单相双半波晶闸管整流电路设计..

1、电力电子技术课程设计说明书单相双半波晶闸管整流电路设计（纯电阻负载）系、部：机电工程系学生姓名：指导教师：专业：自动化组员：乔垒垒乔兀培班级：自动化1002班完成时间：2012年12月11日电力电子技术，又称“功率电子学”（英文：Power Electronics），简称 PE,是应用于电力领域，使用电力电子元件对电能进行变换和控制的电子技术。 电力电子技术分为电力电子元件制造技术和变流技术。电力电子技术所变换的 “电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息 处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。1974年，美国的W. Newell提出：电力电子学

2、是由电力学、电子学和控制理论 三个学科交叉而行成。这一观点被全世界普遍接受。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。电力电子技术自诞生已来，以其应用范围广泛，迅速的发展起来，但是我 们在关心电力电子技术发展的过程中，不难发现，电力电子技术之所以会迅速的 发展起来，是因为其实用性高，应用范围广，所以电力电

3、子工作者要去挖掘电力 电子的新作用，同时也要关心电力电子技术的未来走向，积极关注本行业的最新 成果。现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力 电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术 起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆 变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代 末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高 压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代 电力电子时代。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

4、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，而单相全控桥式晶闸管整流电路又有利于夯实基础，故我们将单 结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的 课题。 TOC o 1-5 h z 1设计要求4 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 1.1设计课题目4 HYPERLINK l bookmark19 o Current Doc

5、ument 1.2技术要求4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2设计方案的选择4 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.1单相双半波晶闸管整流电路供电方案的选择4 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 2.2单相双半波晶闸管整流电路主电路设计5 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 3 元件的选择6 HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 3.1电路元件的选择

6、7 HYPERLINK l bookmark87 o Current Document 3.2、保护元件的选择8 HYPERLINK l bookmark109 o Current Document 4单相双半波整流电路的相控触发器电路94.1、相控触发电路原理图及工作原理9 HYPERLINK l bookmark113 o Current Document 4.2、相控触发芯片的选择9 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 4.3、芯片引脚功能10 HYPERLINK l bookmark124 o Current Document 5单相双

7、半波整流电路总设计结果11 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 5.1晶闸管工作原理11 HYPERLINK l bookmark131 o Current Document 5.2总电路的原理框图13 HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 5.3总电路原理图13 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 5.4总电路工作原理14 HYPERLINK l bookmark137 o Current Document 5.5绘制输出波形（即Ud,id波形）1

8、4 HYPERLINK l bookmark140 o Current Document 5.6绘制触发信号波形146 设计总仑吉16附录1、设计要求1.1、设计课题目单相双半波晶闸管整流电路设计(纯电阻负载)1.2、技术要求1、单相双半波晶闸管整流电路的设计要求为: 负载为阻性负载.2、技术要求：电网供电电压：交流100V/50Hz；输出功率：500W；移相范围：0180；设计方案的选择2. 1、单相双半波晶闸管整流电路供电方案的选择单相桥式全控整流电路此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周

9、电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。并且单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，功率因素高的特点。但是，电路中需要四只晶闸管，且触发电O云丁：路要分时触发一对晶闸管，电路复杂， 两两晶闸管导通的时间差用分立元件 电路难以控制。单相双半波可控整流电路单相双半波可控整流电路又称单相全波可控整流电路。此电路变压器是带中 心抽头的，在u2正半周T1工作，变压器二次绕组上半部分流过电流。u2负半 周，VT2H作，变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流。单相全波可控整流 电路的Ud波形与单相全控桥的一样，交流输入端电流波形一样，变压器也不存 在

10、直流磁化的问题。当接其他负载时，也有相同的结论。因此，单相全波与单相 全控桥从直流输入端或者从交流输入端看均是一致的。适用于输出低压的场合作 电流脉冲大(电阻性负载时)。在比较两者的电路结构的优缺点以后决定选用单 相全波可控整流电路作为主电路。具体供电方案电源电压：交流100V/ 50Hz2.2、单相双半波晶闸管整流电路主电路设计主电路原理图单相全波整流电路如图(a)所示，波形图如图(b)所示。(A)电幡裁堪图根据图中(b)可知，单相全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出电压同。(1)输出平均电压为：1 r -,、趴域艮HD = L = - v2U;sir.vtdG-vt) = IV =

11、0.9U；n Jo(2)流过负载的平均电流为：=二二T二极管所承受的最大反向电压为：URmax=2j2U2单相全波整流电路的脉动系数s与单相桥式整流电路相同：s二冬J.： = 2 =0.673 兀n 3在单相全波整流电路的变压器中，只有交流电流流过;而在半波和桥式整流 电路中，均有直流分量流过。单相全波整流电路的总体性能优于单相半波和桥式 整流电路，故广泛应用于直流电源中。变压器二次测电压的计算电源电压交流100/ 50Hz，输出功率500W，移相范围：0 -180。设R=1.25Q , a=0 所以 p =Ud2/RUd =25V变压器一二次侧电流的计算P=Id2R Id=20AU1/Ud=

