1、小功率晶闸管整流电路设计01.电子元器件介绍1.1 二极管1.1.1 定义二极管，（英语：Diode），电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管（Varicap Diode）则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流（Rectifying）”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断 （称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。早期的真空电子二极管；它是一种能够单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个 PN 结两个引线端子，这种电子器件
2、按照外加电压的方向，具备单向电流的传导性。一般来讲，晶体二极管是一个由 p 型半导体和 n 型半导体烧结形成的 p-n 结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于 p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。早期的二极管包含“猫须晶体（“Cats Whisker“ Crystals）”以及真空管(英国称为“热游离阀（Thermionic Valves）”)。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗。1.2 晶闸管1.2.1 定义晶闸管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Con
3、trolled Rectifier-SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20 世纪 80 年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz 以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型-普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。1）晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。引出阳极 A、阴极 K 和门极（或称栅极） G 三个联接端。2）晶闸管的工作原理图晶闸管由四层半导体（P 1、N 1、P 2、N 2
4、）组成，形成三个结 J1（P 1N1）、J2（N 1P2）、J 3（P 2N2），并分别从 P1、P 2、N 2引入 A、G、K 三个电极，如图1.2(左)所示。由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图 1.3（右）所示的两个晶闸管 T1（P 1-N1-P2）和（N 1-P2-N2）组成的等效电路。小功率晶闸管整流电路设计1图1.2 a）晶闸管外形 b)内部结构 c)电气图形符号 d)模块外形图 1.3 晶闸管的内部结构和等效电路3）晶闸管的门极触发条件（1）: 晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通； （2）：晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电
5、流的情况下晶闸管才能导通；（3）：晶闸管一旦导通门极就失去控制作用；（4）：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下。晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流 的电路称为门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。1.2.2 可关断晶闸管可关断晶闸管简称 GTO可关断晶闸管的工作原理图 1.4 GTO 的结构、等效电路和图形符号小功率晶闸管整流电路设计2GTO 的导通机理与 SCR 是完全一样的。GTO 一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不
6、像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。GTO 在关断机理上与 SCR 是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。1.3 变压器1.3.1 定义1.3.2 工作原理变压器（Transformer）是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。按用途可以分为：电力变压器和特殊变压器（电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪
7、用变压器、电子变压器、电抗器、互感器等）。电路符号常用 T 当作编号的开头.例: T01, T201 等。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。它可以变换交流电压、电流和阻抗。最简单的铁心变压器由一个软磁材料做成的铁心及套在铁心上的两个匝数不等的线圈构成，如图所示。变压器原理铁心的作用是加强两个线圈间的磁耦合。为了减少铁内涡流和磁滞损耗，铁心由涂漆的硅钢片叠压而成;两个线圈之间没有电的联系，线圈由绝缘铜线（或铝线）绕成。一个线圈接交流电源称为初级线圈（或原线圈），另一个线圈接用电器称为次级线圈（或副线圈）。实际的变压器是
