《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)--單相半控橋式晶體管整流電路設(shè)計(jì)

1、<p>　　《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書</p><p>　　單相半控橋式晶體管整流電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)目的：</b></p><p>　　1．進(jìn)一步了解集成觸發(fā)器件的工作原理</p><p>　　2．掌握集成觸發(fā)電路的接線和調(diào)試方法</p><p>　　3．

2、熟悉集成觸發(fā)電路各點(diǎn)的波形</p><p><b>　　二．設(shè)計(jì)要求：</b></p><p>　　1．電源要求:交流100V/50Hz</p><p>　　2．輸出功率 500W</p><p>　　3．輸出電壓范圍 0V~50V</p><p>　　三. 觸發(fā)電路方案選擇：</p>

3、<p>　　方案一、采用單結(jié)晶體管觸發(fā)</p><p>　　圖1采用單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的單相半控橋</p><p>　　方案二:集成芯片觸發(fā)</p><p>　　集成觸發(fā)電路中主要器件是KJ004晶閘管移相觸發(fā)電路，它兩路相位差180°的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成單相半控橋式觸發(fā)電路。該電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖對(duì)稱、移相

4、范圍寬、同步電壓要求小等優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　方案三:單片機(jī)觸發(fā)</b></p><p>　　系統(tǒng)硬件組成如圖２，只須在8031最小系統(tǒng)上加一塊16位的定時(shí)／計(jì)數(shù)器8253和晶振電路，另加一塊帶一個(gè)14位定時(shí)／計(jì)數(shù)器的可編程RAM／IO擴(kuò)展器8155，即可組成單片機(jī)的系統(tǒng)線路。</p><p>　　圖２方案比較: 由于我們這次實(shí)

5、踐時(shí)間有限,再綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素,我們通過(guò)比較方案</p><p><b>　　二。 </b></p><p>　　四．主電路、控制電路原理說(shuō)明：</p><p>　　1 . 主電路原理圖 </p><p><b>　　電路與波形如圖所示</b></p><p

6、>　　圖３單相橋式半控整流</p><p>　　正半周：t1時(shí)刻加入ug1，T1導(dǎo)通，電流通路如圖實(shí)線所示。uT1=0,ud=u2,uT2=-u2。u2過(guò)零時(shí)，T1自行關(guān)斷。</p><p>　　負(fù)半周：t2時(shí)刻加入ug2，T2導(dǎo)通，電流通路如圖虛線所示，uT2=0，ud=-u2,ut1=u2。u2過(guò)零時(shí)T2自行關(guān)斷。</p><p><b>　　2

7、．觸發(fā)電路原理</b></p><p>　　下面把KJ004晶閘管移相觸發(fā)器的工作原理作一簡(jiǎn)要介紹。</p><p>　　圖3為KJ004電路原理圖，其中點(diǎn)劃線框內(nèi)為集成電路部分。從圖中可以看出，它與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似。可以分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及功放幾個(gè)環(huán)節(jié)。</p><p>　　圖４ KJ004電路原理圖&l

8、t;/p><p>　　V1～V4等組成同步環(huán)節(jié)。同步電壓uS經(jīng)限流電阻R20。加到V1、V2基極。在uS的正半周，V1導(dǎo)通，電流從十15V—R3一VD1一V1一地。在uS負(fù)半周，V2、V3導(dǎo)通，電流從十15V—R3一VD2一V3一R5一R21—一15V。因此，在正、負(fù)半周期間。V4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)。只有在同步電壓|uS|＜0.7V時(shí)，V1～V3截止，V4從電源十15V經(jīng)R3、R4取得基極電流才能導(dǎo)通，其波形見圖實(shí)3

9、-3。</p><p>　　電容C1接在V5的基極和集電極之間，組成電容負(fù)反饋的鋸齒波發(fā)生器。在V4導(dǎo)通時(shí)，C1經(jīng)V4、VD3迅速放電。當(dāng)V4截止時(shí)，電流經(jīng)十15V一R6一C1一R22一RP1一（一15V）對(duì)C1；充電。在4#端形成線性增長(zhǎng)的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過(guò)R22、RP1的充電電流和電容C1的大小。根據(jù)V4導(dǎo)通的情況可知，在同步電壓正、負(fù)半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關(guān)系，見圖C。&

