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1、 电力电子变流技术 设计任务书 单相桥式全控整流电路电阻性负载电气工程及其自动化专业 学号：070607304 姓名：范超锋 - 1 -前言前言按照电力电子变流技术课程设计的要求，经过一周的准备时间现在开始正式整理此份设计任务书。电力电子技术又称为功率电子技术，他是用于电能变换和功率恐控制的电子技术。电力电子技术示弱电控制强电的方法和手段，是当代高兴技术发展的重要内容，也是支持电力系统技术革命和技术革命的发展的重要基础，并节能降耗、增产节约提高生产效能的重要技术手段。微电子技术、计算机技术以及大功率电力电子技术的快速发展，极大地推动了电工技术、电气工程和电力系统的技术发展和进步。电力电子器件是
2、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。而二十时间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。电力电子技术在电力系统中的应用中也有了长足的发展，电力电子装置与传统的机械式开关操作设备相比有动态响应快，控制方便，灵活的特点，能够显著地改善电力系统的特性，在提高系统稳定、降低运
3、行风险、节约运行成本方面有很大潜力。2010 年 7 月 4 日电力电子变流技术 设计任务书 单相桥式全控整流电路电阻性负载电气工程及其自动化专业 学号：070607304 姓名：范超锋 - 2 -目录目录前言前言-1目录目录-2 一一 设计任务书简介设计任务书简介 1.1.设计题目-3 1.2.设计任务及条件- -31.3 设计注意事项-3二二 相关知识回顾相关知识回顾2.1 晶闸管的结构-32.2 晶闸管的工作原理简单回顾-4三三 设计方案简介设计方案简介 3.1 单相桥式全控整流电路电阻性负载触发电路的设计-63.2 单相桥式全控整流电路电阻性负载工作波形-6四四 器件的选择及参数的计算
4、器件的选择及参数的计算4.1 变压器的选择及参数计算-74.2晶闸管的选用及参数计算-8五五 心得体会心得体会-9六六 特别鸣谢特别鸣谢-9七七 参考文献参考文献-9电力电子变流技术 设计任务书 单相桥式全控整流电路电阻性负载电气工程及其自动化专业 学号：070607304 姓名：范超锋 - 3 -一一.设计任务书简介设计任务书简介1.1 设计题目：设计题目：单相桥式全控整流电路电阻性负载1.2 设计任务及设计条件设计任务及设计条件1.2.1 设计条件：（1）电网：380V，50Hz；（2）晶闸管单相桥式全控整流电路；（3）负载阻值：15；负载工作电压：50V150V 可调。1.2.2 设计任
5、务：（1）电源变压器设计，计算变压器容量、变比、2 次侧电压有效值；（2）晶闸管选择，计算晶闸管额定电压、额定电流；（3）主电路图设计。1.3 设计注意事项设计注意事项：1.3.1 设计提示：（1）电源变压器 2 次侧电压有效值应当满足负载电压的要求，所留裕量适当即可；（2）根据变压器 2 次侧电压有效值可以得到控制角的移相范围；（3）当控制角为最大值时，电流波形系数最大，选择晶闸管时，应当在此情况下考虑其额定电流。1.3.2 注意项目：（1）应当给出具体的计算过程和分析过程；（2）涉及电流、电压计算时，必须用波形图配合说明计算过程；（3）选型参数（额定电压、额定电流、容量等）应当取整。二二.
6、 相关知识回顾：相关知识回顾：2.1 晶闸管的结构晶闸管的结构晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，如图 2.1所示晶闸管管芯及电路符电力电子变流技术 设计任务书 单相桥式全控整流电路电阻性负载电气工程及其自动化专业 学号：070607304 姓名：范超锋 - 4 -晶闸管的散热器如上图 2.2 所示2.2 晶闸管的工作原理简单回顾晶闸管的工作原理简单回顾2.2.1 晶闸管管芯的内部结构如图 2.3 所示，是一个四层（P1N1P2N2）三端（A、K、G）的功率半导体器件。它是在 N 型的硅基片（N1）的两边扩散型半导体杂质层（P1、P2） ，形成了两个 PN
7、 结 J1、J2。再在 P2层内扩散型半导体杂质层 N2又形成另一个 PN 结 J3。然后在相应位置放置钼片作电极，引出阳极 A，阴极 K 及门极 G，形成了一个四层三端的大功率电子元件。这个四层半导体器件由于三个 PN 结的存在，决定了它的可控导通特性。2.2.2 晶闸管导通和关断特性晶闸管导通和关断特性1）导通条件：晶闸管同时承受阳极正压和门极正压（可为触发脉冲）条件下才可导通。2）关断条件：阳极正压小时或加反压。其实质为流过的电流(维持电流)。HAII3）正向阻断性：晶闸管具有正向阻断性这个特性是普通二极管所不具备的。晶闸管导通和关断的特性与晶闸管内部发生的物理过程有关参看图 2.4。晶
8、闸管是一个具有 P1N1P2N2四层半导体的器件，内部形成有三个 PN 结 J1、J2、J3，晶闸管承受正向阳极电压时，其中 J1、J3承受反向阻断电压，J2承受正向阻断电压。这三个 PN 结的功能可以看作是一个 PNP 型三极管 VT1（P1N1P2）和一个NPN 型三极管 VT2（N1P2N2）构成的复合作用。 2.2.3 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.2.3.1 静态特性静态特性静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。（1） 阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压 Uak与阳极电流 ia之间的关系曲线，如图 2.5 所示。（2） 门极伏安特性晶闸
9、管的门极与阴极间存在着一个 PN 结 J3，门极伏安特性就是指这个 PN 结上正向门极电压 Ug与门极电流 Ig间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能电力电子变流技术 设计任务书 单相桥式全控整流电路电阻性负载电气工程及其自动化专业 学号：070607304 姓名：范超锋 - 5 -用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，如图 2.6 阴影区域所示。2.2.3.2 动态特性动态特性晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性
10、，即开通特性和关断特性。（1）开通特性晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值 IT的 10%所需的时间称为延迟时间 td，而阳极电流从10%IT上升到 90%IT所需的时间称为上升时间 tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间 tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.51.5s，上升时间为 0.53s。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。如图 2.7 所示（2）关断特性要关断已导通的晶闸管
11、，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值 IRM后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。三三.设计方案简介设计方案简介单相整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式全控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。单相半控整流电路虽然具备线路简单、调整方便的优点，但是她也存在的弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时） ，且整流变压器二次绕组中存在直流分量
12、,使铁心磁化，变压器不能充分利用。为了克服单向半控整流电路的确定，单相桥式全控整流电路随之诞生。它具备输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。 单相桥式全控整流电路其输出平均电力电子变流技术 设计任务书 单相桥式全控整流电路电阻性负载电气工程及其自动化专业 学号：070607304 姓名：范超锋 - 6 -电压是半波整流电路 2 倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。 本任务书将会根据具体的电阻性负载的例子详细介绍和分析单相桥式全控整流电路。3.1 单相桥式全控整流电路电阻性负载触发电路的设计单相桥式全控整流电路电阻性负载触发电路的设计参考教材电力电子变流技术 （第三版）相关章节对本电路进行分析。单相桥式全控整流电路电阻性负载电路图如右图所示。晶闸管组成41VTVT 和一对桥臂，在 u2 正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当 u2过零时关断；组成另一32VTVT 和对桥臂在 u2 正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即
