毕业设计（论文）-电力电子可控整流技术.doc

摘要可控整流电路技术在工业生产上应用极广。如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1，变成二次电压U2。由晶闸管等组成的可控整流主电路，其输出端的负载，可以是电阻性负载（如电炉，电热器，电焊机，和白炽灯等）、大电感性负载（如直流电动机的励磁绕组，滑差电动机的电枢线圈等）以及反电动势负载 （如直流电动机的电枢反电动势，充电状态下的蓄电池等）。以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压U2一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，根据三相桥式全控整流电路对触发电路的要求，采用同步信号为锯齿波的触发电路，设计时采用恒流源充电，输出为双窄脉冲(也可为单窄脉冲)，脉冲宽度在8左右。本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑了保护电路和缓冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型，也对直流电动机进行了简单的介绍。关键词 可控整流 晶闸管 触发电路 缓冲电路目录前言9第1章 主电路设计 101.1 主电路的选取方案101.2 工作原理101.3 对触发脉冲的要求 11第2章 主电路元件选择13第3章 整流变压器额定参数计算153.1 二次相电压U2153.2 一次与二次额定电流及容量计算 16第4章 平波电抗器电感的计算18第5章 触发电路的设计195.1 形成与脉冲放大环节205.2 锯齿波形成与脉冲移相环节 215.3 同步信号与主回路的相位关系235.4 脉冲形成和放大23第6章 驱动电路与保护电路的设计 256.1 电力电子器件驱动电路概述256.2 典型全控型器件的驱动电路 256.3 电力电子器件的保护26第7章 缓冲电路的设计28第8章 直流电机的构造及工作原理318.1 直流电动机的构造318.2 直流电机的工作原理32第9章 总结33参考文献 35前 言当今，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，而自动调速控制系统的应用在现代化生产中起着尤为重要的作用，直流调速系统是自动控制系统的主要形式。由可控硅整流装置供给可调电压的直流调速系统(简称KZD系统)和旋转变流机组及其它静止变流装置相比，不仅在经济性和可靠性上有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。整流电路广泛应用于工业中。它可按照以下几种方法分类：1.按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；2.按电路结构可分为桥式电路和零式电路；3.按交流输入相数分为单相电路和多相电路；4.按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。一般当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路等。可控硅虽然有许多优点，但是它承受过电压和过电流的能力较差，很短时间的过电压和过电流就会把器件损坏。为了使器件能够可靠地长期运行，必须针对过电压和过电流发生的原因采用恰当的保护措施。为此，在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧过电压保护；在直流负载侧并联电阻和电容构成直流侧过电压保护；在可控硅两端并联电阻和电容构成可控硅关断过电压保护；并把快速熔断器直接与可控硅串联，对可控硅起过流保护作用。该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，采用同步信号为锯齿波的触发电路，本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑了保护电路和缓冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型，也对直流电动机进行了简单的介绍。电力电子器件的发展是电力电子技术发展的基础，也是电力电子技术发展的动力，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机。电力电子器件的发展方向主要体现在以下六个方面：大容量化；高频化；易驱动；降低导通压降；模块化；功率集成化。随着电力电子器件的大力发展，该方面的用途越来越广泛。