8、很复杂的，不可避免地存在铜损（线圈电阻发热）、铁损（铁心发热）和漏磁（经空气闭合的磁感应线）等，为了简化讨论这里只介绍理想变压器。理想变压器成立的条件是：忽略漏磁通，忽略原、副线圈的电阻，忽略铁心的损耗，忽略空载电流（副线圈开路原线圈线圈中的电流）。例如电力变压器在满载运行时（副线圈输出额定功率）即接近理想变压器情况。变压器是利用电磁感应原理制成的静止用电器。当变压器的原线圈接在交流电源上时，铁心中便产生交变磁通，交变磁通用 表示。原、副线圈中的 是相同的， 也是简谐函数，表为 =msint。由法拉第电磁感应定律可知，原、副线圈中的感应电动势为 e1=-N1d/dt、e2=-N 2d/dt。式
9、中N1、N 2为原、副线圈的匝数。由图可知 U1=-e1，U 2=e2（原线圈物理量用下角标1 表示，副线圈物理量用下角标 2 表示），其复有效值为 U1=-小功率晶闸管整流电路设计3E1=jN1、U 2=E2=-jN2，令 k=N1/N2，称变压器的变比。由上式可得 U1/ U2=-N1/N2=-k，即变压器原、副线圈电压有效值之比，等于其匝数比而且原、副线圈电压的位相差为 。进而得出：U1/U2=N1/N2在空载电流可以忽略的情况下，有 I1/ I2=-N2/N1，即原、副线圈电流有效值大小与其匝数成反比，且相位差 。进而可得I1/ I2=N2/N1理想变压器原、副线圈的功率相等 P1=P
10、2。说明理想变压器本身无功率损耗。实际变压器总存在损耗，其效率为 =P 2/P1。电力变压器的效率很高，可达 90%以上。1.3.3 分类1、按相数分：1）单相变压器：用于单相负荷和三相变压器组。2）三相变压器：用于三相系统的升、降电压。2、按冷却方式分：1）干式变压器：依靠空气对流进行自然冷却或增加风机冷却，多用于高层建筑、高速收费站点用电及局部照明、电子线路等小容量变压器。2）油浸式变压器：依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。3、按用途分：1）电力变压器：用于输配电系统的升、降电压。2）仪用变压器：如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。3）试验变
11、压器：能产生高压，对电气设备进行高压试验。4）特种变压器：如电炉变压器、整流变压器、调整变压器、电容式变压器、移相变压器等。4、按绕组形式分：1）双绕组变压器：用于连接电力系统中的两个电压等级。2）三绕组变压器：一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。3）自耦变电器：用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。 5、按铁芯形式分：1）芯式变压器：用于高压的电力变压器。2）非晶合金变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电流下降约 80%，是节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低地方。3）壳式变压器：用于大电流的特殊变压器，如电炉
12、变压器、电焊变压器；或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。1.4 电阻器1.4.1 定义电阻器（Resistor）在日常生活中一般直接称为电阻。是一个限流元件，将电阻接在电路中后，电阻器的阻值是固定的一般是两个引脚，它可限制通过它所连支路的电流大小。阻值不能改变的称为固定电阻器。阻值可变的称为电位器或可变电阻器。理想的电阻器是线性的，即通过电阻器的瞬时电流与外加瞬时电压成正比。用于分压的可变电阻器。在裸露的电阻体上，紧压着一至两个可移金属触点。触点位置确定电阻体任一端与触点间的阻值。1.4.2 电阻的单位 欧姆是电阻的基本单位，在电子工程上，这个单位太小，在实际应用中常需要比欧姆大的单位
13、，即千欧，兆欧、等。小功率晶闸管整流电路设计41 千欧=1000 欧 1 兆欧=1000 千欧1.4.3 分类电阻器按材料分类 a、绕线电阻器由电阻线绕成电阻器用高阻合金线绕在绝缘骨架上制成，外面涂有耐热的釉绝缘层或绝缘漆。绕线电阻具有较低的温度系数，阻值精度高，稳定性好，耐热耐腐蚀，主要做精密大功率电阻使用，缺点是高频性能差，时间常数大。 b、碳合成电阻器由碳及合成塑胶压制成而成 c、碳膜电阻器在瓷管上镀上一层碳而成，将结晶碳沉积在陶瓷棒骨架上制成。碳膜电阻器成本低、性能稳定、阻值范围宽、温度系数和电压系数低，是目前应用最广泛的电阻器。d、金属膜电阻器在瓷管上镀上一层金属而成，用真空蒸发的方
14、法将合金材料蒸镀于陶瓷棒骨架表面。金属膜电阻比碳膜电阻的精度高，稳定性好，噪声，温度系数小。在仪器仪表及通讯设备中大量采用。 e、金属氧化膜电阻器在瓷管上镀上一层氧化锡而成，在绝缘棒上沉积一层金属氧化物。由于其本身即是氧化物，所以高温下稳定，耐热冲击，负载能力强。按用途分，有通用、精密、高频、高压、高阻、大功率和电阻网络等。1.5 电感器1.5.1 定义最简单的电感器（俗称线圈）就是用导线空心地绕儿圈，有磁芯或铁芯的电感器是在磁芯或铁芯上用导线绕几圈。通常情况下，电感器由铁芯或磁芯、骨架和线圈等组成。其中，线圈绕在骨架上，铁芯或磁芯插在骨架内。无论哪种电感器，都是用导线绕几圈而成的，根据绕的匝
15、数不同、有无磁芯，电感器电感量的大小也不同，但是电感器所具有的特性相同。1.5.2 电感器工作原理电感器的工作原理分成两个部分：给电感器通电后电感器的工作过程，此时电感器由电产生磁场；电感器在交变磁场中的工作过程，此时电感器由磁产生交流电。关于电感器的工作原理，主要说明下列几点。(1)给线圈中通入交流电流时，在电感器的四周产生交变磁场，这个磁场称为原磁场。(2)给电感器通入直流电流时，在电感器四周要产生大小和方向不变的恒定磁场。(3)由电磁感应定律可知，磁通的变化将在导体内引起感生电动势，因为电感器（线圈）内电流变化（因为通的是交流电流）而产生感生电动势的现象，称为自感应。电感就是用来表示自感
