电力电子课程设计-单相全波晶闸管整流电路设计

#电力电子技术课程设计说明书单相全波晶闸管整流电路设计为培养运用基本知识进行简单电路设计的能力，扎实基础理论，我们现在初次进行电力电子课程设计。随着科学技术的日益发展，人们对电路的要求也越来越高，由于在生产实际中需要大小可调的直流电源，而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能，是目前获得直流电能的主要方法，得到了广泛应用。但是晶杂管相控整流电路中随着触发角a的增大，电流中谐波分量相应增大，因此功率因素很低。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就构成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因素近似为1。这种整流电路称为高功率因素整流器，它具有广泛的应用前景。电力电子器件是电力电子技术发展的基础。正是大功率晶闸管的发明，使得半导体变流技术从电子学中分离出来，发展成为电力电子技术这一专门的学科。而二十世纪九十年代各种全控型大功率半导体器件的发明，进一步拓展了电力电子技术应用和覆盖的领域和范围。电力电子技术的应用领域已经深入到国民经济的各个部门，包括钢铁、冶金、化工、电力、石油、汽车、运输以及人们的日常生活。功率范围大到几千兆瓦的高压直流输电，小到一瓦的手机充电器，电力电子技术随处可见。关键词：半导体、电力变换、整流电路ABSTRACTTocultivatetheuseofbasicknowledgeoftheabilityofasimplecircuitdesign,solidbasictheory,wearenowthefirsttimethepowerelectronicscurriculumdesign.Withtheincreasingdevelopmentofscienceandtechnology,thecircuitisalsogettinghigherandhigher,duetotheneedtosizeadjustableDCpowersupplyintheactualproduction,andphase-controlledrectifiercircuitstructureissimple,easytocontrol,stableperformance,easytouseittogetlargeandmedium-sized,small-capacityDC,iscurrentlytheDCmethodhasbeenwidelyapplied.However,thegrainhybridtubeofaincreaseswiththefiringangleofthephase-controlledrectifiercircuits,harmoniccomponentcorrespondingincreaseinthecurrent,powerfactorisverylow.SPWMcontrolinvertercircuitfortherectifiercircuit,constitutesaPWMrectifier.PropercontrolofthePWMrectifier,sothattheinputcurrentisveryclosetosinewave,andphasewiththeinputvoltage,powerfactorisapproximately1.Thisrectifiercircuitiscalledahighpowerfactorrectifier,whichhasbroadapplicationprospects.Powerelectronicdevicesisthebasisforthedevelopmentofpowerelectronicstechnology.Itistheinventionofthepowerthyristor,semiconductorconverterseparatedfromtheelectronics,thedevelopmentofthespecializeddisciplinesofpowerelectronicstechnology.Full-controlledpowersemiconductordevicesinventedinthe1990s,tofurtherexpandtheareasandscopeofthepowerelectronicstechnologyandcoverage.Thefieldofpowerelectronicstechnologyhasgonedeepintothesectorsofnationaleconomies,includingironandsteel,metallurgy,chemicalindustry,electricpower,petroleum,automotive,transportationandpeople'sdailylife.ThepowerrangetothousandsofmegawattsofHVDC,assmallasone-wattcellphonecharger,powerelectronicstechnologycanbeseeneverywhere.Keywordssemiconductor；powerconversion；rectifiercircuitTOC\o"1-5"\h\z1、 设计任务书 6\o"CurrentDocument"2、 单相晶闸管整流电路供电方案的选择 7\o"CurrentDocument"2.1单相桥式全控整流电路 7\o"CurrentDocument"2.2单相双半波可控整流电路 7\o"CurrentDocument"3、 单相晶闸管整流电路主电路设计 8\o"CurrentDocument"3.1主电路原理图 8\o"CurrentDocument"3.2变压器参数的计算 9\o"CurrentDocument"4、 电路元件的选择 10\o"CurrentDocument"4.1整流元件的选择 10\o"CurrentDocument"5、 保护元件的选择 11\o"CurrentDocument"5.1变压器二次侧熔断器的选择 11\o"CurrentDocument"5.2保护电路原理图及工作原理 11\o"CurrentDocument"5.3晶闸管保护电路的选择 11\o"CurrentDocument"6、 单相整流电路的相控触发器电路 13\o"CurrentDocument"6.1相控触发电路原理图及工作原理 13\o"CurrentDocument"6.2相控触发芯片的选择 13\o"CurrentDocument"7、 单相整流电路设计总设计结果 15\o"CurrentDocument"7.1晶闸管工作原理 15\o"CurrentDocument"7.2总电路的原理框图 17总结 19\o"CurrentDocument"参考文献 -20致谢 -21附录 -221、《电力电子技术》课程设计任务书1.1设计课题目单相全波晶闸管整流电路设计(纯电阻负载)1.2设计要求1、 单相全波晶闸管整流电路的设计要求为：负载为阻性负载.2、 技术要求：电网供电电压：交流380V士10%f=50Hz；直流输出电压：0~220V/50~220V范围内；直流输出电流额定值100A，直流输出电流连续的最小值为10A；输出功率：500W；在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路(或装置)。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计。课题设计的主要内容是供电方案的选定，主电路的设计，电路元件的选择，保护电路的选择，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。报告最后给出所设计的主电路和控制电路标准电路图。2、单相双半波晶闸管整流电路供电方案的选择