10、lt;/p><p>　　V6及外接元件組成了移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5（即4#端電壓）、偏移電壓Ub、移相控制電壓UC分別經(jīng)R24、R23、R26在V6基極上疊加。當(dāng)ube6＞十0．7V時(shí)，V6導(dǎo)通。設(shè)uC5、Ub為定值，改變UC，則改變了V6導(dǎo)通的時(shí)刻，從而調(diào)節(jié)了脈沖的相位。</p><p>　　V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。平時(shí)V7經(jīng)電阻R25獲得基極電流而導(dǎo)通，電容C2由電源十15V經(jīng)電阻R

11、7、VD5、V7基射結(jié)充電。當(dāng) V6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，C2所充電壓通過(guò) V6成為 V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經(jīng)十 15V—R25一V6一地放電并反向充電，當(dāng)其充電電壓uc2（即12#端）≥十1．4V時(shí)，V7又恢復(fù)導(dǎo)通。這樣，在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度取決于充電時(shí)間常數(shù)R25C2的大小。 </p><p>　　圖５ KC04電路波形及同步變壓器</p><p>

12、;　　V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個(gè)周期內(nèi)，V7集電極輸出兩個(gè)脈沖，這兩個(gè)脈沖的相位差為180°。脈沖分選是通過(guò)同步電壓的正負(fù)半周進(jìn)行的。例如在us正半周V1導(dǎo)通，圖實(shí)B中的A點(diǎn)呈現(xiàn)低電位，B點(diǎn)為高電位，V8截止，V12導(dǎo)通。V12把來(lái)自V7的正脈沖箝位在零電位。同時(shí)，V7正脈沖又通過(guò)二極管VD7，經(jīng)V9～V11放大由1#端輸出脈沖。在同步電壓負(fù)半周，情況則相反，V8導(dǎo)通，V12截止。V7正脈沖經(jīng) V13～V15放

13、大由 15#端輸出負(fù)相脈沖。</p><p>　　KC04中穩(wěn)壓管V17～V20可提高V8、V9、V12、V13的門限電壓，從而提高了電路的抗干擾能力。二極管VD1、VD2、VD6～VD8為隔離二極管。</p><p>　　圖4是采用KC04元件組裝的六脈沖觸發(fā)電路，二極管VD1～VD12組成六個(gè)或門形成六路脈沖，并由三極管V1～V6進(jìn)行脈沖功率放大。</p><p&g

14、t;　　由于 V8、V12的脈沖分選作用，使得同步電壓在一周內(nèi)有兩個(gè)相位上相差 180°的脈沖產(chǎn)生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，只需要三個(gè)與主電路同相的同步電壓就行了。因此按圖A主變壓器接成D，yn11及同步變壓器也接成D，yn11情況下，集成觸發(fā)電路的同步電壓usU、usV、usW分別與同步變壓器30V的usU、usV、usW相接。 </p>

15、<p>　　圖4中RP1～RP3為鋸齒波斜率電位器，RP4～RP6為同步相位</p><p>　　微調(diào)電位器，調(diào)節(jié)這些電位器就能得到理想的三相平衡度。</p><p><b>　　五．電路參數(shù)計(jì)算:</b></p><p>　　單相橋式半控整流電路各電量關(guān)系</p><p>　　ud波形為非正弦波，其幅值為半波

16、整流的兩倍，所以Rd上的直流電壓Ud：</p><p><b>　　直流電流Id：</b></p><p><b>　　電壓有效值U：</b></p><p><b>　　電流有效值I：</b></p><p><b>　　功率因數(shù)cosψ：</b><

17、;/p><p>　　比值Ud/U,I/Id和cosψ隨α的變化數(shù)值見表2，相應(yīng)關(guān)系曲線見圖6</p><p>　　表A Ud/U、I/Id、cosψ與α的關(guān)系表</p><p>　　圖6 單相全波和橋式電路電壓、電流及功率因數(shù)與控制角的關(guān)系</p><p>　　把單相全波整流單相半波整流進(jìn)行比較可知：</p><p>　　

18、（1）當(dāng)α相同時(shí)，全波的輸出直流電壓比半波的大一倍。</p><p>　?。?）在α和Id相同時(shí)，全波的電流有效值比半波的減小倍。</p><p>　?。?）α相同時(shí)，全波的功率因數(shù)比半波的提高了倍。</p><p>　　由于電力電子器件不是理想元件,實(shí)際電路存在損耗。為保證電路的可靠觸發(fā)，我們?nèi)∽钚∮|發(fā)角為30°。根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸入平均電壓Ud=0~50V

19、輸入電壓功率為500W。</p><p>　　已知αmin=30°時(shí)，Udmax50V U2 Ud cosψ IVT IVD</p><p>　　∵ 查表得:α=30°時(shí),功率因數(shù) cosψ=0.985</p><p><b>　　∴</b></p><p><b>　　又∵<

