1、電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告目錄一、 設(shè)計(jì)任務(wù)說明3二、設(shè)計(jì)方案的比較4三、單元電路的設(shè)計(jì)和主要元器件說明 6四、主電路的原理分析9五、 各主要元器件的選擇： 12六、驅(qū)動電路設(shè)計(jì)14七、保護(hù)電路16八、元器件清單21九、設(shè)計(jì)總結(jié)22十、參考文獻(xiàn)23一、設(shè)計(jì)任務(wù)說明1.設(shè)計(jì)任務(wù)：1）進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的比較，并選定設(shè)計(jì)方案；2）完成單元電路的設(shè)計(jì)和主要元器件說明；3）完成主電路的原理分析，各主要元件的選擇;4）驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；5）利用仿真軟件分析電路的工作過程；2.設(shè)計(jì)要求：1）單相橋式相控整流的設(shè)計(jì)要求為：負(fù)載為感性負(fù)載，L=700mH R=500Q2）技術(shù)要求：A.電網(wǎng)供電電壓為單相 2

2、20V;B.電網(wǎng)電壓波動為 5%10%C.輸出電壓為0100V;:、設(shè)計(jì)方案的比較單相橋式整流電路有兩種方式，一種是單相橋式全控整流電路，一種是單相橋式半控整流電路。主要方案有三種：方案一：采用單相橋式全控整流電路，電路圖如下：對于這個電路，每一個導(dǎo)電回路中有兩個晶閘管， 即用兩個晶閘 管同時導(dǎo)通以控制導(dǎo)電的回路， 不需要續(xù)流二極管，不會出現(xiàn)失 控現(xiàn)象，整流效果好，波形穩(wěn)定。變壓器二次繞組不含直流分量， 不會出現(xiàn)變壓器直流磁化的問題，變壓器利用率高。方案二：采用單相橋式半控整流電路，電路圖如下：相較于單相橋式全控整流電路， 對每個導(dǎo)電回路進(jìn)行控制， 只需一個晶閘管，而另一個用二極管代替，這樣使

3、電路連接簡便，且降低了成本，降低了損耗。但是若無續(xù)流二極管，當(dāng) a突然增大到180或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個 二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使 兒成為正弦半波，級半周期 5為 正弦波，另外半周期5為零，其平均值保持恒定，相當(dāng)于單相半 波不可控整流電路時的波形，即失控現(xiàn)象。因此該電路在實(shí)際應(yīng) 用中需要加設(shè)續(xù)流二極管。綜上所述：單相橋式半控整流電路具有線路簡單、調(diào)整方便的優(yōu) 點(diǎn)。但輸出電壓脈動沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量，使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相橋式全控整流電路具有輸出電流脈動小， 功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個等大反向的

4、半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 因此選擇方案一的單相橋式 全控整流電路。三、單元電路的設(shè)計(jì)和主要元器件說明1 .單相橋式全控整流電路，如圖所示:由一臺變壓器四個晶閘管經(jīng)過橋接而成，負(fù)載為阻感負(fù)載。晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3組成另一對橋臂。2 .主要元器件一一晶閘管晶閘管（Thyristor ）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；1957年美國通用電器公司開發(fā)出世 界上第一款品閘管產(chǎn)品，弁于1958年將其商業(yè)化；晶閘管是PNPN 四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個極：陽極，陰極和門極； 晶閘管具 有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工

5、作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控 整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、 逆變及變頻等電子電路中。1）晶閘管的分類：品閘管按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可 分為普通晶閘管（SCR、雙向晶閘管（TRIA。、逆導(dǎo)晶閘管（RCT、門極關(guān)斷晶閘管（GT。、BTG晶閘管、溫控晶閘管（TT國外，TTS國內(nèi)）和光控晶閘管（LTT）等多種。晶閘管按其引腳和極性可 分為二極晶閘管、三極品閘管和四極品閘管。 晶閘管按其封裝形 式可分為金屬封裝晶閘管、塑封晶閘管和陶瓷封裝晶閘管三種類 型。其中，金屬封裝品閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多 種；塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。晶閘管按電流容量可分為大功

6、率晶閘管、 中功率晶閘管和小功率晶閘管 三種。通常，大功率晶閘管多采用金屬殼封裝，而中、小功率晶 閘管則多采用塑封或陶瓷封裝。 晶閘管按其關(guān)斷速度可分為普通 晶閘管和快速品閘管，快速晶閘管包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì) 的晶閘管，有常規(guī)的快速品閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘 管，可分別應(yīng)用于400Hz和10KHz以上的斬波或逆變電路中。（備 注：高頻不能等同于快速品閘管）2）工作原理品閘管在工作過程中，它的陽極（ A）和陰極（K）與電源和 負(fù)載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控 制品閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。半控型晶閘管的工作條件： 晶閘管承受反向陽極電壓時， 不管門

