單相雙半波晶閘管整流電路設(shè)計(jì)(純電阻負(fù)載)

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 單相雙半波晶閘管整流電路設(shè)計(jì) （純電阻負(fù)載） 系 、 部： 機(jī)電工程系 學(xué)生姓名： 喬元培 指導(dǎo)教師： 段金英 專 業(yè)： 自動(dòng)化 組 員： 喬壘壘 喬元培班 級(jí)： 自動(dòng)化1002班 完成時(shí)間： 2012年12月11日 摘 要 電力電子技術(shù)，又稱“功率電子學(xué)”（英文：Power Electronics），簡(jiǎn)稱PE，是應(yīng)用于電力領(lǐng)域，使用電力電子元件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)分為電力電子元件制造技術(shù)和變流技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力

2、電子技術(shù)主要用于電力變換。1974年，美國(guó)的W. Newell提出：電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而行成。這一觀點(diǎn)被全世界普遍接受。它主要研究各種電力電子器件，以及由這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(duì)電能的變換和控制。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電(高電壓、大電流)或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支，又是電工學(xué)在弱電(低電壓、小電流)或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支，或者說(shuō)是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科學(xué)。電力電子學(xué)是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)新興工程技術(shù)學(xué)科。電力電子技術(shù)自誕生已來(lái)，以其應(yīng)用范圍廣泛，迅速的發(fā)展起來(lái)，但是我們?cè)陉P(guān)心電力電子技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，不難發(fā)現(xiàn)，電力電子技術(shù)之

3、所以會(huì)迅速的發(fā)展起來(lái)，是因?yàn)槠鋵?shí)用性高，應(yīng)用范圍廣，所以電力電子工作者要去挖掘電力電子的新作用，同時(shí)也要關(guān)心電力電子技術(shù)的未來(lái)走向，積極關(guān)注本行業(yè)的最新成果。 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來(lái)的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。由于

4、電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能和變換和控制，而構(gòu)成的一門完整的學(xué)科。故其學(xué)習(xí)方法與電子技術(shù)和控制技術(shù)有很多相似之處，因此要學(xué)好這門課就必須做好課程設(shè)計(jì)，因而我們進(jìn)行了此次課程設(shè)計(jì)。又因?yàn)檎麟娐窇?yīng)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(shí)基礎(chǔ)，故我們將單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全控整流電路這一課題作為這一課程的課程設(shè)計(jì)的課題。目 錄1 設(shè)計(jì)要求 41.1 設(shè)計(jì)課題目41.2 技術(shù)要求42 設(shè)計(jì)方案的選擇 4 2.1 單相雙半波晶閘管整流電路供電方案的選擇4 2.2 單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì)53 元

5、件的選擇 6 3.1 電路元件的選擇7 3.2、 保護(hù)元件的選擇 84 單相雙半波整流電路的相控觸發(fā)器電路 9 4.1、相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理9 4.2、相控觸發(fā)芯片的選擇9 4.3、芯片引腳功能 105 單相雙半波整流電路總設(shè)計(jì)結(jié)果11 5.1晶閘管工作原理11 5.2總電路的原理框圖13 5.3總電路原理圖135.4總電路工作原理14 5.5繪制輸出波形(即Ud ,id 波形) 14 5.6繪制觸發(fā)信號(hào)波形146 設(shè)計(jì)總結(jié)16附錄1、 設(shè)計(jì)要求1.1、設(shè)計(jì)課題目單相雙半波晶閘管整流電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）1.2、技術(shù)要求 1、單相雙半波晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)要求為： 負(fù)載為阻性負(fù)載. 2

6、、技術(shù)要求: (1) 電網(wǎng)供電電壓：交流100V/50Hz； (2) 輸出功率：500W； (3) 移相范圍：0°180°； 2.設(shè)計(jì)方案的選擇2.1、單相雙半波晶閘管整流電路供電方案的選擇 1.單相橋式全控整流電路此電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，無(wú)須用續(xù)流二極管，也不會(huì)失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問(wèn)題，變壓器的利用率也高。并且單相橋式全控整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因素高的特點(diǎn)。但是，電路中需要四只晶閘管，且觸發(fā)電路要分時(shí)觸發(fā)一對(duì)晶閘管，電路

