電力電子課程設(shè)計(jì)---小功率晶閘管整流電路設(shè)計(jì)

1、<p>　　題目：小功率晶閘管整流電路設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)據(jù)及要求：</p><p><b>　　1、交流供電電源；</b></p><p>　　2、電路輸出的直流電壓和電流的技術(shù)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　3、電路應(yīng)具有一定的穩(wěn)壓功能，同時(shí)還具有較高的防治過(guò)電壓和過(guò)電流的抗干擾能力

2、。觸發(fā)電路輸出滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　4、負(fù)載為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為，電機(jī)參數(shù)為：</p><p><b>　　總體方案論證及選擇</b></p><p>　　對(duì)電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)要求</p><p>　　①輸出一定的直流電壓和電流。</p><p>　?、谳敵鲭妷旱拿}動(dòng)指標(biāo)在允許范

3、圍內(nèi)。</p><p>　?、劬哂凶詣?dòng)穩(wěn)壓功能和一定的穩(wěn)壓精度。 </p><p>　?、軐?duì)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)有靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)的要求。</p><p><b>　　直流電動(dòng)機(jī)選擇</b></p><p>　　根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)和技術(shù)要求，綜合設(shè)計(jì)題目給出的參數(shù)，故選用直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)。</p><p

4、><b>　　主電路的選擇</b></p><p>　　一般說(shuō)來(lái)，對(duì)于晶閘管整流裝置在整流器功率很小時(shí)( 以下)，用單相整流電路，功率較大時(shí)用三相整流電路。由于本設(shè)計(jì)方案的負(fù)載直流電機(jī)的額定功率為遠(yuǎn)大，故選擇三相整流電路。</p><p>　　方案一：三相零式整流電路</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：三相整流電路中，三相零式電路突出的優(yōu)點(diǎn)是電路

5、簡(jiǎn)單，用的晶閘管少，觸發(fā)器也少，對(duì)需要220V 電壓的用電設(shè)備直接用380V電網(wǎng)供電，而不需要另設(shè)整流變壓器。</p><p>　　缺點(diǎn)：要求晶閘管耐壓高，整流輸出電壓脈動(dòng)大，需要平波電抗器容量大，電源變壓器二次電流中有直流分量，增加了發(fā)熱和損耗。因零線流過(guò)負(fù)載電流，在零線截面小時(shí)壓降大，往往需要從變壓器單獨(dú)敷設(shè)零線。</p><p>　　方案二：三相橋式整流電路</p>&

6、lt;p>　　優(yōu)點(diǎn)：在輸出整流電壓相同時(shí)，電源相電壓可較零式整流電路小一半，因此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求。變壓器二次繞組電流中沒(méi)有直流分量。輸出整流電壓脈動(dòng)小，所以平波電抗器容量就可小一些。</p><p>　　缺點(diǎn)：整流器件用得多，全控橋需要六個(gè)觸發(fā)電路，需要電壓的設(shè)備也不能用電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。</p><p>　　綜合比較可知，應(yīng)用本此設(shè)計(jì)的電路應(yīng)選擇為三

7、相橋式整流電路作為整流電路。</p><p><b>　　觸發(fā)電路的選擇</b></p><p>　　晶閘管的門(mén)極電壓又叫觸發(fā)電壓，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的電路叫觸發(fā)電路。觸發(fā)電路性能的好壞，直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此觸發(fā)電路必須保證迅速、準(zhǔn)確、可靠地送出脈沖。為達(dá)到這個(gè)目的，正確選用或設(shè)計(jì)觸發(fā)電路是非常重要的，一個(gè)觸發(fā)電路性能的優(yōu)劣常用下列幾點(diǎn)來(lái)衡量：</p>

8、;<p>　　1．觸發(fā)脈沖必須保持與主電路的交流電源同步，以保證每個(gè)周期都在相同的延遲角處觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管。</p><p>　　2．觸發(fā)脈沖應(yīng)能在一定的范圍內(nèi)移相。對(duì)于不同的主電路要求的移相范圍也不同。例如對(duì)于三相半波電路、電阻性負(fù)載，要求的移相范圍為0°～ 150°；大電感負(fù)載(電流連續(xù))，只要求整流，則移相范圍為</p><p>　　0°～

9、90°；如既要求整流又要逆變，則為30°～ 150°；三相全控橋式電路，電阻負(fù)載時(shí)為0°～ 120°，既要整流又要逆變時(shí)，其移相范圍為30°～ 150°，為保證逆變可靠，對(duì)最小逆變角min 應(yīng)加以限制；三相半控橋式電路，移相范圍為0°～ 180°。</p><p>　　3．觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（電壓與電流）。為使所有合格的