20、;/b></p><p><b>　　∴</b></p><p><b>　　晶閘管的選擇</b></p><p>　　流過(guò)晶閘管的電流有效值為</p><p>　　考慮2倍安全裕量,晶閘管的額定電流為</p><p><b>　　晶閘管電壓額定為</b

21、></p><p>　　可選型號(hào)為KP10-2晶閘管(額定電流10A,額定電壓200V)。</p><p><b>　　二極管的選擇</b></p><p>　?。紤]1.1倍安全裕量）。</p><p>　?。紤]1.1倍安全裕量）。 </p><p>　　可選用INT4001二極

22、管。</p><p>　　六．保護(hù)電路工作原理：</p><p>　　晶閘管的保護(hù)電路，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護(hù)電路，檢測(cè)設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過(guò)允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過(guò)電壓或過(guò)電流的數(shù)值。&l

23、t;/p><p><b>　　晶閘管的過(guò)流保護(hù)</b></p><p>　　晶閘管設(shè)備產(chǎn)生過(guò)電流的原因可以分為兩類:一類是由于整流電路內(nèi)部原因, 如整流晶閘管損壞, 觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有故障等; 其中整流橋晶閘管損壞類較為嚴(yán)重, 一般是由于晶閘管因過(guò)電壓而擊穿,造成無(wú)正、反向阻斷能力，它相當(dāng)于整流橋臂發(fā)生永久性短路，使在另外兩橋臂晶閘管導(dǎo)通時(shí)，無(wú)法正常換流，因而產(chǎn)生線間短

24、路引起過(guò)電流.另一類則是整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過(guò)電流，這類情況時(shí)有發(fā)生，因?yàn)檎鳂虻呢?fù)載實(shí)質(zhì)是逆變橋, 逆變電路換流失敗，就相當(dāng)于整流橋負(fù)載短路。另外，如整流變壓器中心點(diǎn)接地，當(dāng)逆變負(fù)載回路接觸大地時(shí)，也會(huì)發(fā)生整流橋相對(duì)地短路。 a.對(duì)于第一類過(guò)流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過(guò)流，以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí)，可以采用第一種保護(hù)措施，最常見的就是接入快速熔短器的方式。見圖1?？焖偃鄱唐鞯慕尤敕绞焦灿腥N，其特點(diǎn)和快速熔短器的額定

25、電流見表1。 </p><p>　　圖7 快速熔斷短路的接入方法</p><p>　　表1：快速熔短器的接入方式、特點(diǎn)和額定電流</p><p>　　表2：整流電路型式與系數(shù)KC的關(guān)系表</p><p>　　2.對(duì)于第二類過(guò)流，即整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過(guò)電流，則應(yīng)當(dāng)采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。常見的電子保護(hù)原理圖如下 </p>

26、<p>　　圖8 過(guò)流保護(hù)原理圖</p><p>　　2.晶閘管的過(guò)壓保護(hù) 晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過(guò)電壓和雷擊過(guò)電壓的侵襲。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過(guò)電壓出現(xiàn)。 a.過(guò)電壓保護(hù)的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。見圖3和圖4。 </p><p>　　圖9 阻容三角抑制過(guò)電壓

27、 圖10 壓敏電阻或硒堆抑制過(guò)電壓</p><p>　　b.過(guò)電壓保護(hù)的第二種方法是采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。常見的電子保護(hù)原理下： </p><p>　　圖11 過(guò)壓保護(hù)原理</p><p>　　3.電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù)a.電流上升率di/dt的抑制 晶閘管初開通時(shí)電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以0.1

28、mm/μs的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面，若晶閘管開通時(shí)電流上升率di/dt過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽(yáng)極回路串聯(lián)入電感。如下圖:</p><p>　　圖12 串聯(lián)電感抑制回路</p><p>　　b.電壓上升率dv/dt的抑制 加在晶閘管上的正向電壓上升率dv/dt也應(yīng)有所限制,如果dv/dt過(guò)大，由于晶閘管結(jié)電容的存

29、在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實(shí)際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時(shí)引起晶閘管誤導(dǎo)通。為抑制dv/dt的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。如下圖： </p><p>　　圖14 并聯(lián)R-C阻容吸收回路</p><p>　　4、為什么要在晶閘管兩端并聯(lián)阻容網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　在實(shí)際晶閘管電路中，常在其兩端并聯(lián)RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，該