7、復(fù)雜，兩兩晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間差用分立元件電路難以控制。2.單相雙半波可控整流電路單相雙半波可控整流電路又稱單相全波可控整流電路。此電路變壓器是帶中心抽頭的，在u2正半周T1工作，變壓器二次繞組上半部分流過(guò)電流。u2負(fù)半周，VT2工作，變壓器二次繞組下半部分流過(guò)反方向的電流。單相全波可控整流電路的U d波形與單相全控橋的一樣，交流輸入端電流波形一樣，變壓器也不存在直流磁化的問(wèn)題。當(dāng)接其他負(fù)載時(shí)，也有相同的結(jié)論。因此，單相全波與單相全控橋從直流輸入端或者從交流輸入端看均是一致的。適用于輸出低壓的場(chǎng)合作電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)）。在比較兩者的電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以后決定選用單相全波可控整流電路作為主電路。

8、3.具體供電方案電源電壓：交流100V/ 50Hz2.2、單相雙半波晶閘管整流電路主電路設(shè)計(jì)1. 主電路原理圖2. 單相全波整流電路如圖(a)所示，波形圖如圖(b)所示。根據(jù)圖中(b)可知，單相全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出電壓同。 (1)輸出平均電壓為:U0=UL=102U2sinwtdwt=22U2U2=0.9U2 (2)流過(guò)負(fù)載的平均電流為： IL=22U2RL=0.9U2RL (3)二極管所承受的最大反向電壓為：=2U (4)單相全波整流電路的脈動(dòng)系數(shù)s與單相橋式整流電路相同： s=0.67在單相全波整流電路的變壓器中，只有交流電流流過(guò);而在半波和橋式整流電路中，均有直流分

9、量流過(guò)。單相全波整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和橋式整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源中。 2. 變壓器二次測(cè)電壓的計(jì)算電源電壓交流100/ 50Hz ，輸出功率500W ，移相范圍：0°-180°。設(shè)R=1.25 , =0° 所以 =Ud²/R Ud =25V3. 變壓器一二次側(cè)電流的計(jì)算P=Id²R Id=20A U1/Ud=100/25 N1/N2=4/1 I1=Id/4=5 A4 變壓器容量的計(jì)算S=U1i1=100×5=0.5kVA 5變壓器型號(hào)的選擇N1:N2=4：1 ; S=0.5kVA3.元件的選擇3.1、 電路元件的選擇

10、1.整流元件的選擇由于單相雙半波整流帶阻性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。（1）整流元件中電壓、電流最大值的計(jì)算 晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UNVT （1） 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的峰值電壓。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM 反向重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通常取UDRM和URRM中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓要留有一定裕量，應(yīng)為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安

11、全。晶閘管的額定電壓 UNVT=minUDRM ，URRM UNVT （23）2U2 （3-1） UNVT ：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓 UNVT =(23)2U2=（141.4212.1）V通過(guò)晶閘管的電流的平均值IvT(AV) 額定電流INVT Ivt(AV)=Id/2=10AIm=IVt(AV)=31.4AINVT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(fù)載流過(guò)正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°的電路中，結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級(jí)即為晶閘管的額定電流。要注意的是若晶

12、閘管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正弦波的半個(gè)周期，即使正向電流值沒(méi)有超過(guò)額定值，但峰值電流將非常大，可能會(huì)超過(guò)管子所能提供的極限，使管子由于過(guò)熱而損壞。（2）整流元件型號(hào)的選擇晶閘管的選擇原則：所選晶閘管電流有效值IVT大于元件在電路中可能流過(guò)的最大電流有效值。2.選擇時(shí)考慮（1.52）倍的安全裕量。即INVT(1.52)IVT/1.57=（19.1-25.5）A INVT =20A 則晶閘管的額定電流為INVT=20A.在本次設(shè)計(jì)中選用2個(gè)KP20-2的晶閘管.3.2、 保護(hù)元件的選擇1.變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：1）

13、電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來(lái)確定。2）電流容量應(yīng)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(dǎo)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。3）快熔的值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許值、4）為保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。因?yàn)榫чl管的額定電流為20A,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30A。2.晶閘管保護(hù)電路的選擇1)過(guò)電流保護(hù)當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動(dòng)、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負(fù)載過(guò)載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生逆變失??；以及交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低