由于电力电子装置的电能变换效率高，完成相同的工作任务可以比传统方法节约电能10%40%，因此它是一项节能技术，整流技术就是其中很重要的一个环节。第1章 主电路设计1.1 主电路的选取方案三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过12kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。另外由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。根据已知要求，额定电流为25A，额定电压为220V，可求的功率P=22025=5.5KW，一般整流装置容量大于4KW，选用三相整流较为合适。下图1-1为三相全控桥式整流电路。 图1-1三相全控桥式整流电路1.2 工作原理图为三相桥式整流电路在=0时直流电动机串平波电抗器负载时的电压电流波形。电路要求6块触发电路6先后向各自所控制的6只晶闸管的门极在自然换向点送出触发脉冲，即共阴极组在三相电源相电压正半波的1、3、5交点处向1TV、3TV与5TV输出触发脉冲；而共阳极三相电源电压负半波的2、4、6交点处向2TV、4TV、6TV输出触发脉冲；共阴极组输出直流电压Ud2为三相电源相电压负半波的包络线。三相全控桥式整流电路输出整流电压Ud=Umn=Ud1-Ud2,为三相电源6个线电压正半波的包络线。各线电压正半波的交点16就是三相全控桥电路6只晶闸管VT1VT6的=0的点。详细分析如下：在t1t2间，U相电压最高，共阴极组的VT1管被触发导通，电流由U相经VT1流向负载，又经VT6流入V相，整流变压器U、V两相工作，所以三相全控桥输出电压Ud为Ud=Ud1-Ud2=Uu-Uv=Uuv的线电压波形。经过60进入t2t3区间,U相电压仍然最高,VT1继续导通,W相电压最低,在VT2管承受的2交点时刻被解发导通,VT2管的导通使VT6承受uwv的反压关断。这区间负载电流仍然从电源U相流出经VT1、负载、VT2回到电源W相，于是这区间三相全控桥整流输出电压Ud为：Ud=Uu-Uw=Uuw经过60，进入t3t4区间，这时V相电压最高，在VT3管=0的3交点处被触发导通。VT1由于VT3和导通而承受Uuv的反压而关断，W相的VT2继续导通。负载电流从V相流W相，于是这区间三相全控输出电压Ud为：Ud=Uv-Uw=Uvw其他区间，依此类推，电路中6只晶闸管导通的顺序及输出电压很容易得出。由上述可知，三相全控桥输出电压Ud是由三相电压6个线电压Uuv、Uuw、uvw、Uvu、Uwu和Uwv的轮流输出组成的。各线电压正半波的交点16分别为VT1VT6的=0点。因此分析三相全控整流电路不同Ud波形时，只要用线电压波形图直接分析画波形即可。1.3 对触发脉冲的要求三相全控桥整流电路在任何时刻都必须有两只晶闸管同时导通，而且其中一只是在共阴极组，另外一只在共阳极组。为了保证电路能起动工作，或在电流断续后再次导通工作，必须对两组中应导通的两只晶闸管同时加触发脉冲，为此可采用以下两种触发方式：1.3.1 采用单脉冲触发如使每一个触发脉冲的宽度大于60而小于120，这样在相隔60要触发换相时，当后一个触发脉冲出现时刻，前一个脉冲还未消失，因此均能同时触发该导通的两只晶闸管。例如，在送出u触发VT3的同时由于ug4还没消失，故VT3与VT2便同时被触发导通，整流输出电压为Uvw。1.3.2 采用双窄脉冲触发如触发电路送出的是窄的矩形脉冲，在送出某一晶闸管的同时向前一相晶闸管补发一个脉冲，因此均能同时触发该导通的两只晶闸管。如，在送出u触发VT3的同时，触发电路也可以向VT2送出辅助脉冲，故VT3与VT2同时导通，输出电压为Uvw。由于双窄脉冲的触发电路输出功率小，脉冲变压器铁心体积小，所以这种触发方式广泛采用。 第2章 主电路元件选择2.1 晶闸管的选型该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。Ud=220V时，不计控制角余量按=0计算由Ud=2U2得U2=94V 取120VU =（23）U=（23）U2=（23）120V=588882 V取U为700V当=60时，流过每个晶闸管的电流有效值为：=60A=35A晶闸管额定电流= =23A取=1，考虑2倍裕量：取50A当=3A时 =3A=1A = 1.1A考虑2倍裕量：取5A按要求表明应取=0来选择晶闸管。即=50A所以晶闸管型号为KP507。第3章 整流变压器额定参数计算在很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，使整流主电路与电网隔离，为此需要配置整流变压器。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次相电压U2、一次与二次额定电流以及容量。