7、極承受何種電壓， 晶 閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。 晶閘管承受正向陽極電壓時， 僅在門極承受正向電壓的情況下品閘管才導(dǎo)通。這時晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)， 這就是晶閘管的閘流特性，即可控特性。品閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論 門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即品閘管導(dǎo)通后，門極失去作 用。門極只起觸發(fā)作用。 品閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接 近于零時，晶閘管關(guān)斷。全控型晶閘管的工作條件：晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶 閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓（或 電流）的情況下晶閘管才導(dǎo)通。這時晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)。

8、 品閘管導(dǎo)通后，門極加反向電流或失去電壓， 晶閘管關(guān)斷; 或者門極正常，但主電路電壓（或電流）減少到接近于零時，晶 閘管也關(guān)斷。四、主電路的原理分析主電路為單相橋式全控整流電路。對于阻感負(fù)載，假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。5的波形如圖所示，在 5的正 半周期，觸發(fā)角口處給晶閘管VTDVT4加觸發(fā)脈沖使其開通， ud=u2。負(fù)載中有電感存在使負(fù)載電流不能突變，電感對負(fù)載電 流起平波左右，假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一條水平線，其波形如圖。出過零變負(fù)時，由于電感的作用，晶閘管VTi和VT4中仍流過電流id,弁不關(guān)斷。至?xí)r刻，給 VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，因VTDVT3本

9、已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。 VDVT3導(dǎo)通后，出通過VDVT3分別向VT9VT4施加反壓使VT1和 VT4關(guān)斷，流過VTDVT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2ffiVT3?此過程稱 為換相，亦稱換流。至下一周期重復(fù)上述過程，如此循環(huán)下去， ud的波形如圖所示，其平均值為1二二三2,萬ud =2U2 sin td ( t) =U 2cos： =0.9U 2 cos，Jl 3JI當(dāng)口 =0時，20=0如2； a =90N時，ud=0。晶閘管移相范圍為0 90 。單相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時，晶閘管VTD VT4的電壓波形如圖所示，晶閘管承受的最大反向電壓均為正U2。晶閘管導(dǎo)通角8與無關(guān)，均為180 ,

10、其電流波形如圖所示。平均值有1,1. c rcr.I I . I vt = _ I d =0.707 Id效值分別為2 d和 顯。變壓器二次電流i2的波 形為正負(fù)各180的矩形波，如圖所示，其相位由 口角決定，有效值I2 =Id。1 二.二Ud =d 二：1）整流輸出電壓的平均值:2 2,八2U 2 sin td ( t) = U 2 cos =二0.9U 2 cos ;ji當(dāng)口 =0時，Ud取得最大值100V即山二口以口加得山，1”當(dāng)口 =90，時，Ud=0。支角的移相范圍為902）整流輸出電壓的有效值為：U = 1 二（2U2sin t）2d（，t） =U2 =111V3）整流電流的平均值

11、為：UdU21d d -0.9 2 cos-, -0.2ARdRd4）整流電流的有效值為：I =Id =0.2A5）在一個周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通 180 ,兩組輪流導(dǎo)通，變壓 器二次電流是正、負(fù)對稱的方波，電流的平均值和有效值相等， 其波形系數(shù)為1。流過每個晶閘管的電流平均值和有效值分別為:平均值:入 二 1IdT =2 二 1d =2 二 1d =2 1d6）每個晶閘管承受的最大正、反向電壓等于2U2 =156.978五、各主要元器件的選擇:1 .晶閘管的選擇：1）電壓定額品閘管的額定電壓通常取晶閘管的UDRM （斷態(tài)重復(fù)峰值電壓）和URRM （反向重復(fù)峰值電壓）中較小的標(biāo)值作為該器件的額定

12、電 壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常 工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍。即UTn =minUDRM ,U RRM且UTn （23）Utm o因此，Utm =同2=/父111=157V ；考慮到留23倍的裕量，所以取 UTn =400/2）電流定額通態(tài)平均電流IT（AV）國際規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境 溫度為40 C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所 允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。通常按照實(shí)際波形的電流與晶閘管允許的最大正弦 半波電流（其平均值即通態(tài)平均電流 IT（AV）所造成的發(fā)熱效應(yīng)相 等（即有效值相等）的原則來

13、選取晶閘管的此項(xiàng)電流定額，弁應(yīng) 留一定的裕量。一般取其通態(tài)平均電流為按此原則所得計(jì)算結(jié)果 的1.52倍。I -J-因IT 一七，則品閘管的額定電流為：I0.2Itn(av)_(1.52) T =(1.52) 一 =(1.52)0.09A 1.572 1.57因此，取 Itn(av)=1A220 21112 .變壓器的選擇k變壓器的變比為在不考慮損耗的情況下，選擇整流變壓器的容量為:S =U2I2 =U2I =111 0.2 = 22.2V *A六、驅(qū)動電路設(shè)計(jì)晶閘管的電流容量越大，要求的觸發(fā)功率越大，對于大中電 流容量的晶閘管，為了保證其觸發(fā)脈沖具有足夠的功率，往往采用由晶體管組成的觸發(fā)電路。

