課程設計---單相全控橋式晶閘管整流電路設計

1、<p>　　《電力電子技術》課程設計任務書</p><p><b>　　一、設計課題目</b></p><p>　　單相全控橋式晶閘管整流電路設計（純電阻負載）</p><p>　　二、設計要求 1、單相全控橋式晶閘管整流電路的設計要求為： 負載為阻性負載.</p><p>　　2、技術要求: (1)

2、.電網(wǎng)供電電壓：交流100V/50Hz； (2).輸出功率：500W；</p><p>　　(3).移相范圍：0度—180度； 在整個設計中要注意培養(yǎng)靈活運用所學的電力電子技術知識和創(chuàng)造性的思 維方式以及創(chuàng)造能力 要求具體電路方案的選擇必須有論證說明，要說明其有哪些特點。主電路具體電路元器件的選擇應有計算和說明。課程設計從確定方案到整個系統(tǒng)的設計，必須在檢索、閱讀 及分析研究大量的相關文獻的基礎上，經(jīng)過

3、剖析、提煉，設計出所要求的電路（或裝置）。 課程設計中要不斷提出問題，并給出這些問題的解決方法和自己的研究體會。</p><p>　　在整個設計中要注意培養(yǎng)獨立分析和獨立解決問題的能力</p><p>　　要求學生在教師的指導下，獨力完成所設計的系統(tǒng)主電路、控制電路等詳細的設計（包括計算和器件選型）。嚴禁抄襲，嚴禁兩篇設計報告基本相同，甚至完全一樣。</p><p>

4、;　　課題設計的主要內(nèi)容是供電方案的選定，主電路的設計，電路元件的選擇，保護電路的選擇，主電路的分析說明，主電路元器件的計算和選型，以及控制電路設計。 報告最后給出所設計的主電路和控制電路標準電路圖。</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　電力電子學,又稱功率電子學(Power Electronics)。它主要研究各種電力電子器件，以及由這

5、些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。它既是電子學在強電(高電壓、大電流)或電工領域的一個分支，又是電工學在弱電(低電壓、小電流)或電子領域的一個分支，或者說是強弱電相結(jié)合的新科學。電力電子學是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領域的一個新興工程技術學科。</p><p>　　隨著科學技術的日益發(fā)展,人們對電路的要求也越來越高,由于在生產(chǎn)實際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電

6、路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應用。在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而在許多場合，例如電解、蓄電池的充電、直流電動機等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機外，最普遍應用的是利用各種半導體元件產(chǎn)生直流電。這個方法中，整流是最基礎的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，把方向和大小交變的電流變換為直流電。

7、整流的基礎是整流電路。</p><p>　　由于電力電子技術是將電子技術和控制技術引入傳統(tǒng)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(xiàn)電能和變換和控制，而構(gòu)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，而單相全控橋式晶閘管整流電路又有利于夯實基礎，故我們將單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全

8、控整流電路這一課題作為這一課程的課程設計的課題。</p><p>　　單相橋式整流電路供電方案的選擇</p><p>　　1.1 具體供電方案</p><p>　　電源電壓：交流100V/ 50Hz</p><p>　　第二章 單項全控橋式晶閘管整流電路主電路設計</p><p><b>　　2.1主電路原理

9、圖</b></p><p>　　2.2變壓器二次側(cè)電壓的計算</p><p>　　電源電壓交流100/ 50Hz ，輸出功率：500W ，移相范圍：0度-180度。設R=5Ω , α=30</p><p>　　P=Ud²/R Ud=50v </p><p>　　2.3變壓器一 、二次側(cè)電流的計算</p>

10、<p>　　P=Id²R Id=10A</p><p>　　U1/Ud=100/50 N1/N2=2/1</p><p>　　I1=Id/2=5A</p><p>　　2.4變壓器容量的計算</p><p>　　S=U1i1=5×100=500W </p><p>　　2

11、.5變壓器型號的選擇</p><p>　　N1:N2=2:1 ; S=500W</p><p>　　第三章 電路元件的選擇</p><p>　　3.1整流元件的選擇</p><p>　　由于單相橋式全控整流帶電感性負載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。</p><p>　　

12、3.1.1整流元件中電壓、電流最大值的計算</p><p>　　1).晶閘管的主要參數(shù)如下：</p><p><b>　　①額定電壓UNVT</b></p><p>　　通常取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。</p>

