1、电力电子课程设计报告目录一、 设计任务说明 .3二、 设计方案的比较 .4三、 单元电路的设计和主要元器件说明 .6四、 主电路的原理分析 .9五、 各主要元器件的选择： 12六、 驱动电路设计 14七、 保护电路 16八、 元器件清单 21九、 设计总结 22十、 参考文献 23第 3 页1、设计任务说明1. 设计任务：1)进行设计方案的比较，并选定设计方案；2)完成单元电路的设计和主要元器件说明；3)完成主电路的原理分析，各主要元件的选择；4)驱动电路的设计，保护电路的设计；5)利用仿真软件分析电路的工作过程；2. 设计要求：1)单相桥式相控整流的设计要求为：负载为感性负载，L=700mH
2、，R=5002)技术要求：A.电网供电电压为单相 220V；B.电网电压波动为 5%10%；C.输出电压为 0100V;第 4 页2、设计方案的比较单相桥式整流电路有两种方式，一种是单相桥式全控整流电路，一种是单相桥式半控整流电路。主要方案有三种：方案一：采用单相桥式全控整流电路，电路图如下：对于这个电路，每一个导电回路中有两个晶闸管，即用两个晶闸管同时导通以控制导电的回路，不需要续流二极管，不会出现失控现象，整流效果好，波形稳定。变压器二次绕组不含直流分量，不会出现变压器直流磁化的问题，变压器利用率高。方案二：采用单相桥式半控整流电路，电路图如下：相较于单相桥式全控整流电路，对每个导电回路进
3、行控制，只需一个晶闸管，而另一个用二极管代替，这样使电路连接简便，第 5 页且降低了成本，降低了损耗。但是若无续流二极管，当 突然增大到180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使 dU成为正弦半波，级半周期dU为正弦波，另外半周期 d为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即失控现象。因此该电路在实际应用中需要加设续流二极管。综上所述：单相桥式半控整流电路具有线路简单、调 整 方 便 的优 点 。 但输 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
4、 中 存 在 直 流 分 量 ,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，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。因此选择方案一的单相桥式全控整流电路。第 6 页3、单元电路的设计和主要元器件说明1. 单相桥式全控整流电路，如图所示：由一台变压器、四个晶闸管经过桥接而成，负载为阻感负载。晶闸管 1VT和 4组成一对桥臂， 2VT和 3组成另一对桥臂。2.主要元器件晶闸管晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并
5、于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN 四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。1）晶闸管的分类：晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管（SCR） 、双向晶闸管（TRIAC） 、逆导晶闸管（RCT） 、门极关断晶闸管（GTO） 、BTG 晶闸管、温控晶闸管第 7 页（TT 国外，TTS 国内）和光控晶闸管（LTT）等多种。 晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑
6、封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。 晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。 晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管，快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于400HZ 和10KHZ 以上的斩波或逆变电路中。 （备注：高频不能等同于快速晶闸管）2）工作原理晶闸管在工作过程中，它的阳极（A）和阴极（K）与电源和负载连接
7、，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极 G 和阴极 K 与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。半控型晶闸管的工作条件： 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的第 8 页情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性。 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用。 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。全控型晶闸管的工作条件： 晶闸管承受反向阳极电压时，不
