電力電子課程設計---小功率晶閘管整流電路設計

1、<p>　　題目：小功率晶閘管整流電路設計</p><p>　　設計技術數(shù)據(jù)及要求：</p><p><b>　　1、交流供電電源；</b></p><p>　　2、電路輸出的直流電壓和電流的技術指標滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　3、電路應具有一定的穩(wěn)壓功能，同時還具有較高的防治過電壓和過電流的抗干擾能力

2、。觸發(fā)電路輸出滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　4、負載為他勵直流電動機，型號為，電機參數(shù)為：</p><p><b>　　總體方案論證及選擇</b></p><p>　　對電氣控制系統(tǒng)的技術要求</p><p>　?、佥敵鲆欢ǖ闹绷麟妷汉碗娏鳌?lt;/p><p>　?、谳敵鲭妷旱拿}動指標在允許范

3、圍內。</p><p>　　③具有自動穩(wěn)壓功能和一定的穩(wěn)壓精度。 </p><p>　?、軐φ{速系統(tǒng)應有靜態(tài)技術指標和動態(tài)技術指標的要求。</p><p><b>　　直流電動機選擇</b></p><p>　　根據(jù)被控對象的特點和技術要求，綜合設計題目給出的參數(shù)，故選用直流他勵電動機。</p><p

4、><b>　　主電路的選擇</b></p><p>　　一般說來，對于晶閘管整流裝置在整流器功率很小時( 以下)，用單相整流電路，功率較大時用三相整流電路。由于本設計方案的負載直流電機的額定功率為遠大，故選擇三相整流電路。</p><p>　　方案一：三相零式整流電路</p><p>　　優(yōu)點：三相整流電路中，三相零式電路突出的優(yōu)點是電路

5、簡單，用的晶閘管少，觸發(fā)器也少，對需要220V 電壓的用電設備直接用380V電網(wǎng)供電，而不需要另設整流變壓器。</p><p>　　缺點：要求晶閘管耐壓高，整流輸出電壓脈動大，需要平波電抗器容量大，電源變壓器二次電流中有直流分量，增加了發(fā)熱和損耗。因零線流過負載電流，在零線截面小時壓降大，往往需要從變壓器單獨敷設零線。</p><p>　　方案二：三相橋式整流電路</p>&

6、lt;p>　　優(yōu)點：在輸出整流電壓相同時，電源相電壓可較零式整流電路小一半，因此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求。變壓器二次繞組電流中沒有直流分量。輸出整流電壓脈動小，所以平波電抗器容量就可小一些。</p><p>　　缺點：整流器件用得多，全控橋需要六個觸發(fā)電路，需要電壓的設備也不能用電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。</p><p>　　綜合比較可知，應用本此設計的電路應選擇為三

7、相橋式整流電路作為整流電路。</p><p><b>　　觸發(fā)電路的選擇</b></p><p>　　晶閘管的門極電壓又叫觸發(fā)電壓，產生觸發(fā)信號的電路叫觸發(fā)電路。觸發(fā)電路性能的好壞，直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此觸發(fā)電路必須保證迅速、準確、可靠地送出脈沖。為達到這個目的，正確選用或設計觸發(fā)電路是非常重要的，一個觸發(fā)電路性能的優(yōu)劣常用下列幾點來衡量：</p>

8、;<p>　　1．觸發(fā)脈沖必須保持與主電路的交流電源同步，以保證每個周期都在相同的延遲角處觸發(fā)導通晶閘管。</p><p>　　2．觸發(fā)脈沖應能在一定的范圍內移相。對于不同的主電路要求的移相范圍也不同。例如對于三相半波電路、電阻性負載，要求的移相范圍為0°～ 150°；大電感負載(電流連續(xù))，只要求整流，則移相范圍為</p><p>　　0°～

9、90°；如既要求整流又要逆變，則為30°～ 150°；三相全控橋式電路，電阻負載時為0°～ 120°，既要整流又要逆變時，其移相范圍為30°～ 150°，為保證逆變可靠，對最小逆變角min 應加以限制；三相半控橋式電路，移相范圍為0°～ 180°。</p><p>　　3．觸發(fā)信號應有足夠的功率（電壓與電流）。為使所有合格的