13、<p><b>　　晶閘管的額定電壓 </b></p><p>　　UNVT ≥（2～3）U2 （3-1）</p><p>　　UNVT ：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓 </p><p>　　UNVT=(2--3)U2=212V</p><p><

14、;b>　?、陬~定電流INVT</b></p><p>　　通過晶閘管的電流的平均值IdvT</p><p>　　IDvt=Id/2=5A</p><p>　　Im=πIdVt=15.7A</p><p>　　3.1.2整流元件型號的選擇</p><p><b>　　晶閘管的選擇原則：<

15、/b></p><p>　?、袼x晶閘管電流有效值IVT大于元件 在電路中可能流過的最大電流有效值。</p><p>　?、?、 選擇時考慮（1.5～2）倍的安全余量。即</p><p><b>　　/1.57</b></p><p>　　INVT =10A

16、 </p><p>　　則晶閘管的額定電流為INVT=10A(輸出電流的有效值為最小值，所以該額定電流也為最小值)考慮到2倍裕量,取20A.即晶閘管的額定電流至應大于20A.</p><p>　　在本次設計中我選用4個KP20-4的晶閘管.</p><p>　　第四章 保護元件的選擇</p><p>　　4.1變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇<

17、;/p><p>　　采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。在選擇快熔時應考慮：</p><p>　　1）電壓等級應根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。</p><p>　　2）電流容量應按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊垡话闩c電力半導體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。</p>&

18、lt;p>　　3）快熔的值應小于被保護器件的允許值、</p><p>　　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。</p><p>　　因為晶閘管的額定電流為10A,快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為15A。</p><p>　　4.2晶閘管保護電路的選擇</p><p>　

19、　4.2.1過電流保護</p><p>　　當電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負載過載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變失敗；以及交流電源電壓過高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必須對電力電子裝置進行適當?shù)倪^電流保護。</p><p><b>　　4.2.2過壓保護</b>&

20、lt;/p><p>　　設備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。因此，必須對電力電子裝置進行適當?shù)倪^電壓保護。</p><p>　　4.3保護電路原理圖及工作原理</p><p>　　圖4.3 過流保護原理圖</p><p>　　圖4.3過電壓保護電路</

21、p><p>　　第五章 單項全空橋式晶閘管整流電路的相控觸發(fā)器電路</p><p>　　5.1相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理</p><p>　　圖5.0單結(jié)晶體管觸發(fā)電路</p><p>　　晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求： </p><p>　?、儆|發(fā)信號可為直流、交

22、流或脈沖電壓。</p><p>　?、谟|發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。</p><p>　　③觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。</p><p>　?、苡|發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。</p><p><b>　

23、　單結(jié)晶體管觸發(fā)電路</b></p><p>　　由單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸發(fā)電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強、溫度補償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應用。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如圖5.0所示。</p><p>　　5.2相控觸發(fā)芯片的選擇</p><p>　　5.2.1芯片管角功能介紹</p

24、><p>　　5.2.2芯片與外用電路的連接</p><p>　　第六章 單項全控橋式晶閘管整流電路設計 總設計結(jié)果</p><p>　　6.1 SCR 工作原理</p><p>　　晶閘管由四層半導體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個電極，如

25、圖6.0(左)所示。由于具有擴散工藝，具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可以等效成如圖6.0（右）所示的兩個晶閘管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。</p><p>　　圖6.0 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路</p><p>　　一個PNPN四層結(jié)構(gòu)的兩端器件，可以看成電流放大系數(shù)分別為和的和晶體管，其中結(jié)為共用集電結(jié)。當器件加正向電壓時。正偏結(jié)注入空穴經(jīng)過區(qū)的輸運，到

26、達集電極結(jié)（）空穴電流為；而正偏的結(jié)注入電子，經(jīng)過區(qū)的輸運到達結(jié)的電流為。由于結(jié)處于反向，通過結(jié)的電流還包括自身的反向飽和電流。</p><p>　　晶閘管導通與關斷兩個狀態(tài)是由陽極電壓、陽極電流和門極電流共同決定的。通常用伏安特性曲線來描述它們之間的關系，如圖6.3所示。</p><p>　　圖6.1 晶閘管的伏安特性曲線</p><p>　　當晶閘管加正向電壓

