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1、中南大学电力电子技术课程设计报告班级班级: 电气电气 1203 班班学号学号: 0909122413姓名姓名: 郑郑 沛沛 洲洲 2指导老师指导老师: 陈有根陈有根 前言前言电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。随着科学技术的日益发展人们对电路的
2、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。在电能的生产和传输上，目前是以交流电为主。电力网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外，最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导电特性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流的基础是整流电路。由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导
3、体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。本次课程设计主要是对单相全控桥式晶闸管整流电路的研究。首先是对单3相全控桥式晶闸管整流电路的整体设计，包括主电路，触发电路，保护电路。主电路中包括电路参数的计算，器件的选型；触发电路中包括器件选择，参数设计；保护电路包括过电压保护，过电流保护，电压上升率抑制，电流上升率抑制。之后就对整体电路进行 Matlab 仿真，最后对仿真结果进行分析与总结。4目录目录前言2一、设计题目与要求4二、主电路设计42.1 主电路原理图.42.2 工作原理.52.3 元器件介绍晶闸管（SCR）.52.4 整流电路参数计算.72.5 晶
4、闸管元件选取.82.6 晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响.92.6.1 对电网的影响.92.6.2 系统功率因数分析.10三、驱动电路设计123.1 触发电路简介.123.2 触发电路设计要求.123.3 集成触发电路 TCA785133.3.1 TCA785 芯片介绍133.3.2 TCA785 锯齿波移相触发电路17四、保护电路设计184.1 过电压保护.184.2 过电流保护.204.3 电流上升率的抑制.214.4 电压上升率的抑制.215五、系统 MATLAB 仿真225.1 MATLAB 软件介绍225.2 系统建模与参数设置.225.3 系统仿真结果及分析.25设计心得30参
5、考文献30附录 主电路图与触发电路图316一、设计题目与要求一、设计题目与要求单相全控桥式晶闸管整流电路的设计（反电势、电阻负载）1. 设计条件：1) 电源电压：交流100V/50Hz2) 输出功率：1KW3) 移相范围：30o-150o4) 反电势：E=70V2.要求完成的主要任务：1) 主电路设计（包括整流元件定额的选择和计算等）,讨论晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响。2) 触发电路设计：触发电路选型（可使用集成触发器），同步信号的产生。3) 晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计，计算保护元件参数并选择保护元件型号。4) 利用仿真软件分析电路的工作过程。二、主电路设计2.1系统原理方
6、框图系统原理方框图系统原理方框图如2.1所示：整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路接电阻性负载。72.2 主电路原理图图 2-1 单相桥式全控整流电路接反电动势-电阻负载2.3 工作原理工作原理当整流电压的瞬时值小于反电势 E 时，晶闸管承受反压而关断，这使得晶闸管导通角减小。晶闸管导通时，,晶闸管关断时，。与电阻负载相比晶闸管提前了电角度停止导电，称作停止导电角。8若 0产生 IGV2 通产生 IC2V1 通IC1IC2出现强烈的正反馈，G 极失去控制作用，V1 和 V2 完全饱和，SCR 饱和导通。晶闸管导通后，即使去掉门极电流
7、，仍能维持导通。9图 2-4 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理晶闸管基本工作特性归纳：承受反向电压时(UAK 0，IGK 0 才能开通)。（1）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；（2） 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。2.5 整流电路参数计算整流电路参数计算当晶闸管导通时，输出端电压仍是，当电流断续，晶闸管阻断时，输出端电压即为反电势电压，因为输出平均电压比电阻负载时高，其输出平均电压为：当 ，即晶闸管可以正常触发导通。根据热效应发热相等原理，整流输出电压有效值：105.14V整流输出电流有效值：因为 P=1000W，E=70V
8、，则，所以 R=3.7那么最大输出平均电流： 流过晶闸管的电流平均值：流过晶闸管的电流有效值：变压器二次电流有效值与输出直流电流有效值相等：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量：2.6 晶闸管元件选取晶闸管元件选取由于单相桥式全控整流带电阻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。1）额定电压 11通常取和中较小的，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，额定电压应为正常工作峰值电压的 23 倍，以保证电路的工作安全。 晶闸管的额定电压： 其中 是电路中加在管子上的最大瞬时电压，本电路，则额定电压取 3 倍裕量：2）额定电流选择晶闸管额定
9、电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值 ，即，一般取则额定电流取 2 倍裕量：3）通态平均管压降。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在 0.41.2V。4）维持电流。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。5）门极触发电流。在常温下，阳极电压为 6V 时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。6）断态电压临界上升率。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微