12、100/25N1/N2=4/1Ii=Id/4=5 A变压器容量的计算S=U1i100X5=0.5kVA变压器型号的选择N1:N2=4： 1 ; S=0.5kVA元件的选择3.1、电路元件的选择整流元件的选择由于单相双半波整流带阻性负载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。整流元件中电压、电流最大值的计算晶闸管的主要参数如下：额定电压UNVT断态重复峰值电压UDRM断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 峰值电压。反向重复峰值电压URRM反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 反向峰值电压。通常取udrm

13、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，额定电压要留有一定裕量，应为正常工作时晶闸管所承受 峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压七.=皿1叫潮，Urrm UNVT N(23) 2 显 U2(3-1)U；T：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压U =(23)2J2U= (141.4-212.1) V通过晶闸管的电流的平均值IvT(AV)额定电流INVT1*枷=1/2=10入Im= n )=314、又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下， 元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额 定结温

14、时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的 电流等级即为晶闸管的额定电流。要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值 没有超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管 子由于过热而损坏。整流元件型号的选择晶闸管的选择原则：所选晶闸管电流有效值、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)倍的安全裕量。即InvtN(1.52)1/1.57二(19.1-25.5) A、=20A则晶闸管的额定电流为Invt=20A.在本次设计中选用2个KP20-2的晶闸管.3.2、保护元件的选择变压器二次侧熔断器的选择采用快速熔

15、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I 21值应小于被保护器件的允许121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20A,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30A。晶闸管保护电路的选择1）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

16、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。2）过电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。保护电路原理图及工作原理过流、过电压保护电路如图三4、单相双半波整流电路的相控触发器电路4.1、相控触发芯片的选择相控触发电路芯片选择KJ004集成触发电路芯片构成的集成触发器KJ004 可控硅移

17、相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作 可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地 构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉 冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能 与特点。4.2、芯片引脚功能功能输 出空锯齿波形 成-Vee(lkQ)空地同步输 入综合比 较空微分阻 容封锁调 制输 出+Vcc引线脚 号12345678910111213141516表一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：触发信号可为直流、交流或脉冲电压。触发信

18、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V四所示。5、单相双半波整流电路总设计结果5.1晶闸管工作原理晶闸管由四层半导体(P、N、P、N)组成，形成三个结J (PN)、J (NP)、1122111212J (P

19、N ),并分别从P、P、N引入A、G、K三个电极，如图V五(a)所示。由 32 2122于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图V五(b)所示的两个晶闸管T (P-N P )和111- 2(N1-P2-N2)组成的等效电路。h)图V五晶闸管的内部结构和等效电路一个PNPN四层结构的两端器件，可以看成电流放大系数分别为a 1和a 2的 TOC o 1-5 h z PNP和NPN晶体管，其中J结为共用集电结。当器件加正向电压时。正偏 11 21 222J结注入空穴经过N区的输运，到达集电极结(J )空穴电流为a I ;而正偏 1121 A的J结注入电子，经过P区的输运到达J结的电

20、流为a I。由于J结处于反3222 K2向，通过J 2结的电流还包括自身的反向饱和电流1书晶闸管导通与关断两个状态是由阳极电压、阳极电流和门极电流共同决定的。通常用伏安特性曲线来描述它们之间的关系，如图V六所示。图V六晶闸管的伏安特性曲线当晶闸管V加正向电压时，J和J正偏，J反偏，外加电压几乎全部降 AK132落在J2结上，J2结起到阻断电流的作用。随着VAK的增大，只要VAK匕。，通 过阳极电流IA都很小，因而称此区域为正向阻断状态。当VAK增大超过匕。以后， 阳极电流突然增大，特性曲线过负阻过程瞬间变到低电压、大电流状态。晶闸管 流过由负载决定的通态电流IT，器件压降为1V左右，特性曲线C

21、D段对应的状 态称为导通状态。通常将匕。及其所对应的I。称之为正向转折电压和转折电流。 晶闸管导通后能自身维持同态，从通态转换到断态，通常是不用门极信号而是由 外部电路控制，即只有当电流小到称为维持电流Ih的某一临界值以下，器件才 能被关断。当晶闸管处于断态-时，如果使得门极相对于阴极为正，给门极通以电流IG，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压VB。以及转电流IBO都是IG的函数，IG越大，VB。越小。如图3所示，晶闸管一旦导通后， 即使去除门极信号，器件仍然然导通。当晶闸管的阳极相对于阴极为负，只要】.艾：二：，IA很小，且与Ig基本无关。 但反向电压很大时二；一，通过晶闸管的反向漏电流急剧增大，表现出晶闸 管击穿，因此称匕。为反向转折电压和转折电流。5.2总电路的原理框图系统原理方框图如图v七所示:图v七5.3总电路原理图&1TD-U-1TD图八5.4总电路工作原理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