27、時，和正偏，反偏，外加電壓幾乎全部降落在結(jié)上，結(jié)起到阻斷電流的作用。隨著的增大，只要，通過陽極電流都很小，因而稱此區(qū)域為正向阻斷狀態(tài)。當增大超過以后，陽極電流突然增大，特性曲線過負阻過程瞬間變到低電壓、大電流狀態(tài)。晶閘管流過由負載決定的通態(tài)電流，器件壓降為1V左右，特性曲線CD段對應的狀態(tài)稱為導通狀態(tài)。通常將及其所對應的稱之為正向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。晶閘管導通后能自身維持同態(tài)，從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)，通常是不用門極信號而是由外部電路控制，即只

28、有當電流小到稱為維持電流的某一臨界值以下，器件才能被關斷。</p><p>　　當晶閘管處于斷態(tài)（）時，如果使得門極相對于陰極為正，給門極通以電流，那么晶閘管將在較低的電壓下轉(zhuǎn)折導通。轉(zhuǎn)折電壓以及轉(zhuǎn)折電流都是的函數(shù)，越大，越小。如圖3所示，晶閘管一旦導通后，即使去除門極信號，器件仍然然導通。</p><p>　　當晶閘管的陽極相對于陰極為負，只要，很小，且與基本無關。但反向電壓很大時（），

29、通過晶閘管的反向漏電流急劇增大，表現(xiàn)出晶閘管擊穿，因此稱為反向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。</p><p>　　6.2總電路的原理框圖</p><p>　　系統(tǒng)原理方框圖如6.2所示：</p><p>　　圖6.2系統(tǒng)原理方框圖</p><p><b>　　6.3總電路原理圖</b></p><p>　　

30、6.4總電路工作原理</p><p>　　該電路主要由四部分構(gòu)成，分別為電源，過電保護電路，整流電路和觸發(fā)電路構(gòu)成。輸入的信號經(jīng)變壓器變壓后通過過電保護電路，保證電路出現(xiàn)過載或短路故障時，不至于傷害到晶閘管和負載。在電路中還加了防雷擊的保護電路。然后將經(jīng)變壓和保護后的信號輸入整流電路中。整流電路中的晶閘管在觸發(fā)信號的作用下動作，以發(fā)揮整流電路的整流作用。</p><p>　　在電路中,過電

31、保護部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護,而過壓保護則采用RC電路。這部分的選擇主要考慮到電路的簡單性，所以才這樣的保護電路部分。整流部分電路則是根據(jù)題目的要求，選擇的我們學過的單相橋式整流電路。該電路的結(jié)構(gòu)和工作原理是利用晶閘管的開關特性實現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ堋Ｓ|發(fā)電路是由設計題目而定的，題目要求了用單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路。單結(jié)晶體管直接觸發(fā)電路的移相范圍變化較大，而且由于是直接觸發(fā)電路它的結(jié)構(gòu)比較簡單。一方面是方便我們對設計電路

32、中變壓器型號的選擇。</p><p>　　6.5繪制輸出波形(即Ud ,id 波形)</p><p>　　6.6繪制觸發(fā)信號波形</p><p><b>　　總結(jié)：</b></p><p>　　通過單相全控橋式整流電路的設計，使我加深了對整流電路的理解，讓我對電力電子該課程產(chǎn)生了濃烈的興趣。</p><

33、;p>　　對于一個電路的設計，首先應該對它的理論知識很了解，這樣才能設計出性能好的電路。整流電路中，開關器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關鍵的，開關器件和觸發(fā)電路選擇的好，對整流電路的性能指標影響很大。</p><p>　　在這次課程設計過程中，碰到的難題就是對晶閘管的相關參數(shù)的計算，因為在學習中沒能很好的系統(tǒng)的總結(jié)晶閘管相關知識。在整個課程設計中貫穿的計算過程沒能很好的把握。在今后的學習中要認真總結(jié)經(jīng)驗，對

34、電力電子課程進行補充。為以后深入的學習自動化專業(yè)做鋪墊。</p><p>　　通過這次課程設計我對于文檔的編排格式、原理圖波有了一定的了解，這對于以后的畢業(yè)設計及工作需要都有很大的幫助，在完成課程設計的同時我也在復習一遍電力電子這門課程，把以前一些沒弄懂的問題基本掌握了。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　王兆