8、管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压（或电流）的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态。 晶闸管导通后，门极加反向电流或失去电压，晶闸管关断；或者门极正常，但主电路电压（或电流）减少到接近于零时，晶闸管也关断。第 9 页4、主电路的原理分析主电路为单相桥式全控整流电路。对于阻感负载，假设电路已工作于稳态， di的平均值不变。 2u的波形如图所示，在 2u的正半周期，触发角 处给晶闸管 1VT和 4加触发脉冲使其开通，2du。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波左右，假设负载电感很大，负载电流 di连续且波形近
9、似为一条水平线，其波形如图。 2u过零变负时，由于电感的作用，晶闸管 1VT和 4中仍流过电流 di，并不关断。至 t时刻，给 2和 3加触发脉冲，因 2VT和 3本已承受正电压，故两管导通。 和 导通后， u通过 和 分别向 1VT和 4施加反压使 1VT和 4关断，流过 1和 4的电流迅速转移到 2和 3上，此过程称为换相，亦称换流。至下一周期重复上述过程，如此循环下去， du的波形如图所示，其平均值为2221sin()cos0.9cosduUtU当 0时， 02.9d； 时， du。晶闸管移相范围为090。单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管 1VT和 4的电压波形如图所示，晶闸管承
10、受的最大反向电压均为 2U。晶闸第 10 页管导通角 与 无关，均为180，其电流波形如图所示。平均值有效值分别为12dVTdI和10.72VTddIII。变压器二次电流2i的波形为正负各180的矩形波，如图所示，其相位由 角决定，有效值 2dI。整流电路参数计算：1）整流输出电压的平均值： 222sin()cos0.9cosduUtdU第 11 页当 0时， dU取得最大值100V 即 20.91dUV得 21U当 9时， 0d。 角的移相范围为90。2）整流输出电压的有效值为： 2221(sin)(1UtdUV3）整流电流的平均值为： 20.9cos0.ddI AR4）整流电流的有效值为：
11、 0.2dIA5）在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通，变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值和有效值相等，其波形系数为1。流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为：平均值：10.22TdddIIIA有效值：.41TdddIII6）每个晶闸管承受的最大正、反向电压等于 2156.978U。第 12 页5、各主要元器件的选择：1. 晶闸管的选择：1）电压定额晶闸管的额定电压通常取晶闸管的 DRMU(断态重复峰值电压）和 RMU（反向重复峰值电压）中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。即 min
12、,TDRMU且 (23)TnTMU。因此， 2157T V；考虑到留23倍的裕量，所以取40TnV2）电流定额通态平均电流 ()TAVI国际规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是标称其额定电流的参数。通常按照实际波形的电流与晶闸管允许的最大正弦半波电流（其平均值即通态平均电流 ()TAVI）所造成的发热效应相等（即有效值相等）的原则来选取晶闸管的此项电流定额，并应留一定的裕量。一般取其通态平均电流为按此原则所得计算结果的1.52倍。第 13 页因 2TI，则晶闸管的额定电流为： () 0.21.52)
13、(1.5)(1.5)0.9.77TTNAVII A因此，取 ()TNAV2. 变压器的选择变压器的变比为120Uk在不考虑损耗的情况下，选择整流变压器的容量为： 210.2.SUIVA第 14 页6、驱动电路设计晶闸管的电流容量越大，要求的触发功率越大，对于大中电流容量的晶闸管，为了保证其触发脉冲具有足够的功率，往往采用由晶体管组成的触发电路。晶体管触发电路按同步电压的形式不同，分为正弦波和锯齿波两种。同步电压为锯齿波的触发电路，不受电网波动和波形畸变的影响，移相范围宽，应用广泛。因此，这里采用同步电压为锯齿波的触发电路。同步电压为锯齿波的触发电路输出可为双窄脉冲，也可为单窄脉冲。它由三个基本
14、环节构成：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相同步环节。电路图如下：第 15 页各点的电压波形为：锯齿波是由开关 V2管来控制的：1）V2开关的频率就是锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压决定；2）V2由导通变截止期间产生锯齿波锯齿波起点基本就是同第 16 页步电压由正变负的过零点；3）V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度取决于充电时间常数 R1C1；7、保护电路晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一 种 是 在 适 当的 地 方 安 装 保 护 器 件 ， 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
15、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。1. 晶闸管的过流保护晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因, 如整流晶闸管损坏, 触发电路或控制系统有故障等; 其中整流桥晶闸管损坏类较为严重, 一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无 法 正 常换 流 ， 因而产生线间短路引起过电流.另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时