由于整流变压器二次与一次电流都不是正弦波，因而存在着一定的谐波电流，引起漏抗增大，外特性变软以及损耗增大，所以在设计或选用整流变压器时，应考虑这些因素。3.1 二次相电压U2平时我们在计算U2是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可忽略的。如电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时U2应按下式计算：U2=式中 U负载的额定电压； 整流元件的正向导通压降，一般取1V； 电流回路所经过的整流元件（VT及VD）的个数（如桥式=2，半波电路=1）； A理想情况下=0时U与U2的比值，查表可知； 电网电压波动系数，一般取0； 最少移相角，在自动控制系统中总希望U2值留有调节余量，对于可逆直流调速系统取3035，不可逆直流调速系统取1015； C线路接线方式系数，查表三相桥式C取0V； U变压器阻抗电压比，100KV以及取U=0.05，100KVA以上取U=0.050.1； 二次侧允许的最大电流与额定电流之比。对于一般三相桥式可控整流电路供电的直流调速系统，U2计算也可以采用以下经验公式：不可逆调速系统 U2=（0.530.58）U可逆调速系统 U2=（0.580.64）U式中U2整流变压器二次相电压有效值；U直流电动机额定电压。对于一般的中小容量整流调压装置，其U2值也可以用以下公式估算： U2=（1.151.2） 所以根据以知的参数及查表得： U2=120V3.2 一次与二次额定电流及容量计算如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为： K= 式中 、变压器一次和二次绕组的匝数； K变压器的匝数比。 由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。三相桥式可控整流电路计算如下： 大电感负载时变压器二次电流的有效值为 2=0.816 = 0.816A=21AU2=120V由一次侧和二次侧电压得：= = 故=6.6A变压器二次侧容量为 S2=3U2=3=7.5KVA变压器的安全性能-主要有变压器的阻燃性能和绝缘性能阻燃性能有所选原材料决定绝缘性能？：e型变压器的绝缘是由骨架的结构决定的 c型变压器的绝缘石油组间绝缘层的结构决定的 e型变压器：工字形骨架的绝缘一般王字形骨架绝缘较好套字形骨架绝缘最好（初级/次级可达7000v-10000v） 自藕变压器：具有体积小。成本低，传输功率大等优点。在相同的输出率下，效率比普通的变压器高，电压调整率比普通的变压器低。上叙优点在初级和次级电压值差越小时越明显。通常自藕变压器的变压比不超过2 自藕便压器的缺点是：由于初次级绕组间电压的联系，存在公共接地点，它不能作为隔离变压器来用。当初次级变压比比较高时，自欧变压器的优点也就消失了。自藕变压器的计算和普通变压器基本相同。不同点在于选择铁芯是按照通过电磁感应的功率即结构容量Vab而不是按其传递容量及输出功率p2来进行的，另一个特点是公公绕组的电流是初次电流之差。计算方法：VAB-结构容量p2-输出功率u1-初级电压u2-次级电压升压式VAB=p2（1-u1/u2）将压比VAB=p2（1-u2/u1） 第4章 平波电抗器电感的计算为了使负载电流得到平滑的直流，通常在整流输出端串入带有气隙铁心的电抗器，也称平波电抗器。这里主要计算在保证负载电流连续和输出电流脉动系数达到一定要求的条件下所需的平波电抗器电感量。对于直流电动机负载的可控整流电路,为了使晶闸管整流供电的直流电动机,即使在最轻负载下(Id=Idmin),也能工作在电流连续段机械特性的直线段上,要求电枢回路的临界电感量为 三相全控整流电路 L=0.693=0.693mH=27.72mH第5章 触发电路的设计 晶闸管触发电路的形式很多，常用的有阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路、晶体三极管触发电路、利用小晶闸管触发大晶闸管的触发电路，等等。 晶闸管最重要的特性是可控的正向导通特性.当晶闸管的阳极加上正向电压后,还必须在门极与阴极之间加上一个具有一定功率的正向触发电压才能打通, 这一正向触发电压的导通是由触发电路提供的,根据具体情况这个电压可以是交流、直流或脉冲电压。由于晶闸管被触发导通以后，门极的触发电压即失去控制作用，所以为了减少门极的触发功率，常常用脉冲触发。触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。为了保证晶闸管电路能正常，可靠的工作，触发电路必须满足以下要求：触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。由闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散性很大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流Igt、门极触发电压U是指该型号的所有合格器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以gtUgt为界划除OABCO区域，在此区域内为不可靠触发区。在器件门极极限电流Igfm、门极极限电压和门极极限功率曲线的包围下，面积ABCDEFG 为可触发区，所用的合格的晶闸管器件的触发电压与触发电流都应在这个区域内，在使用时，触发电路提供的门极的触发电压与触发电流都应处于这个区域内。 再有，温度对晶闸管的门极影响很大，即使是同一个器件，温度不同时，器件的触发电流与电压也不同。一般可以这样估算，在100高温时，触发电流、电压值比室温时低23倍，所以为了使敬闸管在任何工作条件下都能可靠的触发，触发电路送出的触发电流、电压值都必须大于晶闸管器件的门极规定的触发电流、触发电压值，并且要留有足够的余量。如触发信号为脉冲时，在触发功率不超过规定值的情况下，触发电压、电流的幅值在短时间内可以大大超过额定值。触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通，对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为0.51MS，相当于50HZ、18度电度角。为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在 触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，要求触发脉冲的移项范围是0度180度，带大电感负载时，要求移项范围是0度90度；三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是0度90度。触发脉冲与主电路电源必须同步。为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。触发电路同时受控于电压uc与同步电压us控制。根据三相桥式全控整流电路对触发电路的要求，采用同步信号为锯齿波的触发电路，电路原理图如图所示。设计时采用恒流源充电，输出为双窄脉冲(也可为单窄脉冲)，脉冲宽度在8左右。本触发电路分成四个基本环节：同步电压、锯齿波形成和脉冲移相、脉冲形成与放大、强触发和双窄脉冲形成等环节，下面分别进行分析。5.1 形成与脉冲放大环节脉冲的形成环节由晶闸管V4、V5组成，V7、V8组成脉冲功率放大环节。控制、电压uct和负偏移相电压up分别经过电阻R6、R7、R8并联接入V4基极。在分析该环节时，暂不考虑锯齿波电压ue3和负偏电压up对电路的影响。对控制电压uct=0时，V4截止，+15V电源通过电阻R11供给V5一个足够大的基极电流，使V5饱和导通，V5的集电极电压接近-15V，所以V7、V8截止，无脉冲输出，同时，+15V电源经R9和饱和晶体管V5及-15V电源对电容C3进行充电，充电结束后，电容两端电压为30V，其左端为+15V右端为-15V。 调节电压uct，当uct0.7V时，V4由截止变为饱和导通，其集电极A端ua由+15V迅速下降至1V左右，由于电容C3上的电压不能突变，C3右端的电压也开始的-15V下降至-30V，V5的基射结由于受到反偏而立即截止，其集电极电压uc5由开始的-15V左右迅速上升，当uc52.1时，V7、V8导通，脉冲变压器一次侧流过电流，其二次侧有触发脉冲输出。同时，电容C3反向充电使V5的基极电压ub5由-30V开始上升，当ub5-15V，V5又重新导通，uc5又变成-15V，使V7、V8又截止，输出脉冲结束。可见，V4导通的瞬间决定了脉冲发出的时刻，到V5截止时间即是脉冲的宽度，而V5截止时间的长短反向充电时间常数R11C3决定的。5.2 锯齿波形成与脉冲移相环节该环节主要由V1、V2、V3、C2、VS等元器件组成，锯齿波是由恒流源电流对C2充电形成的。在图中，VS、RP2、R3、V1组成了一个恒流源电路，恒流源电流Ic1对电容C2进行充电，电容C2两端的电压uc2为 uc2=t可见，uc2是随时间现性变化的，其充电斜率为。当V2导通时，由于电阻R4的阻值很少，所以，电容C2经R4及V2迅速放电，当V2周期性的关断与导通时，电容C2两端就得到了线性很好的锯齿波电压，要想改变锯齿波的斜率，只要改变充电电流的大小，即只要改变RP2的阻值即可。