2.1单相桥式全控整流电路此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象,负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。并且单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，功率因素高的特点。但是，电路中需要四只晶闸管，且触发电路要分时触发一对晶闸管，电路复杂，两两晶闸管导通的时间差用分立元件电路难以控制。2.2单相双半波可控整流电路路难以控制。2.2单相双半波可控整流电路单相双半波可控整流电路又称单相全波可控整流电路。此电路变压器是带中心抽头的，在u2正半周T1工作，变压器二次绕组上半部分流过电流。u2负半周，VT2工作，变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流。单相全波可控整流电路的Ud波形与单相全控桥的一样，交流输入端电流波形一样，变压器也不存在直流磁化的问题。当接其他负载时，也有相同的结论。因此，单相全波与单相全控桥从直流输入端或者从交流输入端看均是一致的。适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时）。在比较两者的电路结构的优缺点以后决定选用单相全波可控整流电路作为主电路。相全波可控整流电路作为主电路。具体供电方案 电源电压：交流100V/50Hz3、单相双半波晶闸管整流电路主电路设计

3.1主电路原理图单相全波整流电路如图(a)所示，波形图如图(b)所示。图(b)单相全波整流电路及波形图根据图中(b)可知，单相全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出电压相同。

⑴输出平均电压为：Uo=Ul=-卜、:，U2sin&td(ot)=矣2U2=0.9u2(2)流过负载的平均电流为：Il=竺U2=°刃2nRl Rl(3)二极管所承受的最大反向电压为： Urmax=2j2U2(4)单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式整流电路相同：WU2 2s=3兀 _u2=-=0.67竺3兀在单相全波整流电路的变压器中，只有交流电流流过;而在半波和桥式整流电路中，均有直流分量流过。单相全波整流电路的总体性能优于单相半波和桥式整流电路，故广泛应用于直流电源中。3.2变压器各参数的计算电源电压交流100/5°Hz，输出功率：500W，移相范围：0°-180°。设R=1.25Q,a=0°Ud=25Vp=Ud/R①变压器一、二次侧电流的计算P=Id2RId=2°AU1/Ud=1°°/25 N1/N2=4/1 11=1/4=5A变压器容量的计算S=U1i1=100X5=0.5kVA变压器型号的选择 N1:N2=4：1;S=°.5kVA4、电路元件的选择4.1整流元件的选择由于单相双半波整流带阻性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。整流元件中电压、电流最大值的计算晶闸管的主要参数如下：额定电压UwT断态重复峰值电压UDRM断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的峰值电压。反向重复峰值电压URRM反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通常取4即和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压要留有一定裕量，应为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2〜3倍，以保证电路的工作安全。}晶闸管的额定电压UNVT 'UDRM"RRM(3-1)UNVTN(2〜3)2很U2(3-1)Unvt:工作电路中加在管子上的最大瞬时电压U=(2--3)2巨U=(141.4-212.1)VNVT 2通过晶闸管的电流的平均值IvT(AV)额定电流INVTI=I/2=10AI榷nIVt(AVj31.4A整流元件型号的选择晶闸管的选择原则：所选晶闸管电流有效值Ivt大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。选择时考虑(1.5〜2)倍的安全裕量。即I >(1.5~2)I/1.57=(19.1-25.5)ANVT VTI=20A则晶闸管的额定电流为I网=20A.在本次设计中选用2个KP20-2的晶闸管.5、保护元件的选择5.1变压器二次侧熔断器的选择采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：1） 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2） 电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。3） 快熔的12t值应小于被保护器件的允许12t值、4） 为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。因为晶闸管的额定电流为20A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为30A。5.2晶闸管保护电路的选择1） 过电流保护当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。2） 过电压保护设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电压保护。5.3保护电路原理图及工作原理

