電力電子課程設計----單相全控橋式晶閘管整流電路的設計（純電阻負載）

1、<p>　　課程設計名稱：電力電子課程設計</p><p>　　題 目：單相全控橋式晶閘管整流電路的設計（純電阻負載）</p><p>　　專 業(yè)：自動化 </p><p>　　班 級：09-2班</p><p><b>　　摘要</b></p><p>

2、　　整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設備。整流電路的應用十分廣泛，例如直流電動機，電鍍、電解電源，同步發(fā)電機勵磁，通信系統(tǒng)電源等。整流電路的分類可以從多種角度，按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結構可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，分為單拍電路和雙拍電路。整流電路的工作原理，要根據電

3、路中的開關器件通、斷狀態(tài)及交流電源電壓波形和負載的性質，分析其輸出直流電壓、電路中各元器件的電壓和電流波形，而開關器件多采用晶閘管、IGBT等半控或全控型器件。本設計使用晶閘管實現單相橋式全控整流電路，通過改變晶閘管的觸發(fā)角來改變輸出波形。</p><p>　　關鍵詞：整流電路；分類；晶閘管</p><p><b>　　目錄</b></p><p&

4、gt;　　綜述……………………………………………………………………1</p><p>　　1晶閘管…………………………………………………………………2</p><p>　　1.1晶閘管的結構………………………………………………………2</p><p>　　1.2晶閘管的工作原理…………………………………………………2</p><p>　　1.

5、3晶閘管的基本特性……………………………………………………………3</p><p>　　1.3.1晶閘管的靜態(tài)特性…………………………………………………………4</p><p>　　1.3.2晶閘管的動態(tài)特性…………………………………………………………4</p><p>　　1.3.3 晶閘管的電壓及電流定額…………………………………………………4</p>

6、;<p>　　1.4 晶閘管觸發(fā)電路……………………………………………………………5</p><p>　　2單相橋式全控整流電路主電路 ……………………………………7</p><p>　　2.1單相橋式全控整流電路帶電阻負載的工作情況原理分析…………………7</p><p>　　2.2主電路原理分析……………………………………………………8</p

7、><p>　　2.2.1基本原理……………………………………………………………………8</p><p>　　2.2.2基本數量關系………………………………………………………………9</p><p>　　3 保護電路………………………………………………………………………10</p><p>　　3.1過電壓保護…………………………………………………

8、………………10</p><p>　　3.2過電流保護…………………………………………………………………10</p><p>　　4設計總結………………………………………………………………………12</p><p>　　5心得體會 ………………………………………………………………………13</p><p>　　參考文獻………………………………

9、………………………………14</p><p><b>　　綜述</b></p><p>　　隨著科學技術的日益發(fā)展,人們對電路的要求也越來越高,由于在生產實際中需要大小可調的直流電源,而相控整流電路結構簡單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應用。但是晶雜管相控整流電路中隨著觸發(fā)角α的增大，電流

10、中諧波分量相應增大，因此功率因素很低。把逆變電路中的SPWM控制技術用于整流電路，就構成了PWM整流電路。通過對PWM整流電路的適當控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因素近似為1。這種整流電路稱為高功率因素整流器，它具有廣泛的應用前景</p><p>　　由于電力電子技術是將電子技術和控制技術引入傳統(tǒng)的電力技術領域，利用半導體電力開關器件組成各種電力變換電路實現電能和變換和控制，而構成

11、的一門完整的學科。故其學習方法與電子技術和控制技術有很多相似之處，因此要學好這門課就必須做好實驗和課程設計，因而我們進行了此次課程設計。又因為整流電路應用非常廣泛，而鋸齒波移相觸發(fā)三相晶閘管全控整流電路又有利于夯實基礎，故我們單結晶體管觸發(fā)的單相晶閘管全控整流電路這一課題作為這一課程的課程設計的課題。</p><p><b>　　1 晶閘管</b></p><p>　

12、　晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅。 1956年美國貝爾實驗室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（General Electric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產品，并于1958年使其商業(yè)化。由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在

13、大容量的應用場合仍然具有比較重要的地位。</p><p><b>　　1.1　晶閘管結構</b></p><p>　　晶閘管的結構 從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結構 。引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端。內部是PNPN四層半導體結構。</p><p>　　圖1-1 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號</p

14、><p>　　a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號</p><p>　　1.2 晶閘管的工作原理 </p><p>　　按照晶體管工作原理，可列出如下方程：</p><p>　　式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。</p><p>　　圖1-2

15、 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理</p><p>　　雙晶體管模型 b) 工作原理</p><p>　　由以上式（2-1）~（2-4）可得</p><p>　　1.3 晶閘管的特性</p><p>　　晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。在晶體管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式

16、可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。 如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，從而實現器件飽和導通。由于外電路負載的限制，IA實際上會維持有限值。 除門極觸發(fā)外其他幾種可能導通的情況：陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應 陽極電壓上升率du/dt過高 結溫較高光觸發(fā)這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高