该锯齿波电压经过由V3管组成射极跟随器后，ue3是一个与远波形相同的锯齿波电压。Ue3、up、uct三个信号通过电阻R6、R7、R8的综合作用成为ub4，它控制V4的导通与关断。这里采用电工学课程中的叠加原理，在考虑一个信号在b4点的作用时，可以将另外两个信号接地，而三个信号在b4点作用综合电压ub4才是控制V4的真正信号。当uct=0时，V4的基极电压的ub4的波形有ue3+up决定，控制偏移电压up的大小。使锯齿波向下移动。当uct从0增加时，V4的基极电位ub4的波形就由ue3+uct+up决定，即当ub40.7V时的时刻，即V4由截止转为导通的时刻，也就是该时刻电路输出脉冲。如果把偏移电压up调整到某特定值而固定时，调节控制电压uct就能改变ub4波形上升到0.7V的时间，也就是说，改变控制电压uct就可以改变移动脉冲电压的相位，从而达到脉冲移相的目的。电路中设置负偏移电压up的目的是为了确定初始脉冲相位。通过三相桥式整流及逆变电路的分析可知：当负载大电感连续时，三相桥式整流电路的脉冲初始相位在控制角=90的位置，对于可逆系统，电路需要在整流与逆变两种工作状态，这时需要脉冲的移相范围约为180，考虑锯齿波电压波形两端的非线性，因此要求锯齿波底宽为240，此时使脉冲初始位置调整到锯齿波的中点位置，对应主电路=90位置。如果uct0，脉冲左移，90，电路处于整流工作状态；如果uct90, 图5-1锯齿波同步触发电路电路处于逆变工作状态。5.3 同步信号与主回路的相位关系 同步问题是指触发脉冲与主回路电源同步。同步变压器BT和主回路整流变压器接在同一交流电源上，具有相同频率。主回路整流变压器为Yo/Y-12联接组，同步变压器为Y/Y-6，Y/Y-12联接组。选择T1的同步电压为-uTa，其余T2T6的同步电压见图5-2。被触发的晶闸管T1T2T3T4T5T6主回路电压+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步信号电压-uTa+uTc-uTb+uTa-uTc+uTb图5-2晶闸管三相全控桥中晶闸管的同步信号电压 同步变压器二次正弦波电压uBT经D1间接地加在T2的基极上。在uBT负半周的下降段，D1导通，同步电压uBT对C1迅速充电，C1的端电压uA跟随uBT变化，T2截止。在uBT负半周的上升段，电源通过R1给C1反向充电，由于充电时间常数较大，致使电容端电压uA波形上升比uBT缓慢，D1截止。随着C1反向充电，A点电位按指数规律逐渐上升，当A点电位大于1V后，D2、T2开始导通，uA稳定在1.4V左右。因此可使T2截止时间大于180，达到240左右。由WD1、R2、R4、WR1及T1组成恒流电路。在T2截止时，+12V直流电源经WR1、R4和T1对C2进行恒流充电。在T2导通后，电容C2通过R3和T2放电，由于R3电阻很小，所以C2迅速放电，使T3基极电位迅速降到0V附近。于是在C2两端形成底宽为240左右的正锯齿波电压，此电压通过T3组成的射极跟随器输出。由于可逆系统，电路需要在整流和逆变状态下工作，这时要求脉冲移相范围约为180，考虑到锯齿波波形两端的非线性，因而要求锯齿波宽度大于180。5.4 脉冲形成和放大当T4由截止变为导通时，电容C3放电产生负脉冲，使T5管截止，从而使T6导通产生触发脉冲，经脉冲变压器输出。为满足三相全控桥整流电路提出的双窄脉冲要求，在线路中引入了补入、补出的线路，此时，只要把触发器X端接至前面触发器Y端，把触发器Y端接到后面触发器X端即可。这样每个触发单元一个周期内输出两个窄脉冲(相互间隔60)，只供给相对应的晶闸管元件。以T1元件的触发电路而言，Y端应该接至T2元件触发电路的X端，因为T2元件比T1元件滞后60导通，当T2元件触发电路输出一个脉冲时，也给T1补送一个脉冲。同理，T1元件X端应该接至T6元件触发电路的Y端，因为T6元件比T1元件超前60导通，当T1元件触发电路输出一个脉冲，同时给T6补送一个脉冲。第6章 驱动电路与保护电路的设计电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要组成部分，对整个装置的工作性能有很大的影响。性能良好的驱动电路，可以使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损失，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。另外，电力电子装置和器件的一些保护措施也往往设置在驱动电路中或者通过驱动电路来实现。6.1 电力电子器件驱动电路概述驱动电路的基本任务就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为电力电子器件可以接受的信号，加在控制端和公共端之间。