電力電子技術課程設計--單相橋式可控整流電路的設計

1、<p>　　電力電子變流技術課程設計報告</p><p>　　課題一 單相橋式可控整流電路的設計</p><p>　　姓 名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　年 級 </p><p>　　專 業(yè)

2、 </p><p><b>　　學 院 </b></p><p>　　2105年 12 月15日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、設計目的3</b></p><p><b>　

3、　二、設計任務3</b></p><p><b>　　1.設計的任務3</b></p><p>　　2.設計指標內(nèi)容及要求3</p><p>　　三、設計方案選擇及論證3</p><p>　　四、總體電路設計4</p><p>　　1.總體電路的功能框圖4</p>

4、;<p><b>　　2.電路組成4</b></p><p><b>　　3.工作原理5</b></p><p>　　4.主要參數(shù)關系5</p><p>　　五、各功能模塊電路設計5</p><p>　　1.各功能模塊的設計5</p><p>　　1.

5、1 驅(qū)動電路的設計5</p><p>　　1.2 電力電子器件的保護6</p><p>　　2、整流電路參數(shù)的計算7</p><p>　　3.元器件的選擇8</p><p>　　3.1晶閘管（SCR）的介紹8</p><p>　　3.2晶閘管的工作原理8</p><p>　　3.3晶

6、閘管基本工作特性歸納9</p><p>　　3.4晶閘管的主要參數(shù)如下9</p><p>　　3.5晶閘管的選取10</p><p><b>　　六、總體電路10</b></p><p>　　1.總體電路原理圖10</p><p>　　1.2 工作原理11</p><

7、;p><b>　　七、總結11</b></p><p>　　1.系統(tǒng)調(diào)試及結果11</p><p><b>　　1.1建模11</b></p><p>　　1.2模型參數(shù)設置12</p><p>　　2.仿真結果與分析14</p><p><b>　

8、　1.3小結16</b></p><p>　　3、收獲與體會16</p><p><b>　　八、參考文獻16</b></p><p><b>　　一、設計目的</b></p><p>　　單相橋式整流電路是整流電路中的一種，由于其優(yōu)點明顯，實用性強，在大、中、小型各種實際電路中都

9、有十分廣泛的應用。</p><p><b>　　二、設計任務</b></p><p><b>　　1.設計的任務</b></p><p>　?。?）進行設計方案的比較，并選定設計方案；</p><p>　?。?）完成單元電路的設計和主要元器件說明； </p><p>　　

10、（3） 完成主電路的原理分析,各主要元器件的選擇；</p><p>　?。?） 驅(qū)動電路的設計,保護電路的設計.</p><p>　　2.設計指標內(nèi)容及要求</p><p>　　（1）電網(wǎng)供電電壓為單相220V； </p><p>　　（2）變壓器二次側(cè)電壓為110V；</p><p>　?。?）輸出電壓連續(xù)可調(diào)，為0

11、～100V；</p><p>　?。?）帶阻感性負載：L=1000mH，R=100Ω.</p><p>　　三、設計方案選擇及論證</p><p>　　單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單相橋式相控流電路，它們所連接的負載性質(zhì)不同就會有不同的特點。單相半控整流電路的優(yōu)點是：線路簡單、調(diào)整方便。弱點是：輸出電壓脈動沖大，負載電流脈沖大（電阻性負載時），，且整流

12、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。而單相全控式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半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點。 單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在相同的負載下流過晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負載為阻感性負載）。</p><p><b

13、>　　四、總體電路設計</b></p><p>　　1.總體電路的功能框圖</p><p><b>　　2.電路組成</b></p><p>　　該電路為單相橋式全控整流電路，由變壓器﹑四個晶閘管﹑電感及電阻組成。 </p><p>　　圖1 阻感性負載電路（ａ）工作波形（b）</p>&