30、網(wǎng)絡(luò)常稱為RC阻容吸收電路。我們知道，晶閘管有一個(gè)重要特性參數(shù)－斷態(tài)電壓臨界上升率dlv/dlt。它表明晶閘管在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率。若電壓上升率過(guò)大，超過(guò)了晶閘管的電壓上升率的值，則會(huì)在無(wú)門極信號(hào)的情況下開通。即使此時(shí)加于晶閘管的正向電壓低于其陽(yáng)極峰值電壓，也可能發(fā)生這種情況。因?yàn)榫чl管可以看作是由三個(gè)PN結(jié)組成。</p><p>　　在晶閘管處于阻斷狀態(tài)下，因各層相

31、距很近，其J2結(jié)結(jié)面相當(dāng)于一個(gè)電容C0。當(dāng)晶閘管陽(yáng)極電壓變化時(shí)，便會(huì)有充電電流流過(guò)電容C0，并通過(guò)J3結(jié)，這個(gè)電流起了門極觸發(fā)電流作用。如果晶閘管在關(guān)斷時(shí)，陽(yáng)極電壓上升速度太快，則C0的充電電流越大，就有可能造成門極在沒有觸發(fā)信號(hào)的情況下，晶閘管誤導(dǎo)通現(xiàn)象，即常說(shuō)的硬開通，這是不允許的。因此，對(duì)加到晶閘管上的陽(yáng)極電壓上升率應(yīng)有一定的限制。</p><p>　　為了限制電路電壓上升率過(guò)大，確保晶閘管安全運(yùn)行，常在晶

32、閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，利用電容兩端電壓不能突變的特性來(lái)限制電壓上升率。因?yàn)殡娐房偸谴嬖陔姼械?變壓器漏感或負(fù)載電感)，所以與電容C串聯(lián)電阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過(guò)渡過(guò)程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過(guò)電壓損壞晶閘管。同時(shí)，避免電容器通過(guò)晶閘管放電電流過(guò)大，造成過(guò)電流而損壞晶閘管。 由于晶閘管過(guò)流過(guò)壓能力很差，如果不采取可靠的保護(hù)措施是不能正常工作的。RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)就是常用的保護(hù)方法之一。</p&

33、gt;<p><b>　　七．參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　1周克寧 《電力電子技術(shù)》 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2004</p><p>　　2.黃家善 《電力電子技術(shù)》 北京 機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　3.王兆安 黃俊《電力電子技術(shù)》第四版 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2000</p><p>

34、;　　4.李 宏 《電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南》 (1~4冊(cè)) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2001</p><p>　　5.王維平 《現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用》 南京 東南大學(xué)出版社 1999</p><p>　　6.石玉 《電力電子技術(shù)例題與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)》 北京 機(jī)械工業(yè)出版社</p><p><b>　　八. 設(shè)計(jì)總結(jié):</b>&l

35、t;/p><p>　　經(jīng)過(guò)為期一周的《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)，對(duì)電力電子這門課程有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和更深層次的了解。我們小組本次設(shè)計(jì)的課題是單相半控橋式晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)。由于，我們的設(shè)計(jì)主電路較為簡(jiǎn)單，我們?cè)O(shè)計(jì)的重心落在觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。我們最初，選定了三種觸發(fā)方案，最終，經(jīng)過(guò)綜合比較，選定了較易實(shí)現(xiàn)性能又比較優(yōu)異的KJ004集成芯片的觸發(fā)電路。</p><p>　　通過(guò)本次設(shè)計(jì)中，深感自己對(duì)

36、電力電子知識(shí)掌握的不足。設(shè)計(jì)初期，手拿課題一片茫然，感到無(wú)從下手，腦子里無(wú)法把課本上所學(xué)的知識(shí)有效的組合起來(lái)運(yùn)用與設(shè)計(jì)中。后來(lái)，經(jīng)過(guò)老師的指導(dǎo)和小組同學(xué)們激烈的討論，逐步對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)有所了解。再經(jīng)自己到圖書館翻閱資料和網(wǎng)絡(luò)上的對(duì)相關(guān)信息的瀏覽，對(duì)設(shè)計(jì)方案有了初步的定稿。在設(shè)計(jì)中，對(duì)Protel軟件的生疏，在電路圖和PCB版圖的繪制上花費(fèi)了大量時(shí)間。在元器件選擇上，由于對(duì)參數(shù)不熟，現(xiàn)在的器件種類又五花八門，給我們的選擇帶來(lái)了很大麻煩。在大家