对于半控型器件只需提供开通信号，对于全控型器件既要提供开通信号，又要提供关断信号，以保证器件按要求卡棵道统或关断，驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电器隔离环节。一般采用光-点偶合隔离或磁-点偶合隔离技术。按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两大类。晶闸管虽然属于电流驱动型器件，但由于它属于半控型器件，只需控制其导通。而对其关断无需控制，因此晶闸管的驱动电路是为其专门设计的，通常称其为触发电路。对于全控型器件，如GTO、GTR、电力MOSFET和IGBT等，则按电流型和电压型分别进行驱动。应特别说明的是，所有驱动电路的具体形式可以是分立元件构成的驱动电路，也可以是目前广泛采用的专用的集成驱动电路。从发展的趋势来看，光-电耦合隔离电路也趋向集成化。另外，为达到电力电子器件与驱动电路参数的最佳配合，建议在选用集成驱动电路时应首选电力电子器件生产厂家专门为其开发的集成驱动电路。6.2 典型全控型器件的驱动电路GTO是电流驱动型器件。它的导通控制与普通晶闸管相似，但对触发前沿的幅值和陡度要求较高，且一般需要在整个导通期间施加正向门极电流。要使GTO关断则需施加反向门极电流，对其幅值和陡度的要求则更高，幅值需达到阳极电流的1/3左右，陡度需达50A/s，其中强负脉冲宽度约30s，负脉冲总宽度100s，关断后还需在门极-阴极间施加约5V的负偏压，以提高器件的抗干扰能力。GTO一般用于大容量电流的场合，其驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直流耦合式两种类型。直流耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可以得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较为广泛，其缺点是功耗大，效率低。直流耦合式GTO驱动电路的电源由高频电源经二极管整流后得到，二极管VD1和电容C1提供+5V电压，VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路，提供+15V电压，VD4和电容C4提供-15V电压。场效应晶体管V1开通时，输出正强脉冲；V2开通时，输出正脉冲平顶部分；V2关断而V3开通时输出负脉冲；V3关断后电阻R3和R4提供门极负偏压。6.3 电力电子器件的保护在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。6.3.1 过电压的产生及过电压保护电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。6.3.1.1 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：操作过电压：由分闸，合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间的存在的分布电容静电感应耦合过来。雷击过电压：由雷击引起的过电压。6.3.1.2 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括以下几个部分。换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不能恢复阻断能力时，因而有较大的反向电流通过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极这间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而线路电感在器件两端感应出的过电压。各电压保护措施及配置位置，各电力电子装置可视具体情况只来用采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的装置，其功能属于缓冲电路的范畴。在抑制外因过电压的措施中，采用RS过电压抑制电路是最为常见的。RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（通常供电电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧）或电力电子电路的直侧流。对于大容量的电力电子装置，可采用图139所示的反向阻断式RC电路。有关保护电路的参数计算可参考相关的工程手册。采用雪崩二极管，金属氧化物压敏电阻，硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较为常用的手段。