10、器件在各種可能的工作條件下都能可靠觸發(fā)，觸發(fā)電路送出的觸發(fā)電壓和電流，必須大于器件門極規(guī)定的觸發(fā)電壓UGT 與觸發(fā)電流IGT 。例如 KP50 就要求觸發(fā)電壓不小于3.5V，電流不小于l00mA；KP200 則要求觸發(fā)電壓不小于4V，電流不小于200mA 。故觸發(fā)電壓在4V以上、1OV以下為宜，這樣就能保證任何一個合格的器件換上去都能正常工作。在觸發(fā)信號為脈沖形式時，只要觸發(fā)功率不超過規(guī)定值，觸發(fā)電壓、電流的幅值在短時間內可大大超過額定

11、值。</p><p>　　4．不該觸發(fā)時，觸發(fā)電路的漏電壓應小于0.15～0.2V，以防誤觸發(fā)。</p><p>　　5．觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡。否則，因溫度、電源電壓等因素變化時將造成晶閘管的觸發(fā)時間不準確。設脈沖的幅值為Um， 脈沖前沿是指由0.1Um上升到0.9Um所需要的時間，一般要在10μs以內為宜。</p><p>　　6．觸發(fā)脈沖應有一定的寬度。一般晶

12、閘管的開通時間為6μs左右， 故觸發(fā)脈沖的寬度至少應在6μs以上，最好應有20～50μs。對于電感負載，觸發(fā)脈沖的寬度應加大，否則在脈沖終止時主電路電流還上升不到晶閘管的擎住電流，則晶閘管又重新關斷。</p><p><b>　　保護電路的設置</b></p><p>　　晶閘管有許多優(yōu)點，但是它承受過電壓和過電流的能力很差，短時間過壓過流就會使器件損壞。晶閘管能承受

13、電壓和電流上升率是有一定限制的，當電流上升率過大時，會使器件局部燒穿而損壞。當電壓上升率太大時，又會導致晶閘管誤導通，使運行不正常。除了合理選擇晶閘管外，還必須針對過電壓和過電流采取恰當?shù)谋Ｗo措施。</p><p><b>　　主電路設計</b></p><p><b>　　系統(tǒng)框圖</b></p><p><b&g

14、t;　　圖1 系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　主電路圖</b></p><p><b>　　圖2 主電路圖</b></p><p><b>　　單元電路的設計</b></p><p>　　整流變壓器額定參數(shù)計算</p><p>

15、　　變壓器二次側相電壓的計算</p><p>　　由指導書中第13頁給出的計算過程可知：</p><p><b>　　經(jīng)查表：，</b></p><p><b>　　帶入計算得： ，取</b></p><p>　　二次側相電流和一次側相電流的計算</p><p>　　首先求變

16、比 </p><p><b>　　由表可知：</b></p><p><b>　　帶入計算得： </b></p><p><b>　　變壓器容量計算：</b></p><p><b>　　整流元件的選擇</b></p><

17、;p>　　晶閘管額定電壓： 系數(shù)取為</p><p>　　晶閘管的額定電流 </p><p><b>　　由表可知：</b></p><p>　　計算得： </p><p>　　因此，選用晶閘管型號為</p><p><b>　　電抗器參數(shù)計算</b&g

18、t;</p><p>　　為了使直流負載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器Ld，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流，一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計算主要是電感量的計算。</p><p>　?。?） 使輸出電流連續(xù)的臨界電感量</p><p>　　查表2-7可得： K1 =0.695 </p>

19、<p>　　計算得： </p><p>　　（2） 限制輸出電流脈動的電感量</p><p><b>　　查表2-7可得： </b></p><p>　　計算得： L2 = 13.50 mH </p><p>　?。?） 電動機電感量LD和變壓器漏電感量

20、</p><p><b>　　由所給負載參數(shù)： </b></p><p><b>　　取 </b></p><p>　　帶入計算得： </p><p><b>　　查表得： </b></p><p><b>　　帶入計算

21、得：</b></p><p>　　（4） 實際串入電抗器電感量</p><p>　　故選用作為串入半波電抗器的電感值。</p><p>　　晶閘管保護環(huán)節(jié)的設計與計算</p><p><b>　　（1）過電壓保護：</b></p><p>　　以過電壓保護部位來分，有交流側過電壓保護、

22、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。</p><p>　?。á。┙涣鱾冗^電壓保護措施</p><p>　　采用組容保護。即在變壓器二次并聯(lián)電阻R和電容C進行保護，接線方式為三相變壓器二次側 Y 聯(lián)結，阻容保護 Y 聯(lián)結。如圖4所示。</p><p><b>　　圖3 組容保護</b></p><p><b&