10、器件在各種可能的工作條件下都能可靠觸發(fā)，觸發(fā)電路送出的觸發(fā)電壓和電流，必須大于器件門(mén)極規(guī)定的觸發(fā)電壓UGT 與觸發(fā)電流IGT 。例如 KP50 就要求觸發(fā)電壓不小于3.5V，電流不小于l00mA；KP200 則要求觸發(fā)電壓不小于4V，電流不小于200mA 。故觸發(fā)電壓在4V以上、1OV以下為宜，這樣就能保證任何一個(gè)合格的器件換上去都能正常工作。在觸發(fā)信號(hào)為脈沖形式時(shí)，只要觸發(fā)功率不超過(guò)規(guī)定值，觸發(fā)電壓、電流的幅值在短時(shí)間內(nèi)可大大超過(guò)額定

11、值。</p><p>　　4．不該觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)電路的漏電壓應(yīng)小于0.15～0.2V，以防誤觸發(fā)。</p><p>　　5．觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡。否則，因溫度、電源電壓等因素變化時(shí)將造成晶閘管的觸發(fā)時(shí)間不準(zhǔn)確。設(shè)脈沖的幅值為Um， 脈沖前沿是指由0.1Um上升到0.9Um所需要的時(shí)間，一般要在10μs以內(nèi)為宜。</p><p>　　6．觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度。一般晶

12、閘管的開(kāi)通時(shí)間為6μs左右， 故觸發(fā)脈沖的寬度至少應(yīng)在6μs以上，最好應(yīng)有20～50μs。對(duì)于電感負(fù)載，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)加大，否則在脈沖終止時(shí)主電路電流還上升不到晶閘管的擎住電流，則晶閘管又重新關(guān)斷。</p><p><b>　　保護(hù)電路的設(shè)置</b></p><p>　　晶閘管有許多優(yōu)點(diǎn)，但是它承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力很差，短時(shí)間過(guò)壓過(guò)流就會(huì)使器件損壞。晶閘管能承受

13、電壓和電流上升率是有一定限制的，當(dāng)電流上升率過(guò)大時(shí)，會(huì)使器件局部燒穿而損壞。當(dāng)電壓上升率太大時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致晶閘管誤導(dǎo)通，使運(yùn)行不正常。除了合理選擇晶閘管外，還必須針對(duì)過(guò)電壓和過(guò)電流采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。</p><p><b>　　主電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)框圖</b></p><p><b&g

14、t;　　圖1 系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　主電路圖</b></p><p><b>　　圖2 主電路圖</b></p><p><b>　　單元電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　整流變壓器額定參數(shù)計(jì)算</p><p>

15、　　變壓器二次側(cè)相電壓的計(jì)算</p><p>　　由指導(dǎo)書(shū)中第13頁(yè)給出的計(jì)算過(guò)程可知：</p><p><b>　　經(jīng)查表：，</b></p><p><b>　　帶入計(jì)算得： ，取</b></p><p>　　二次側(cè)相電流和一次側(cè)相電流的計(jì)算</p><p>　　首先求變

16、比 </p><p><b>　　由表可知：</b></p><p><b>　　帶入計(jì)算得： </b></p><p><b>　　變壓器容量計(jì)算：</b></p><p><b>　　整流元件的選擇</b></p><

17、;p>　　晶閘管額定電壓： 系數(shù)取為</p><p>　　晶閘管的額定電流 </p><p><b>　　由表可知：</b></p><p>　　計(jì)算得： </p><p>　　因此，選用晶閘管型號(hào)為</p><p><b>　　電抗器參數(shù)計(jì)算</b&g

18、t;</p><p>　　為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器Ld，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過(guò)電抗器的電流，一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。</p><p>　?。?） 使輸出電流連續(xù)的臨界電感量</p><p>　　查表2-7可得： K1 =0.695 </p>

19、<p>　　計(jì)算得： </p><p>　?。?） 限制輸出電流脈動(dòng)的電感量</p><p><b>　　查表2-7可得： </b></p><p>　　計(jì)算得： L2 = 13.50 mH </p><p>　?。?） 電動(dòng)機(jī)電感量LD和變壓器漏電感量

20、</p><p><b>　　由所給負(fù)載參數(shù)： </b></p><p><b>　　取 </b></p><p>　　帶入計(jì)算得： </p><p><b>　　查表得： </b></p><p><b>　　帶入計(jì)算

21、得：</b></p><p>　　（4） 實(shí)際串入電抗器電感量</p><p>　　故選用作為串入半波電抗器的電感值。</p><p>　　晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p><b>　?。?）過(guò)電壓保護(hù)：</b></p><p>　　以過(guò)電壓保護(hù)部位來(lái)分，有交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)、

22、直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)和器件兩端的過(guò)電壓保護(hù)三種。</p><p>　?。á。┙涣鱾?cè)過(guò)電壓保護(hù)措施</p><p>　　采用組容保護(hù)。即在變壓器二次并聯(lián)電阻R和電容C進(jìn)行保護(hù)，接線方式為三相變壓器二次側(cè) Y 聯(lián)結(jié)，阻容保護(hù) Y 聯(lián)結(jié)。如圖4所示。</p><p><b>　　圖3 組容保護(hù)</b></p><p><b&