6.3.2 过电流保护电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效，应用最方泛的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：1、电压等级应根据快熔熔断后实际承受的电压来确定。2、电流容量应按照其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体体器件串联连接，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It值应小于被保护器件的允许It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。快熔对器件的保护方式分为全保护和短保护两种。全保护是指无论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕量较大的场合。短路保护方式是指快熔只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。快熔电流容量的具体选择方式可参考有关的工程手册。对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高，很难用快熔保护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。除了对电动机起动时的冲击电流等变化较慢的过电流可以用控制系统本身调节器进行对电流的限制之外，需设置专门的过电流保护电子电路，检测到过流之后直接调节触发，驱动电路，或者关断被保护器件。此外，常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这种措施对器件过电流的响应最快。第7章 缓冲电路的设计缓冲电路(Sunbber Circuit)又称为吸收电路,其作用是抑制电力电子期间的内因过电压.du/dt.过电流和di/dt,减少器件的开关损耗.缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路.关断缓冲电路又称为du/dt抑制电路,用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt,减小器件的开通损耗,可将关断缓冲电路和开通电路结合在一起,称为复合缓冲电路.还有另外一中分类方式:缓冲电路中储能元件的能量如果能消耗在吸收电阻上,则称其为馈能式缓冲电路或无损吸收电路.如无特别说明,通常缓冲电路专指关断缓冲电路,而将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。在无缓冲电路的情况下,绝缘栅双极晶体管V开通电流迅速上升, di/dt很大,关断时du/dt很大,并出现很高的电压.在缓冲电路的情况下,V开通时缓冲电容Cs先通过Rs向V放电,使电流Ic先上一个台阶,以后因为有di/dt抑制电路的Li,Ic的上升速度减慢.Ri.Vdi是在V关断时为Li中的磁场能量提供供放低那路回路而设置的.在V关断时负载电流通过VDs向Cs分流,减轻了V的负担,抑制了du/dt和过电压.关断前工作在A点.无缓冲电路时,Uce迅速上升,在负载上的感应电压使续流二极管VD开始道统,负载线从A移动B,之后Ic才下到漏电流的大小,负载线随之移动到C.可以看出，负载线在到达B时很可能超出安全区,使V受到损坏,而负载线ADC是很安全的.而且.ADC经过的都是小电流.小电压区域,旗舰的关断损耗也比无缓冲时大大降低.图7-1di/dt抑制电路图7-1所示的缓冲电路,使用于中等的容量的场合.其中RC缓冲电路主要用于小容量器件,而放电阻止型RCD缓冲电路用语中或大容量器件.其中缓冲电容Cs和吸收电阻Rs的取值可用实验方法确定,或参考有关的工程手册.注意:吸收二极管VDs必须用快恢复二极管,其额定电流应不小于住电路器件额定电流的1/10.此外,应精良减小线路电感,且应选用内部电感小的吸收电容.在中小容量场合,若线路电感叫小,可只在支流侧总的设一 个du/dt抑制电路,对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容.晶闸管在实际应用中一般只承受换相过压,没有关断电压问题,关断时也没有较大的du/dt,因此一般采用RC吸收缓冲电路即可.图7-1为GTO常见的三种缓冲电路.为了使缓冲效果更加显著,电路中的二极管尽量选用快速二极管,同时接线要尽量短以减少布线电感.