直导通，两个 14 二极管轮流导通的现象。此时出发信号对输出电压失去控制作用，称为失控， 这在使用中是不允许的，为消掉失控现象，需另接续流二极管 vd。 5.25.2 主电路设计与原理分析主电路设计与原理分析 5.2.2 原理图分析 该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发 电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，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。 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