14、lt;p><b>　　3.工作原理</b></p><p>　　假設電路已經(jīng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，假設 ，負載電流連續(xù)，近似為一平直的直線。</p><p>　　電源電壓的正半周，在α=時，觸發(fā)晶閘管VT1、VT4導通，負載上的電壓和電源電壓相同。但由于電感的平波作用，電流不能突變，因此電流波形平穩(wěn)近似一條直線。</p><p>　　當交流電壓

15、正半周過零開始変負時，由于L的作用，產(chǎn)生感應電動勢UL,阻止電流下降，極性為下負上正，只要UL在數(shù)值上大于電源負電壓，已導通的VT1、VT4管仍受正壓而繼續(xù)導通，此時負載兩端出現(xiàn)負電壓。直到電源負半周時刻觸發(fā)VT2、VT3管導通，VT1、VT4才會受反壓關斷，負載電流改由VT2、VT3導通回路供應。因此每個晶閘管始終導通180°，晶閘管電流為180°底寬、高度為Id的矩形波，在晶閘管的觸發(fā)時刻換流。變壓器二次電流為正

16、負對稱的矩形波，無直流分量。</p><p>　　4.主要參數(shù)關系 </p><p>　?、?輸出電壓平均值Ud和輸出電流平均值Id</p><p>　　② 晶閘管的電流平均值和有效值 </p><p>　?、郏ㄝ敵鲭娏饔行е礗和變壓器二次電流有效值</p><p>　?、?晶閘管所承

17、受的最大正向電壓和反向電壓均為</p><p>　　五、各功能模塊電路設計</p><p>　　1.各功能模塊的設計</p><p>　　1.1 驅(qū)動電路的設計</p><p>　　GTO是電流驅(qū)動型器件。它的導通控制與普通晶閘管相似，但對觸發(fā)前沿的幅值和陡度要求較高，且一般需要在整個導通期間施加正向門極電流。要使GTO關斷則需施加反向門極電

18、流，對其幅值和陡度的要求則更高，幅值需達到陽極電流的1/3左右，陡度需達50A/s，其中強負脈沖寬度約30s，負脈沖總寬度100s，關斷后還需在門極-陰極間施加約5V的負偏壓，以提高器件的抗干擾能力。</p><p>　　GTO一般用于大容量電流的場合，其驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直流耦合式兩種類型。直流耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩

19、，可以得到較陡的脈沖前沿，因此目前應用較為廣泛，其缺點是功耗大，效率低。直流耦合式GTO驅(qū)動電路的電源由高頻電源經(jīng)二極管整流后得到，二極管VD1和電容C1提供+5V電壓，VD2、VD3、C2、C3構成倍壓整流電路，提供+15V電壓，VD4和電容C4提供-15V電壓。場效應晶體管V1開通時，輸出正強脈沖；V2開通時，輸出正脈沖平頂部分；V2關斷而V3開通時輸出負脈沖；V3關斷后電阻R3和R4提供門極負偏壓。</p><

20、p>　　1.2 電力電子器件的保護</p><p>　　在電力電子器件電路中，除了電力電子器件參數(shù)要選擇合適，驅(qū)動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護，過電流保護，du/dt保護和di/dt保護也是必不可少的。</p><p>　　1.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護</p><p>　　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。</

21、p><p>　　(1)外因過電壓　主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：</p><p>　　操作過電壓：由分閘，合閘等開關操作引起的過電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會由供電變壓器電磁感應耦合，或由變壓器繞組之間的存在的分布電容靜電感應耦合過來。雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。</p><p>　　(2)內(nèi)因過電壓　主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關過程，包括以下幾

22、個部分。</p><p>　　換相過電壓：由于晶閘管或者與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結束后不能恢復阻斷能力時，因而有較大的反向電流通過，使殘存的載流子恢復，而當其恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極這間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過電壓。</p><p>　　關斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當器件關斷時，因正向電流的迅速