17、壓電力設備中之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。 </p><p><b>　　1.3.1靜態(tài)特性</b></p><p>　　正常工作時的特性 ：當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通 。當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通 。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，

18、不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通 。若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。 </p><p>　　晶閘管的伏安特性：正向特性：當IG=0時，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。如果正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低，晶閘

19、管本身的壓降很小，在1V左右。 如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。反向特性：其伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反向漏電流通過。 當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導致晶閘管發(fā)熱損壞。 </p><p>　　1.3.2 動態(tài)特性 </p>

20、<p>　　開通過程：由于晶閘管內部的正反饋過程需要時間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不可能是瞬時的。延遲時間td (0.5~1.5s)，上升時間tr (0.5~3s)，開通時間tgt=td+tr，延遲時間隨門極電流的增大而減小,上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴重影響。提高陽極電壓,延遲時間和上升時間都可顯著短。</p><p>　　關斷過程 ：由于外

21、電路電感的存在，原處于導通狀態(tài)的晶閘管當外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。反向阻斷恢復時間trr正向阻斷恢復時間tgr關斷時間tq=trr+tgr關斷時間約幾百微秒。 在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通，而不是受門極電流控制而導通。</p><p>　　1.3.4 電壓及電流定額</p><p>　　電壓定額：斷態(tài)重復

22、峰值電壓UDRM，是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。 國標規(guī)定斷態(tài)重復峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的90%。斷態(tài)不重復峰值電壓應低于正向轉折電壓Ubo。</p><p>　　反向重復峰值電壓URRM 是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓，規(guī)定反向重復峰值電壓URRM為反向不重復峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90

23、%。反向不重復峰值電壓應低于反向擊穿電壓。通態(tài)（峰值）電壓UT晶閘管通以某一規(guī)定倍數的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電 壓。 通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。</p><p>　　電流定額：通態(tài)平均電流 IT(AV），國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的

24、最大工頻正弦半波電流的平均值。按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應來定義的。一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應相等（即有效值相等）原則所得計算結果的1.5~2倍。 </p><p>　　1.4晶閘管的觸發(fā)電路</p><p>　　晶閘管觸發(fā)電路的作用：產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。晶閘管觸發(fā)電路往往還包括對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路。觸發(fā)

25、電路應滿足下列要求：觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，比如對感性和反電動勢負載的變流器應采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增大為器件最大觸發(fā)電流的3~5倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達1~2A/s。觸發(fā)脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內。應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。 </p><p>　　圖

26、1-3　理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形</p><p>　　t1~t2脈沖前沿上升時間（<1s）　t1~t3強脈沖寬度　IM強脈沖幅值（3IGT~5IGT）</p><p>　　t1~t4脈沖寬度　I脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT） </p><p>　　常見的晶閘管觸發(fā)電路 </p><p>　　由V1、V2構成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈

27、沖變壓器TM和附屬電路構成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。</p><p>　　當V1、V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。</p><p>　　VD1和R3是為了V1、V2由導通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設的。 </p><p>　　為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當附加其它電路環(huán)節(jié)。 </p><

28、;p>　　圖1-4 常見的晶閘管觸發(fā)電路</p><p>　　2單相橋式全控整流電路主電路</p><p>　　2.1單相橋式全控整流電路帶電阻負載的工作情況原理分析</p><p>　　晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2 和VT3組成另一對橋臂。在u2正半周（即a點電位高于b點電位） 若4個晶閘管均不導通，id=0,ud=0,VT1、VT4串聯(lián)承

29、受電壓u2。在觸發(fā)角處給VT1和VT4加觸發(fā) 脈沖，VT1和VT4即導通，電流從電源a端經VT1、R、VT4流回電源b端。 當u2過零時，流經晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關斷。 在u2負半周，仍在觸發(fā)角處觸發(fā)VT2和VT3，VT2和VT3導通，電流從電源b端流出，經VT3、R、VT2流回電源a端。 到u2過零時，電流又降為零，VT2和VT3關斷。 </p><p><b>　　圖2-2主電

30、路圖</b></p><p>　　2.2主電路原理圖分析</p><p><b>　　2.2.1基本原理</b></p><p>　　該電路主要由四部分構成，分別為電源，過電保護電路，整流電路和觸發(fā)電路構成。輸入的信號經變壓器變壓后通過過電保護電路，保證電路出現過載或短路故障時，不至于傷害到晶閘管和負載。在電路中還加了防雷擊的保護電

31、路。然后將經變壓和保護后的信號輸入整流電路中。整流電路中的晶閘管在觸發(fā)信號的作用下動作，以發(fā)揮整流電路的整流作用。</p><p>　　在電路中,過電保護部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護,而過壓保護則采用RC電路。這部分的選擇主要考慮到電路的簡單性，所以才這樣的保護電路部分。整流部分電路則是根據題目的要求，選擇的我們學過的單相橋式整流電路。該電路的結構和工作原理是利用晶閘管的開關特性實現將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ?/p>