23、gt;　　參數(shù)計算：</b></p><p>　　由于 </p><p>　　對于Im變壓器勵磁電流百分數(shù)，10~100 KV·A變壓器對應</p><p>　　所以取 </p><p>　　變壓器對應的，這里取 </p><p&

24、gt;<b>　　電容C耐壓 </b></p><p>　　取 </p><p>　?。áⅲ?直流側過電壓保護措施</p><p>　　直流側保護可采用與交流側保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成 di/dt 加大。因此，一

25、般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護，如下圖4所示。</p><p>　　圖4 直流側過電壓保護電路圖</p><p>　　壓敏電阻的標稱電壓，一般用下面公式計算，即：</p><p>　　由于 ，則</p><p><b>　　故選用</b></p><p>　?。á＃?/p>

26、 晶閘管兩端過電壓保護措施</p><p>　　由于晶閘管型號為KP100-5，則采用的在晶閘管兩端并聯(lián)組容保護。由經(jīng)驗數(shù)據(jù)得,線路圖如上圖右所示。</p><p><b>　?。?）過電流保護</b></p><p>　　快速熔斷器簡稱快熔，其斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施。快速熔斷器可以安裝在直流側、交流側和直接與晶閘

27、管串聯(lián)。電路圖如下。</p><p>　　圖5 過電流保護電路圖</p><p><b>　　觸發(fā)電路選擇與設計</b></p><p>　　觸發(fā)電路選擇KJ004電路，它的原理與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，也分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個環(huán)節(jié)。由1個KJ004 構成的觸發(fā)單元可輸出2 個相位間隔180

28、76;的觸發(fā)脈沖。只需用3個KJ004 集成塊和1個KJ041集成塊,即可形成六路雙脈沖,再由六個晶體管進行脈沖放大,即構成完整的三相全控橋觸發(fā)電路,如圖 2-17 所示。</p><p>　　其中，KJ041內部實際是由12個二極管構成的6個或門，其作用是將6 路單脈沖輸入轉換為6路雙脈沖輸出。也有廠家生產了將圖2-17全部電路集成的集成塊，但目前應用還不多。</p><p>　　以上觸

29、發(fā)電路均為模擬量的，其優(yōu)點是結構簡單、可靠，但缺點是易受電網(wǎng)電壓影響，觸發(fā)脈沖的不對稱度較高，可達3°～4°，精度低。在對精度要求高的大容量變流裝置中，越來越多地采用了數(shù)字觸發(fā)電路，可獲得很好的觸發(fā)脈沖對稱度。</p><p>　　觸發(fā)電路圖見附頁1。</p><p><b>　　系統(tǒng)電氣原理總圖</b></p><p>　

30、　系統(tǒng)電氣原理總圖見附頁2。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　1．《電力電子技術課程設計指導書》，王世榮等 編 2008.12</p><p>　　2．《電力電子技術》，機械工業(yè)出版社，王兆安 編 2006.2</p><p>　　3．《半導體變流技術》，機械工業(yè)出版社 黃俊 編

31、 1980年</p><p>　　4．《電力電子技術題例與電路設計指導》，石玉、栗書賢、王文郁編，機械工業(yè)出版社</p><p>　　5．《電力電子技術》，林輝、王輝主編，武漢理工大學出版社</p><p>　　6．《電力電子技術》，蘇玉剛、陳渝光主編，重慶大學出版社</p><p>　　7．《電力電子技術》，浣喜明、姚為正編著，高等教育出版

32、社</p><p>　　8．《電力電子技術》，石新春、楊京燕等編，中國電力出版社</p><p>　　9．《電力電子技術實踐教程》，潘孟春、胡媛媛主編，國防科技大學出版社</p><p><b>　　設計總結</b></p><p>　　通過本課程設計，我受益匪淺。熟悉和掌握可控整流電路的基本工作原理及參數(shù)計算方法。掌握

33、晶閘管在相關電路中的工作特點，并能根據(jù)設計要求，正確計算晶閘管參數(shù)，合理選擇晶閘管型號。了解常用晶閘管觸發(fā)電路的特點，并能根據(jù)實際電路選擇合理的觸發(fā)電路形式。對常用的晶閘管保護電路具有一定的分析和設計能力。具有初步發(fā)現(xiàn)和解決設計中出現(xiàn)的問題的能力。</p><p>　　在理論聯(lián)系實際、綜合分析、理論計算、歸納整理和實驗研究等方面得到綜合訓練和提高，培養(yǎng)了獨立解決實際問題和從事科學研究的初步能力。能夠初步建立正確的