23、降低而線路電感在器件兩端感應出的過電壓。</p><p>　　各電壓保護措施及配置位置，各電力電子裝置可視具體情況只來用采用其中的幾種。其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的裝置，其功能屬于緩沖電路的范疇。在抑制外因過電壓的措施中，采用RS過電壓抑制電路是最為常見的。RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（通常供電電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè)）或電力電子電路的直側(cè)流。對于大容量的電力電子裝置，可采用圖1

24、－39所示的反向阻斷式RC電路。有關保護電路的參數(shù)計算可參考相關的工程手冊。采用雪崩二極管，金屬氧化物壓敏電阻，硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較為常用的手段。</p><p>　　1.2.2 過電流保護</p><p>　　電力電子電路運行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流現(xiàn)象。過電流分載和短路兩種情況。一般電力電子均同時采用幾種過電壓保護措施，怪提高保

25、護的可靠性和合理性。在選擇各種保護措施時應注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器只作為短路時的部分區(qū)斷的保護，直流快速斷路器在電子電力動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器在過載時動作。</p><p>　　在選擇快熔時應考慮：</p><p>　　(1)電壓等級應根據(jù)快熔熔斷后實際承受的電壓來確定。</p><p>　　(2)電流容量應按照其在主電路中的

26、接入方式和主電路連接形式確定?？烊垡话闩c電力半導體體器件串聯(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><p>　　(3)快熔的It值應小于被保護器件的允許It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>　　快熔對器件的保護方式分為全保護和短保護兩種。全保護是指無論過載還是短路均由快

27、熔進行保護，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕量較大的場合。短路保護方式是指快熔只要短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護作用，此方式需與其他過電流保護措施相配合。</p><p>　　對一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設備，或者工作頻率較高，很難用快熔保護的全控型器件，需要采用電子電路進行過電流保護。除了對電動機起動時的沖擊電流等變化較慢的過電流可以用控制系統(tǒng)本身調(diào)節(jié)器進行對電流的限制之外，需設置專門的過電流保護電子電路，

28、檢測到過流之后直接調(diào)節(jié)觸發(fā)，驅(qū)動電路，或者關斷被保護器件。</p><p>　　此外，常在全控型器件的驅(qū)動電路中設置過電流保護環(huán)節(jié)，這種措施對器件過電流的</p><p>　　2、整流電路參數(shù)的計算</p><p><b>　　純電阻負載時：</b></p><p>　　由圖知晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為

29、 和 </p><p>　?、僬麟妷浩骄禐椋?lt;/p><p>　　α=0時，Ud= Ud0=0.9U2。α=180時，Ud=0。可見，α角的移相范圍為180。</p><p>　?、谙蜇撦d輸出的直流電流平均值為： </p><p>　?、哿鬟^晶閘管的電流平均值 ： </p><p>　?、?/p>

30、流過晶閘管的電流有效值為： </p><p>　　變壓器二次側(cè)電流有效值I2與輸出直流電流有效值I相等，為</p><p><b>　　3.元器件的選擇</b></p><p>　　3.1晶閘管（SCR）的介紹</p><p>　　晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，

31、以前被簡稱為可控硅；1957年美國通用電器公司開發(fā)出世界上第一款晶閘管產(chǎn)品，并于1958年將其商業(yè)化；晶閘管是PNPN四層半導體結構，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、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。</p><p>　　晶閘管的結構：外形有螺栓型和平板型兩種封裝，引出陽極A、陰極K和門極（控制端

32、）G三個聯(lián)接端，對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便，平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。</p><p>　　圖1.4 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號和模塊外形</p><p>　　a)晶閘管類型b)內(nèi)部結構c)電氣圖形符號d)模塊外形</p><p>　　3.2晶閘管的工作原理</p><p>　　

33、在分析SCR的工作原理時，常將其等效為兩個晶體管V1和V2串級而成。其工作過程如下：</p><p>　　UGK>0 → 產(chǎn)生IG → V2通→產(chǎn)生IC2 → V1通→ IC1↗ → IC2 ↗ → 出現(xiàn)強烈的正反饋，G極失去控制作用，V1和V2完全飽和，SCR飽和導通。</p><p>　　晶閘管導通后，即使去掉門極電流，仍能維持導通。</p><p>　　