32、。觸發(fā)電路是由設計題目而定的，題目要求了用單結晶體管直接觸發(fā)電路。單結晶體管直接觸發(fā)電路的移相范圍變化較大，而且由于是直接觸發(fā)電路它的結構比較簡單。一方面是方便我們對設計電路中變壓器型號的選擇。</p><p>　　2.2.2基本數量關系</p><p>　　晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為 和 。</p><p><b>　　整

33、流電壓平均值為：</b></p><p>　　α=0時，Ud= Ud0=0.9U2=90V。α=180時，Ud=0。可見，α角的移相范圍為0°~180°。選取α=60°，Ud=67.5V</p><p>　　向負載輸出的直流電流平均值為：</p><p>　　若要求功率P=500W，則Id=P/U，Id=7.41A，選擇電阻

34、阻值為9.12Ω。</p><p><b>　　3保護電路</b></p><p>　　在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適，驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護也是必要的。</p><p><b>　　3.1過電壓保護</b></p><p>　　電力電子裝置中可能發(fā)生過

35、電壓分為外因過電壓和內因過電壓。外因過電壓包括操作過電壓和雷擊過電壓。內因過電壓包括換相過電壓和關斷過電壓。</p><p>　　圖3-1　過電壓抑制措施及配置位置</p><p>　　F避雷器　D變壓器靜電屏蔽層　C靜電感應過電壓抑制電容RC1閥側浪涌過電壓抑制用RC電路　RC2閥側浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路</p><p>　　RV壓敏電阻過電壓抑制器　

36、RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側RC抑制電路　RCD閥器件關斷過電壓抑制用RCD電路</p><p>　　過電壓抑制措施及配置位置。各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。RC3和RCD為抑制內因過電壓的措施。抑制外因過電壓來采用RC過電壓抑制電路。對大容量的電力電子裝置，可采用圖9-12所示的反向阻斷式RC電路。采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉折二極管（BOD）等非線性元器件來限

37、制或吸收過電壓也是較常用的措施。</p><p><b>　　3.2過電流保護</b></p><p>　　過電流分過載和短路兩種情況。 </p><p>　　圖3-2 過電流保護措施及配置位置</p><p>　　過電流保護措施及其配置位置。快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施，一般電力電子裝置均同

38、時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現保護，過電流繼電器整定在過載時動作?？焖偃蹟嗥鳎ê喎Q快熔） 是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。選擇快熔時應考慮，電壓等級應根據熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。電流容量應按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結形式確定。快熔的 t值應小于被保護器件的允許 t值。為保

39、證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性。 快熔對器件的保護方式可分為全保護和短路保護兩種。全保護：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。短路保護：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用。</p><p>　　對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設備，或全控型器件，需采用電子電路進行過電流保護。常在全控型器件的驅動電路中設置過電流保護環(huán)節(jié)，器件對電流的</p><p

40、><b>　　響應是最快的。</b></p><p><b>　　4設計總結</b></p><p>　　通過單相全控橋式整流電路的設計，使我加深了對整流電路的理解，更深刻地了解了整流電路的設計方法以及其在生產生活中的基本應用。且根據負載的不同，又可以設計出很多不同的電路。其中單相全控橋式整流電路其負載我們用的多的主要是電阻型、帶大電感型，

41、接反電動勢型。它們各自有自己的特點。</p><p>　　本文首先簡要介紹了整流電路的重要性，整流電路中，開關器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關鍵的，開關器件和觸發(fā)電路選擇的好，對整流電路的性能指標影響很大。其次對晶閘管做了較為詳細的介紹與分析，對于單相橋式全控整流電路的設計，晶閘管的驅動電路最為重要，控制晶閘管觸發(fā)的時間，影響著整個電路設計。本文的主電路部分原理較為簡單，因此只做了最簡要的分析。每一個電力電子電路

42、系統(tǒng)都要加保護電路，本文對保護電路也做了簡要的介紹?？傮w電路設計內容，根據所給的參數要求進行了分析，包括了驅動電路、主電路、保護電路。</p><p><b>　　5 心得體會</b></p><p>　　經過兩周的課程設計，使我對晶閘管觸發(fā)電路和單相橋式全控整流電路有了更深一步的了解。在此次課題的設計中，讓我看到了團隊合作，共同進步的重要性，并且通過對資料的查找搜集

43、，歸納總結和獨立思考，使自己又有了一次較好的鍛煉機會。我逐漸意識到要想做好一件事情必須要動腦思考，有計劃，有目的的進行實踐，才會是辦事的效率更高，效果更好。做事首先要通過自己的努力后，如果發(fā)現存在不明白的地方在想別人請教，采納別人的意見，共同達到目標。我還發(fā)現了許多自身的毛病，自己有很多東西都不會，有很多只是需要去學習，以前沒有學過的protues畫圖軟件也通過本次課程設計學到了許多。本次課題設計可能不是最優(yōu)方案，還存在漏洞和不足之處，

44、在以后的學習過程中，還要不斷的積累這方面的知識，也要加強學習電腦方面的知識。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].第5版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.</p><p>　　[2] 王兆安，張明勛.電力電子身背設計和應用手冊[M].第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2002