23、gt;　　參數(shù)計(jì)算：</b></p><p>　　由于 </p><p>　　對(duì)于Im變壓器勵(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)，10~100 KV·A變壓器對(duì)應(yīng)</p><p>　　所以取 </p><p>　　變壓器對(duì)應(yīng)的，這里取 </p><p&

24、gt;<b>　　電容C耐壓 </b></p><p>　　取 </p><p>　?。áⅲ?直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)措施</p><p>　　直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)相同的方法，可采用阻容保護(hù)和壓敏電阻保護(hù)。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，并且會(huì)造成 di/dt 加大。因此，一

25、般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過(guò)電壓保護(hù)，如下圖4所示。</p><p>　　圖4 直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)電路圖</p><p>　　壓敏電阻的標(biāo)稱電壓，一般用下面公式計(jì)算，即：</p><p>　　由于 ，則</p><p><b>　　故選用</b></p><p>　?。á＃?/p>

26、 晶閘管兩端過(guò)電壓保護(hù)措施</p><p>　　由于晶閘管型號(hào)為KP100-5，則采用的在晶閘管兩端并聯(lián)組容保護(hù)。由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得,線路圖如上圖右所示。</p><p><b>　?。?）過(guò)電流保護(hù)</b></p><p>　　快速熔斷器簡(jiǎn)稱快熔，其斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘

27、管串聯(lián)。電路圖如下。</p><p>　　圖5 過(guò)電流保護(hù)電路圖</p><p><b>　　觸發(fā)電路選擇與設(shè)計(jì)</b></p><p>　　觸發(fā)電路選擇KJ004電路，它的原理與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，也分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個(gè)環(huán)節(jié)。由1個(gè)KJ004 構(gòu)成的觸發(fā)單元可輸出2 個(gè)相位間隔180

28、76;的觸發(fā)脈沖。只需用3個(gè)KJ004 集成塊和1個(gè)KJ041集成塊,即可形成六路雙脈沖,再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大,即構(gòu)成完整的三相全控橋觸發(fā)電路,如圖 2-17 所示。</p><p>　　其中，KJ041內(nèi)部實(shí)際是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門(mén)，其作用是將6 路單脈沖輸入轉(zhuǎn)換為6路雙脈沖輸出。也有廠家生產(chǎn)了將圖2-17全部電路集成的集成塊，但目前應(yīng)用還不多。</p><p>　　以上觸

29、發(fā)電路均為模擬量的，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，但缺點(diǎn)是易受電網(wǎng)電壓影響，觸發(fā)脈沖的不對(duì)稱度較高，可達(dá)3°～4°，精度低。在對(duì)精度要求高的大容量變流裝置中，越來(lái)越多地采用了數(shù)字觸發(fā)電路，可獲得很好的觸發(fā)脈沖對(duì)稱度。</p><p>　　觸發(fā)電路圖見(jiàn)附頁(yè)1。</p><p><b>　　系統(tǒng)電氣原理總圖</b></p><p>　

30、　系統(tǒng)電氣原理總圖見(jiàn)附頁(yè)2。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　1．《電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》，王世榮等 編 2008.12</p><p>　　2．《電力電子技術(shù)》，機(jī)械工業(yè)出版社，王兆安 編 2006.2</p><p>　　3．《半導(dǎo)體變流技術(shù)》，機(jī)械工業(yè)出版社 黃俊 編

31、 1980年</p><p>　　4．《電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)》，石玉、栗書(shū)賢、王文郁編，機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　5．《電力電子技術(shù)》，林輝、王輝主編，武漢理工大學(xué)出版社</p><p>　　6．《電力電子技術(shù)》，蘇玉剛、陳渝光主編，重慶大學(xué)出版社</p><p>　　7．《電力電子技術(shù)》，浣喜明、姚為正編著，高等教育出版

32、社</p><p>　　8．《電力電子技術(shù)》，石新春、楊京燕等編，中國(guó)電力出版社</p><p>　　9．《電力電子技術(shù)實(shí)踐教程》，潘孟春、胡媛媛主編，國(guó)防科技大學(xué)出版社</p><p><b>　　設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)本課程設(shè)計(jì)，我受益匪淺。熟悉和掌握可控整流電路的基本工作原理及參數(shù)計(jì)算方法。掌握

33、晶閘管在相關(guān)電路中的工作特點(diǎn)，并能根據(jù)設(shè)計(jì)要求，正確計(jì)算晶閘管參數(shù)，合理選擇晶閘管型號(hào)。了解常用晶閘管觸發(fā)電路的特點(diǎn)，并能根據(jù)實(shí)際電路選擇合理的觸發(fā)電路形式。對(duì)常用的晶閘管保護(hù)電路具有一定的分析和設(shè)計(jì)能力。具有初步發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題的能力。</p><p>　　在理論聯(lián)系實(shí)際、綜合分析、理論計(jì)算、歸納整理和實(shí)驗(yàn)研究等方面得到綜合訓(xùn)練和提高，培養(yǎng)了獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題和從事科學(xué)研究的初步能力。能夠初步建立正確的