34、圖1.5 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理</p><p>　　3.3晶閘管基本工作特性歸納</p><p>　　①承受反向電壓時(UAK <0)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通；</p><p>　?、诔惺苷螂妷簳r，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開 通(即UAK >0， IGK

35、>0才能開通)； </p><p>　?、劬чl管一旦導通，門極就失去控制作用；</p><p>　?、芤咕чl管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。</p><p>　　3.4晶閘管的主要參數(shù)如下</p><p><b>　?、兕~定電壓UTN</b></p><p>　

36、　通常取和中較小的，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><p><b>　　晶閘管的額定電壓 </b></p><p>　　UTN=（2～3）UTM

37、 </p><p>　　UTM:工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓</p><p>　　②額定電流IT(AV) </p><p>　　IT(AV) 又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40°和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170°的電路中，結溫不超過額定結溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流值。

38、將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。</p><p>　　在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導通角多大，只要其最大電流有效值不大于額定電流的有效值,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。</p><p>　　在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導通角多大，只要其最大電流有效值不大于額定電流的有效值,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、

39、溫升就能限制在允許的范圍。</p><p><b>　　3.5晶閘管的選取</b></p><p>　　整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次側(cè)電流有效值I2分別為</p><p>　　Ud＝0.9 U2 cos＝0.9×220×cos0°＝198V</p><p>　　I2＝Id＝10

40、0(A)</p><p>　　晶閘管承受的最大正反向電壓為：</p><p>　　U＝220 ＝311（V）</p><p>　　流過每個晶閘管的電流的有效值為：</p><p>　　IVT＝Id∕ ＝70.7（A）</p><p>　　故晶閘管的額定電壓為：</p><p>　　UN＝

41、(2~3)×311＝622~933（V）</p><p>　　晶閘管的額定電流為：</p><p>　　IN＝(1.5~2)×70.7∕1.57＝67.5~90.1（A）</p><p>　　其型號為KP100-6。</p><p><b>　　六、總體電路</b></p><p&

42、gt;<b>　　1.總體電路原理圖</b></p><p>　　該電路主要由六部分構成，分別為交流電源，保護電路，整流電路，控制電路，驅(qū)動電路和負載電路構成。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。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>&

43、lt;p><b>　　1.2 工作原理</b></p><p>　　（1）在u2正半波的（0~α）區(qū)間： 晶閘管VT1、VT4承受正壓，但無觸發(fā)脈沖，處于關斷狀態(tài)。假設電路已工作在穩(wěn)定狀態(tài)，則在0～α區(qū)間由于電感釋放能量，晶閘管VT2、VT3維持導通。</p><p>　?。?）在u2正半波的ωt=α時刻及以后：在ωt=α處觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導通，電流

44、沿a→VT1→L→R→VT4→b→Tr的二次繞組→a流通，此時負載上有輸出電壓（ud=u2）和電流。電源電壓反向加到晶閘管VT2、VT3上，使其承受反壓而處于關斷狀態(tài)。</p><p>　?。?）在u2負半波的（π~π+α）區(qū)間：當ωt=π時，電源電壓自然過零，感應電勢使晶閘管VT1、VT4繼續(xù)導通。在電壓負半波，晶閘管VT2、VT3承受正壓，因無觸發(fā)脈沖，VT2、VT3處于關斷狀態(tài)。</p>&l

45、t;p>　　（4）在u2負半波的ωt=π+α時刻及以后：在ωt=π+α處觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其導通，電流沿b→VT3→L→R→VT2→a→Tr的二次繞組→b流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負載上，負載上有輸出電壓 （ud=-u2）和電流。此時電源電壓反向加到VT1、VT4上，使其承受反壓而變?yōu)殛P斷狀態(tài)。晶閘管VT2、VT3一直要導通到下一周期ωt=2π+α處再次觸發(fā)晶閘管VT1、VT4為止。</p>&l