10、秒几十伏。7）通态电流临界上升率。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。12综上所述，参考 KP 晶闸管型号参数表 满足本次设计要求的是 KP20，因此选用4 个 KP20 型号的晶闸管。2.6 晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响2.6.1 对电网的影响对电网的影响晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的，因此其工作频率为工频，初级电压即为交流电网电压。经过变压器的耦合，晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的
11、功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分，减小电网污染。在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时，有时会采用自耦变压器；当变流电路所需的电压与电网电压一致时，也可以不经变压器而直接与电网连接，不过要在输入端串联“进线电抗器”以减少对电网的污染。 晶闸管装置中的无功功率，会对公用电网带来不利影响： 1) 无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。 2) 无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。 3) 使线路压降增大，冲击性无功功率负载还会使电压剧烈波动。 晶闸管装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括： 1) 谐波使
12、电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的 3 次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。 2) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。 3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述 1)和 2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。 134) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。 5) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。2.6.2 系统功率因
13、数分析系统功率因数分析忽略换相过程和电流脉动，带电阻-反电动势负载，假设接了平波电抗器，所以负载电感足以使电流连续，则电路的工作情况与感性负载时相似，即可以根据感性负载来讨论功率因数。那么变压器二次电流波形近似为理想方波，电流 i2的波形见图 2-5。图 2-5将电流波形分解为傅里叶级数，可得： LLL,5,3,1,5,3,12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nn ntnItnnItttIidd其中基波和各次谐波有效值为：nIInd22可见，电流中仅含奇次谐波。各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 基波电流有效值为14的有效值，结合上式可
14、得基波因数为从图 2-5 可以明显看出，电流基波与电压的相位差就等于控制角 ，故位移因数为所以，功率因数为三、驱动电路设计3.1 触发电路简介触发电路简介电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用良好性能的驱动电路，可以使电力电子器件工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有很大的意义。对于相控电路这样使用晶闸管的场合，在晶闸管阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发电压，晶闸管才能从截止转变为导通，习惯上称为触发控制。提供这个触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。它决定每一个晶
15、闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置中不可缺少的一个重要组成部分。晶闸管相控整流电路，通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始位来控制输出电压的大小，为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。153.2 触发电路设计要求触发电路设计要求晶闸管的型号很多，其应用电路种类也很多，不同的晶闸管型号，应用电路对触发信号都会有不同的要求。但是，归纳起来，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。不管是哪种触发电路，对它产生的触发脉冲都有如下要求：1、触发信号为直流、交流或脉冲电压，由于晶闸管导通后，门极触发信号即失去了控制作用，为了减
16、小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。2、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。触发信号功率大小是晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。由于晶闸管元件门极参数的分散性很大，且随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压、电流值，并有一定的裕量。3、触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发信号导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。普通晶闸管的导通时间约为 6，故触发电路的宽度至少应有以上，对于电感性负载，由于电s6 s感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应更大一些，通常为 0.5至 1，此msms外，某些具体电路对触发脉冲宽度会有一定的要求，如三相全控桥等电路的触发脉冲宽度要大于 60或采用双窄脉冲。为了快速而可靠地触发大功率晶闸管，常在触发脉冲的前沿叠加一个强触发脉冲，强触发脉冲的电流波形如图 3-1