14、晶體管觸發(fā)電路按同步電壓的形式 不同，分為正弦波和鋸齒波兩種。同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路， 不受電網(wǎng)波動和波形畸變的影響， 移相范圍寬，應(yīng)用廣泛。因此, 這里采用同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路。同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路輸出可為雙窄脈沖，也可為單 窄脈沖。它由三個基本環(huán)節(jié)構(gòu)成：脈沖的形成與放大、鋸齒波的 形成和脈沖移相同步環(huán)節(jié)。電路圖如下：A 2痔日譯信號15 V各點(diǎn)的電壓波形為:鋸齒波是由開關(guān)v21r來控制的:1) V2關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率一一由同步變壓器所接的交 流電壓決定；2) V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波一一鋸齒波起點(diǎn)基本就是同 步電壓由正變負(fù)的過零點(diǎn)；3) V2狀止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時間就

15、是鋸齒波的寬度一一取決于充電時 間常數(shù)R1C1;七、保護(hù)電路品閘管的保護(hù)電路，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng) 的地方安裝保護(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允 許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(nèi)工作于有源逆 變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。1 .晶閘管的過流保護(hù)品閘管設(shè)備產(chǎn)生過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；其中整流橋品閘管損壞類較為嚴(yán)重,一般是由于晶閘管因過電壓而擊穿，造成無正、

16、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，無法正常換 流，因而產(chǎn)生線間短路引起過電流 .另一類則是整流橋負(fù)載外電 路發(fā)生短路而引起的過電流， 這類情況時有發(fā)生，因?yàn)檎鳂虻?負(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，也會發(fā)生整流橋相對地短路。對于第一類過流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過流，以及逆 變器負(fù)載回路接地時，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電流見表 1。方式特點(diǎn)額定電流備注A型熔斷器與每個

17、兀件串 聯(lián)，能可靠地保護(hù)每一 個元件Irn 1.57ItIT：晶閘管通態(tài)平均電流B型能在交流、直流和兀件 短路時起保護(hù)作用，可 靠性稍有降低1 RN KC I DKc :交流側(cè)線 電流與ID之比 ID :整流輸出 電流C型直流負(fù)載側(cè)有故障時動 作，元件內(nèi)部短路時不 能起保護(hù)作用IRN URP1則比較器輸出為“0”電平，使三極管 V21止，止匕時Uk為“1”電平，使整流裝置輸出電壓為0。鉗位二極管V1保證系統(tǒng)在出現(xiàn)過流時， 比較器輸出電位為“ 0”電平，使整流裝置可靠關(guān)斷。2 .過壓保護(hù)電力電子裝置中可能 發(fā)生的過電壓分為外因過 電壓和內(nèi)因過電壓兩類。 外因過電壓主要來自雷擊 和系統(tǒng)中的操作過程

18、等外 部原因，內(nèi)因過電壓主要 來自電力電子裝置內(nèi)部器 件的開關(guān)過程，過電壓保 護(hù)有避雷保護(hù)、利用非線性過電壓保護(hù)、元器件保護(hù)、利用儲能元器件保護(hù)、利用引入電壓檢測的電子保護(hù)電路作過電壓保護(hù)。這次我們采用儲能元件保護(hù)即阻容保護(hù)。3 .電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù)di電流上升率dt的抑制品閘管初開通時電流集中在靠近圖3.4串聯(lián)電感抑制回路門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部 電流密度很大，然后以0.1mm/s的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個陰極面，若晶閘管開通時電流上升di率dt過大，會導(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極回路串聯(lián)入電感。dv電壓上升率了的抑制dv加在晶閘管上的正向電壓上升率而也應(yīng)dv有所限制，如果加過大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(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， 使晶閘醫(yī)6,5并聯(lián)R-C阻容吸收回管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時引起晶閘管dv誤導(dǎo)通。為抑制 /的作用，可以在品閘 管兩端弁聯(lián)R-C阻容吸收回路。八、元器件清單元器件備注數(shù)量整流變壓器變比為2,容量至少為 22.2VA1個晶閘管額定電壓為400V,額定電流為1A4個電阻包括負(fù)載中500。電阻以及觸發(fā)電路保護(hù)電路中的電阻打電感包括負(fù)載中的700mH電感以及觸發(fā)電路保護(hù)電路中的電感打電位器觸發(fā)電路和過流保護(hù)電路中的電位器2