R1Clnr图R1Clnr图4.0过流、过电压保护电路6、单相双半波整流电路的相控触发器电路1相控触发电路原理图及工作原理晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求：触发信号可为直流、交流或脉冲电压。触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。单结晶体管触发电路：由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如图5.0所示。6.2相控触发芯片的选择相控触发电路芯片选择KJ004集成触发电路芯片构成的集成触发器KJ004可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。（3）芯片引脚功能功能输出空锯齿波形成-Vee(1kQ)空地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输出+Vcc引线脚号123456789101112131415167、单相双半波整流电路设计总设计结果1晶闸管工作原理TOC\o"1-5"\h\z晶闸管由四层半导体(P、N、P、N)组成，形成三个结J(PN)、J(NP)、112 2 1 11 2 12J(PN),并分别从P、P、N引入A、G、K三个电极，如图6.0(左)所示。由3 22 1 2 2于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图6.0(右)所示的两个晶闸管T(P-NP)和(N-P-N)组成的等效电路。1 1 1-2 1 2 2A0—A0—图6.0晶闸管的内部结构和等效电路一个PNPN四层结构的两端器件，可以看成电流放大系数分别为气和a2的TOC\o"1-5"\h\zPNP和NPN晶体管，其中J结为共用集电结。当器件加正向电压时。正偏112 12 2 2J结注入空穴经过N区的输运，到达集电极结(J)空穴电流为aI；而正偏1 1 2 1A的J结注入电子，经过P区的输运到达J结的电流为aI。由于J结处于反3 2 2 2K 2向，通过J结的电流还包括自身的反向饱和电流I。2 CO晶闸管导通与关断两个状态是由阳极电压、阳极电流和门极电流共同决定的。通常用伏安特性曲线来描述它们之间的关系，如图6.3所示。图6.1晶闸管的伏安特性曲线TOC\o"1-5"\h\z当晶闸管V加正向电压时，J和J正偏，J反偏，外加电压几乎全部降AK 13 2落在J2结上，J2结起到阻断电流的作用。随着VAK的增大，只要VAK<VBO，通过阳极电流I都很小，因而称此区域为正向阻断状态。当V增大超过V以后，A AK BO阳极电流突然增大，特性曲线过负阻过程瞬间变到低电压、大电流状态。晶闸管流过由负载决定的通态电流I「，器件压降为1V左右，特性曲线CD段对应的状态称为导通状态。通常将V及其所对应的I称之为正向转折电压和转折电流。BO BO晶闸管导通后能自身维持同态，从通态转换到断态，通常是不用门极信号而是由外部电路控制，即只有当电流小到称为维持电流I的某一临界值以下，器件才H能被关断。当晶闸管处于断态(VAK<VBO)时，如果使得门极相对于阴极为正，给门极通以电流I，那么晶闸管将在较低的电压下转折导通。转折电压V以及转G BO电流I都是I的函数，I越大，V越小。如图3所示，晶闸管一旦导通后，BO G G BO即使去除门极信号，器件仍然然导通。当晶闸管的阳极相对于阴极为负，只要VAK<VRO,IA很小，且与IG基本无关。但反向电压很大时(VAK«VRO)，通过晶闸管的反向漏电流急剧增大，表现出晶闸管击穿，因此称V为反向转折电压和转折电流。RO

7.2总电路的原理框图系统原理方框图如图所示:触发电路蹭濡主电路触发电路蹭濡主电路总电路原理图A-24VOA-24VO总电路工作原理该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和触发电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。在电路中还加了防雷击的保护电路。然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。在电路中，过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护，而过压保护则采用RC电路。这部分的选择主要考虑到电路的简单性，所以才这样的保护电路部分。整流部分电路则是根据题目的要求，我们选择学过的单相全波整流电路。该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能。触发电路是由设计题目而定的，题目要求了用单结晶体管直接触发电路。单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大，而且由于是直接触发电路它的结构比较简单。一方面是方便我们对设计电路中变压器型号的选择。绘制输出波形（即Ud,id波形）绘制触发信号波形WW通过单相全控桥式整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。在做电力电子课程设计的过程中我们更能认真和全面的对所学知识有一个全面和系统更深刻的了解和掌握。在这个过程中我们认真的查阅了大量的资料和工具书增长了我们的知识，开阔了我们的视野，是一种让学生更加接近社会和生活的有效方法。