16、有发生，因为整流桥的负载实质是逆变桥, 逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外，如整流变压器中心点接地，当逆 变 负 载 回 路第 17 页接 触 大 地 时 ， 也 会 发 生 整 流 桥 相 对 地 短 路 。对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器 的 方 式 。 见 图 1。 快 速 熔 短 器 的 接 入 方 式 共 有三 种 ， 其 特 点 和 快 速 熔短器的额定电流见表1。方式 特点 额定电流 备注A 型 熔断器与每一个元件串联，能可靠地保护每一个元件1.57RNTII:晶闸管通态平均电流B
17、 型 能在交流、直流和元件短路时起保护作用，可靠性稍有降低RNCDIKC：交流侧线电流与 DI之比I：整流输出电流C 型 直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用RNDII：整流输出电流第 18 页表一：快速熔断器的接入方式、特点和额定电流三种接入方式均可使用在单相桥式整流电路中，因此选 A 型更为可靠。如下图所示：对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则 应 当 采 用 电 子 电 路 进 行 保 护 。 电 子 电 路 保 护 原 理 图如 下 ：第 19 页图二可控硅触发脉冲是由一个电平信号 Uk 来控制，当 Uk 为“1”电平时，可控硅触发脉冲关断，则整
18、流装置输出为0。当 Uk 为“0”电平时，可控硅触发脉冲正常输出，则整流装置输出电压为 Ud。图6中，R1，R2，N 组成比较器，通过 RP1来设置过流保护值；V1为钳位二极管，Uk 为可控硅触发脉冲输出的控制信号。当整流装置输出电流超出额定值的20%时，电流反馈 UIFURP1，则比较器输出为“0”电平，使三极管 V2截止，此时 Uk 为“1”电平，使整流装置输出电压为0。钳位二极管 V1保证系统在出现过流时，比较器输出电位为“0”电平，使整流装置可靠关断。2. 过压保护第 20 页电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原
19、因，内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，过电压保护有避雷保护、利用非线性过电压保护、元器件保护、利用储能元器件保护、利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护。这次我们采用储能元件保护即阻容保护。3.电流上升率、电压上升率的抑制保护电流上升率dit的抑制晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/s 的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率dit过大，会导致 PN 结 击 穿 ， 必 须限 制 晶 闸 管 的 电 流 上 升 率 使 其 在 合 适 的 范 围 内 。 其 有 效 办 法 是 在晶 闸 管 的 阳 极
20、 回 路 串 联 入 电 感 。第 21 页电压上升率dvt的抑制加在晶闸管上的正向电压上升率dvt也应有所限制,如果dvt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制dvt的作用，可以在晶闸管两端并联 R-C 阻容吸收回路。8、元器件清单元器件 备注 数量整流变压器 变比为2，容量至少为22.2VA1个晶闸管 额定电压为400V，额定电流为1A4个第 22 页电阻 包括负载中500 电阻以及触发电路保护电路中的电阻若干电感 包括负载中的700mH电感以及触发电路保护电路中的电感若干电位器 触发电
21、路和过流保护电路中的电位器2个二极管 用于触发电路中 11个电容 用于保护电路和触发电路若干熔断器 额定电流为1A 4个三极管 用于过流保护和触发电路9个9、设计总结从这次课程设计中，我收获了很多。首先是对理论知识的理解，经过课堂上的学习以及考试，我们对单相整流电路的原理认识的比较深刻，但对于整流电路具体是怎么工作的却很少关注。这次课程设计中包含了驱动电路、保护电路的设计以及对元器件的选择，这让我对单相整流电路乃至电力电子课程有了第 23 页新的认识，扩充了知识面。其次，通过这次课程设计，我了解到方案的选择也是非常重要的。往往需要实现一种功能可以有许多种方案，例如实现单相整流可以有好几种方案，
22、我们需要了解各个电路的特点以及设计要求，从而筛选出最适合的方案。再比如设计触发电路，有很多种的触发电路均能满足我们的要求，但有些电路有着自己特殊的功能，利用这些特殊功能来满足我们对电路的特殊要求，就能选出合适的方案。这次设计的难点是保护电路。因为在课堂学习中，我们对保护电路只是稍有了解，并没有具体分析设计过。这就需要我们通过上网或者查阅很多书籍来学习这方面知识。这使我认识到广泛搜集资料，整合并快速学习的重要性。也许我们没有涉猎过某方面知识，但是一旦需要，我们必须能迅速了解这方面知识，并能加以应用，这种能力是当代社会所必须的。最后感谢这次设计中帮助过我的老师和同学。10、参考文献1）王兆安 刘进军 电力电子技术 机械工业出版社20092）浣喜明 姚为正 电力电子技术 高等教育出版社2011第 24 页