14、；均能引起裝置或其他元件的電流超過(guò)正常工作電流，即出現(xiàn)過(guò)電流。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)電流保護(hù)。2)過(guò)電壓保護(hù)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)。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)電壓保護(hù)。3. 保護(hù)電路原理圖及工作原理 過(guò)流、過(guò)電壓保護(hù)電路如圖三圖三 過(guò)流、過(guò)電壓保護(hù)電路4、 單相雙半波整流電路的相控觸發(fā)器電路 4.1、相控觸發(fā)芯片的選擇 相控觸發(fā)電路芯片選擇KJ004集成觸發(fā)電路芯片構(gòu)成的集成觸發(fā)器KJ004可控硅移相電路可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中,作可控硅的雙

15、路脈沖移相觸發(fā)。器件輸出兩路相差180度的移相脈沖,可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低,有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。 4.2、芯片引腳功能功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調(diào)制輸出+Vcc引線腳號(hào)1 23 45 678910111213141516 表一 4.3、相控觸發(fā)電路原理圖及工作原理 圖四晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過(guò)零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對(duì)其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求： 觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。觸

16、發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽(yáng)極電流能迅速上升超過(guò)掣住電流而維持導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路：由單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸發(fā)電路具有簡(jiǎn)單、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、溫度補(bǔ)償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點(diǎn)，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應(yīng)用。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如圖四所示。5、 單相雙半波整流電路總設(shè)計(jì)結(jié)果5.1晶閘管工作原理晶閘管由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個(gè)結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個(gè)電

17、極，如圖五(a)所示。由于具有擴(kuò)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五（b）所示的兩個(gè)晶閘管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。 圖五 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路一個(gè)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(dāng)器件加正向電壓時(shí)。正偏結(jié)注入空穴經(jīng)過(guò)區(qū)的輸運(yùn)，到達(dá)集電極結(jié)（）空穴電流為；而正偏的結(jié)注入電子，經(jīng)過(guò)區(qū)的輸運(yùn)到達(dá)結(jié)的電流為。由于結(jié)處于反向，通過(guò)結(jié)的電流還包括自身的反向飽和電流。晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷兩個(gè)狀態(tài)是由陽(yáng)極電壓、陽(yáng)極電流和門極電流共同決定的。通常用伏安特性曲線來(lái)描述它們之間的關(guān)系，如圖六所示。圖六 晶

18、閘管的伏安特性曲線 當(dāng)晶閘管加正向電壓時(shí)，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(guò)陽(yáng)極電流都很小，因而稱此區(qū)域?yàn)檎蜃钄酄顟B(tài)。當(dāng)增大超過(guò)以后，陽(yáng)極電流突然增大，特性曲線過(guò)負(fù)阻過(guò)程瞬間變到低電壓、大電流狀態(tài)。晶閘管流過(guò)由負(fù)載決定的通態(tài)電流，器件壓降為1V左右，特性曲線CD段對(duì)應(yīng)的狀態(tài)稱為導(dǎo)通狀態(tài)。通常將及其所對(duì)應(yīng)的稱之為正向轉(zhuǎn)折電壓和轉(zhuǎn)折電流。晶閘管導(dǎo)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(hào)而是由外部電路控制，即只有當(dāng)電流小到稱為維持電流的某一臨界值以下，器件才能被關(guān)斷。當(dāng)晶閘管處于斷態(tài)UAK<UBO時(shí)，如果使得門極相對(duì)于陰極為

19、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(dǎo)通。轉(zhuǎn)折電壓以及轉(zhuǎn)電流都是的函數(shù)，越大，越小。如圖3所示，晶閘管一旦導(dǎo)通后，即使去除門極信號(hào)，器件仍然然導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極相對(duì)于陰極為負(fù)，只要UAK<URO，很小，且與基本無(wú)關(guān)。但反向電壓很大時(shí)UAKURO，通過(guò)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。5.2總電路的原理框圖 系統(tǒng)原理方框圖如圖七所示：圖七5.3總電路原理圖圖八 5.4總電路工作原理該電路主要由四部分構(gòu)成，分別為電源，過(guò)電保護(hù)電路，整流電路和觸發(fā)電路構(gòu)成。輸入的信號(hào)經(jīng)變壓器變壓后通過(guò)過(guò)電保護(hù)電路，保證電路出現(xiàn)過(guò)載或短路故障時(shí)，不至于傷害到晶閘管和負(fù)載。在電路中還加了防雷擊的保護(hù)電路。然后將經(jīng)變壓和保護(hù)后的信號(hào)輸入整流電路中。整流電路中的晶閘管在觸發(fā)信號(hào)的作用下動(dòng)作，以發(fā)揮整流電路的整流作用。在電路中,過(guò)