图7-13缓冲电路不仅能抑制开通过程du/dt与di/dt值,同时还使刚开通时加在GTO上的du/dt初始值小电路中由于有二极管阻挡，使得电容的放电不能经过，以免刚开通时di/dt值过大图1b缓冲电路抑制du/dt与di/dt效果更明显，但电容放电要经过（放电电流受值的限制）图所示的缓冲电路通常是容量在以下时才采用 a) b) c)阻容吸收元件参数可按表7-1所提供的经验数据选取，电容耐压一般选晶闸管额定电压的1.1-1.5倍。表7-2 晶闸管阻容电路经验数据晶闸管额定电流It(AV)/A1000500200100502010电容C/F210.50.250.20.150.1电阻R/2510204080100电阻功率P=fC10式中f频率，取500Hz；晶闸管工作峰值电压，单位为V；C与电阻串联的电容量，单位为F；P电阻选取的功率，单位为W。所以根据其提供的资料可取电容0.2F，电阻取40。第8章 直流电机的构造及工作原理8.1 直流电动机的构造直流电机主要由磁极、电枢和换向器（整流子）三部分组成。 直流电机的组成部分 直流电机的磁极及磁路 8.1.1 磁极 结构见图用硅钢片叠成，固定在机座上，由 两部分组成。极心上放置励磁绕组在电机中产生磁场，极掌的作用是使电机的空气隙中的磁感应强度的分布最为合适，并且挡住励磁绕组不至于掉下来。磁极和机座都是磁路的一部分。8.1.2 电枢电枢铁心是由硅钢片叠成的圆柱体，表面沿轴线冲有槽；槽中放电枢绕组，用来感应电动势。直流电机的电枢是旋转的。见图 (a) (b) 直流电机的电枢结构图 直流电机的电枢铁心片8.1.3 换向器（整流子） 换向器结构如图所示，它是直流电机特有的装置。换向器装在转轴上。电枢绕组的导线按一定规则焊接在环向片的凸出部分。在换向器的表面用弹簧压作固定的电刷，是转动的电枢绕组。8.2 直流电机的工作原理自于绝大多数的电动机都须作连续的旋转运动的电磁力形成一种方向不变的转矩，才能构成电动机。在图中，N、S为对固定的磁极(一般是电磁铁，也可以是永久磁铁)，两磁极 间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。N极与S极的磁力线所通过圆柱体的途径如图中所表示。当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向却变为顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷A、B相接触。装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。第9章 总结经过几周的工程实训，我对电力电子技术这门课程及相关知识有了更深刻的理解和体会，同时也很好的把理论知识运用于实践之中，在实训之中我真正的学到了很多东西，受益颇多。我做的课题是直流电动机用硅整流器的设计，首先对该课题进行简单的介绍：将交流电能转换为直流电能是电力电子技术应用的重要领域。采用晶闸管作为主要的功率开关器件，容量大，控制简单，技术成熟。在做该设计之前，我认真看了老师给我提出的课题，看了其中的具体要求，通过在图书馆查阅相关资料，上网找资料，向老师询问疑点等方式，有效的解决了我不懂之处。在本设计中，难点重点在于如何对整流电路进行设计，通过给定的有关参数的计算对晶闸管进行选型，计算变压器的正、副偏电压，电流及其容量。其次，就是这些公式的编写，在平时，Microsoft Word文档中一般很少用，在编写之前,我特意问了老师,装了一个3.0的公式,终于解决了我面前的又一个问题。该课题分九个环节进行阐述，其内容包括：1、主电路的设计；2、主电路元件的选择；3、整流变压器额定参数的计算；4、平波电抗器的设计；5、触发电路的设计；6、驱动电路与保护电路设计；7、缓冲电路的计算；8、直流电机的构造及工作原理。设计采用的是三相桥式全控整流电路，整流电路广泛应用于工业中。它可按照以下几种方法分类：1、按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；2、按电路结构可分为桥式电路和零式电路；3、按交流输入相数分为单相电路和多相电路；4、按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。一般当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路等。本设计通过对整流电路的额定容量的计算为5.5KW，而一般当功率超过4KW时，考虑到三相负载的平衡，采用三相桥式全控整流电路。触发电路采用的是锯齿波同步触发电路，该触发电路分成同步电压、锯齿波形成和脉冲移相、脉冲形成与放大、强触发和双窄脉冲形成等环节。晶闸管触发导通的条件是：1、阳极承受正向电压；2、门极-阴极之间加上正向触发电压，并且