46、t;p>　　從波形可以看出α＞90º輸出電壓波形正負面積相同，平均值為零，所以移相范圍是0～90º?？刂平铅猎?～90º之間變化時，晶閘管導通角θ≡π，導通角θ與控制角α無關。</p><p><b>　　七、總結</b></p><p><b>　　1.系統(tǒng)調(diào)試及結果</b></p><p

47、><b>　　1.1建模</b></p><p>　　單相橋式全控整流電路(阻-感性負載)的MATLAB仿真模型</p><p><b>　　1.2模型參數(shù)設置</b></p><p><b>　　a.交流電源參數(shù)</b></p><p>　　b.同步脈沖信號發(fā)生器參數(shù)&

48、lt;/p><p>　　Pulse Generator 的參數(shù)</p><p>　　Pulse Generator1 的參數(shù)</p><p><b>　　c.電阻電感參數(shù)</b></p><p><b>　　d.示波器參數(shù)</b></p><p>　　示波器五個通道信號依次是：①

49、通過晶閘管電流Ial；②晶閘管電壓Ual；③電源電流i2④通過負載電流Id；⑤負載兩端的電壓Ud。</p><p><b>　　2.仿真結果與分析</b></p><p>　　a.觸發(fā)角α=0°，MATLAB仿真波形如下：</p><p>　　α=0°單相橋式全控整流電路仿真結果（阻-感性負載）(截圖)</p>

50、<p>　　b. 觸發(fā)角α=30°，MATLAB仿真波形如下：</p><p>　　α=30°單相橋式全控整流電路仿真結果（阻-感性負載）(截圖)</p><p>　　c.觸發(fā)角α=60°，MATLAB仿真波形如下：</p><p><b>　　α=60°</b></p><

51、;p>　　單相橋式全控整流電路仿真結果（阻-感性負載）(截圖)</p><p>　　d.觸發(fā)角α=90°，MATLAB仿真波形如下：</p><p>　　α=90°單相橋式全控整流電路仿真結果（阻-感性負載）(截圖)</p><p><b>　　1.3小結</b></p><p>　　由于電感的

52、作用，輸出電壓出現(xiàn)負波形；當電感無限大時，控制角α在0~90°之間變化時，晶閘管導通角θ=π，導通角θ與控制角α無關。輸出電流近似平直，流過晶閘管和變壓器副邊的電流為矩形波。α=120°時的仿真波形，此時的電感為有限值，晶閘管均不通期間，承受二分之一的電源電壓。</p><p><b>　　3、收獲與體會</b></p><p>　　通過本次電力電

53、子課程設計，讓我們更進一步的了解到單項橋式全控整流電源的工作原理以及它的要求和性能指標。也讓我們認識到在此次設計電路中所存在的問題，而通過不斷的努力去解決這些問題.在解決設計問題的同時自己也在其中有所收獲。在設計的過程中，我遇到了很多的困難，主要是對自己所學的知識不牢固，許多的知識沒有學會和理解，對一些一般的設計問題沒有掌握很好的解決方法。在以后的學習中要不斷的把自己的所學的與設計使用結合起來，學習上遇到的問題要腳踏實地解決。通過這次課

54、程設計，我感覺自己提高了很多，在以后的學習中要盡快彌補自己薄弱環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　八、參考文獻</b></p><p>　　[1]王兆安，黃俊. 電力電子技木（第四版）[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[2] 黃俊，秦祖蔭.電力電子自關斷器件及電路.北京：機械工業(yè)出版社，1991</p>

55、<p>　　[3] 林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術. 北京：機械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[4] 王維平 《電力電子技術及應用》東南大學出版社2000年</p><p>　　[5] 王兆安，楊君，劉進軍，諧波抑制和無功補償，北京：機械工業(yè)出版社，1989</p><p>　　[6] 陳治明.電力電子技術基礎.北京：機械工業(yè)出版社，1992<