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1、电力电子课程设计课题:单相半控式晶闸管整流电路的设计专业:电气工程及其自动化班级:电气 0802 班姓名:秦露露彭仁魁学号： 20080112032008011202指导老师：张磊老师日期：2011-01-032011-01-09目录1. 概述 32. 设计目的和要求33. 方案选择44. 辅助电路的设计64.1 驱动电路的设计4.2 保护电路的设计4.4 电流上升率、电压上升率的抑制保护5. 主体电路的设计135.1单相半控式晶闸管整流电路图5.2主电路设计和原理分析6. 设计总结157. 参考文献15一概述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
2、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，得到了广泛使用。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，它具有广泛的使用前景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 半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换
3、和控制，而构成的一 门完整的学科。故其学习方法和电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学 好这门课就必须做好实验和课程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整 流电路使用非常广泛，而三相晶闸管半控整流电路又有利于夯实基础，故我们单 结晶体管触发的单相晶闸管半控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的 课题。二设计目的和要求2.1设计目的“电力电子技术”课程设计时在教学及实验的基础上，对课程所学理论知识的深化高。 因此，要求学生能综合使用所学知识，设计出符合条件的电路，能够全面地巩固和使用 本课程所学基本理论和基本方法，并初步掌握电路设计的基本方法。培养学生独立思考， 独立收集资料，独立设计
4、的能力。2.2 变压器二次侧电压的计算根据设计要求：电源电压：交流100V/50Hz；输出功率：500W；移相范围：0 -180。设 R=5Q,a=30。U2由P =十得U0=50VR0i0= U0/R=50/5=10A，2.3 变压器一，二侧电流的计算变压器二次侧电流:i2= i0=10AhiI 1冗 _ a由 U 二 F G-2U sint)2dt)二 U sin 2a + 0兀a22，2兀兀得:变压器二次侧电压： U2=62ViNU100田卡=1 = 1 =iNU621 2 2得：i=6.2A2.4 变压器容量的计算变压器容量:S=U*ii=100*6.2=620VA2.5 变压器型号的
5、选择选择匝数比N/N2=50/31，容量S=620VA的变压器。三 . 电路元件的选择3.1晶闸管的选择田于单相交流调压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。3.1.1晶闸管电压、电流最大值的计算1）.晶闸管的主要参数如下： 额定电压unvt通常取UDRM和比只皿中较小的，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U =ninU,U NVTDRM RRMUNVT三（23）迈UUNvT ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压Unvt=（23）迈 U2=263V 额定
6、电流INVT通过晶闸管的电流的平均值 IdvTIdvt=i2/2=5AIm= n Idvt=15.7A3.1.2晶闸管型号的选择晶闸管的选择原则：I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。II、选择时考虑（1.52）倍的安全余量。即I （1.5 2）I /1.57NVT VTINVT =10A则晶闸管的额定电流为Invt=10A（输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小考虑到2倍裕量，取20A.即晶闸管的额定电流至应大于20A.在本次设计中选用2个KP20-4的晶闸管.4.1 驱动电路的设计4.1.1触发电路的论证和选择4.1.1.1 单结晶体管的工作原理单
7、结晶体管原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作 一个P区作为发射极e。其结构，符号和等效电如下图所示。bl紂刖a电垢结晶体管的特性从图一可以看出，两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。Rbb=rb1+rb2式中：Rb第一基极和发射结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而变化， rb2为第二基极和发射结之间的电阻，其数值和ie无关；发射结是PN结，和二极 管等效。若在两面三刀基极b2，b间加上正电压Vbb，则A点电压为：VA=rb/ (
8、rb+rb2)vbb= (rb/rbb)vbb=nVbb式中：n称为分压比，其值一般在0.30.85之间，如果发射极电压ve由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图二：(1)当ve nVbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流 Iceo(2)当ve三nVbb+VD VD为二极管正向压降(约为0.7V), PN结正向导通,Ie显著增加，rb阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，和其对应的 发射极电压和电流，分别称为峰点电压Ip和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流，它是 使单结晶体管导通所需的最小
9、电流，显然vp=nvbb。(3) 随着发射极电流Ie的不断上升，ve不断下降，降到v点后，ve不再下降 了，这点v称为谷点，和其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压Vv和谷点 电流 Iv。(4) 过了 V 后，发射极和第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢的上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极 电压，如果VeVv，管子重新截止。单结晶体管的主要参数(1)基极间电阻Rbb发射极开路时，基极b1，b2之间的电阻，一般为2-10千欧,其数值随温度的上升而增大。（2）分压比n由管子内部结构决定的参数，一般为0.3-0.85。（ 3 ） eb1 间反向电压 V
10、cb1 b2 开路，在额定反向电压 Vcb2 下，基极 b1 和发射极 e 之间的反向耐压。（4）反向电流Ieo b1开路，在额定反向电压Vcb2下，eb2间的反向电流。（5）发射极饱和压降Veo在最大发射极额定电流时，eb间的压降。（6）峰点电流Ip单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极 电流。4.1.2触发电路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：1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压。2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后， 阳极电流能迅速上升超
11、过掣住电流而维持导通。4）触发脉冲必须和晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。4.1.2.1 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使用。他由自激 震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成。4.1.2.2 单结晶体管自激震荡电路利用单结晶体管的负阻特性和 RC 电路的充放电可组成自激振荡电路，产 生频率可变的脉冲。经D-D2整流后的直流电源UZ 一路径R2、R加在单结晶体管两个基极 b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压ue=uc按指数规律上升。Uc 刚冲点到大于峰点
12、转折电压q的瞬间，管子e-b间的电阻突然变小，开始导通。 电容C开始通过管子e-b迅速向R放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间 很短。随着电容C放电，电压Ue小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然 后电源又重新对电容 C 充电，上述过程不断重复。在电容上形成锯齿波震荡电 压，在R上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us，其震荡频率为 f=1/T=1/ReCLn（1/1-n ）式中n=0.30.9是单结晶体管的分压比。即调节Re，可调节振荡频率0 -220VCl4.1.3同步电源步电压又变压压于主电压同相位、同频率 而削波后的最大值uz既是得，同步:霽体管触发1L Dj路及波形而同步变压器和主电
13、路接至同一电源，故同步电 步电，信号压经桥式整流、稳压管DZ削波为梯形波，又是触发电路电源.当uDZ过零时，电容C经 e、R1迅速放电到零电压.这就是说，每半周开始，电容C都从零开始充电,进而保 证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的4.1.4移相控制 当Re增大时，冲出现的时刻推迟，即控制角4.1.5脉冲输出，厂触发脉冲ug由R1直接取出,直接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以一般 采用脉冲变压器输出。4.2保护电路的设计卞结晶体管发射咻电到峰 点电压up的时间增大,第一个脉UDZ，迥控制角a )致，实现同步.，实现了移相。这种方法简单、经济，但触发电路和主电路
14、有4.2.1保护电路的论证和选择电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久性 损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、 电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源 输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。例 如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则 是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流 超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状 态，从而抑制过电压或过电流的数值。4.2.2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。采用快速熔断器作过电流保护。熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的 熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔 断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到