16、应特性的一个量。(4)自感电动势要阻碍电感中的电流变化，这种阻碍作用称为感抗。二.主要技术参数：1、 交流供电电源；V202、电路输出的直流电压和电流的技术指标满足系统要求。小功率晶闸管整流电路设计53、电路应具有一定的稳压功能，同时还具有较高的防治过电压和过电流的抗干扰能力。触发电路输出满足系统要求。4、负载为并励直流电动机，型号为 ，电机参数为：32Z型 号 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 最高转速Z2-32 kw8.0V20A1.5750r/min 1500r/min2.1 设计内容 1、直流电动机选择 根据被控对象的特点和技术要求，综合设计题目给出的参数选用电动机。 2、主电路
17、的选择 2.2 具体要求1.方案论证及选择； 2.整流变压器电压及容量计算； 3.晶闸管元件选择； 4.电抗器容量计算； 5.保护电路的元件选择； 6.触发电路选择； 7.同步变压器及同步电压选择； 8.完成课程设计说明书一份，设计晶闸管整流电路原理图一张。三、课设方案的选择与确定3.1 系统总设计框图1.单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路的优点是线路简单、调整方便，其缺点是输出电压脉动大，负载电流脉动大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流电流分量，使铁心磁化，变压器容量不能充分利用。若不用变压器，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗。因此单相半波相控整流电路只适
18、用于小容量，波形要求不高的的场合。保护电路电源 触发电路 整流电路 负载电路小功率晶闸管整流电路设计61.单相桥 式全控整流电路此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。并且单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，功率因素高的特点。但是，电路中需要四只晶闸管，且触发电路要分时触发一对晶闸管，电路复杂，两两晶闸管导通的时间差用分立元件电路难以控制。3、 单相桥式半 控整流电路单相桥式半控整流电路用二只晶
19、闸管和二只二极管，根据两个晶闸管的小功率晶闸管整流电路设计7接线方式，可以使用分立元件触发电路，且触发电路相对简单，当两个晶闸管被同时导通时，由二极管在电源电压过零时自然换流其性能和单相桥式全控整流电路相同，具有同等优点。故采用此电路作为本次课程设计的主电路。3.2.3 触发电路的选择可供选择的触发电路有同步信号为锯齿波的触发电路，同步信号为正弦波的触发电路，KC04 集成移相触发器。1、同步信号为锯齿波的触发电路基本环节：脉冲形成与放大环节锯齿波形成和脉冲移相环节同步环节强触发脉冲形成环节双窄脉冲形成环节2、同步信号为正弦波的触发电路（1）三个基本环节：同步移相 脉冲形成整形 脉冲功放输出小
20、功率晶闸管整流电路设计83. KC04集成移相触发器 它可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成，脉冲输出等几部分电路由于集成触发电路具有免受外界干扰、集成度高等优点，故采用集成触发电路。3.2.4 保护电路的设置在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt 保护和 di/dt 保护也是必不可少的。（1）过压保护所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压 Um 都称为过电压。产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变
21、压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上。1.交流侧过电压保护过电压产生过程：电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁芯中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时电压。保护方法：阻容保护。2.直流侧过电压保护过电压产生过程：当某一桥臂的晶闸管在导通状态突然因果载使快速熔断器小功率晶闸管整流电路设计9熔断时，由于直流住电路电感中储存能量的释放，会在电路的输出端产生过电压。保护方法：阻容保护。（2）过流保护电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分
22、载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。在选择快熔时应考虑：1、电压等级应根据快熔熔断后实际承受的电压来确定。2、电流容量应按照其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。3、快熔的 It值应小于被保护器件的允许 It值。4、为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。快熔对器
23、件的保护方式分为全保护和短保护两种。全保护是指无论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕量较大的场合。短路保护方式是指快熔只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。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保护作用。最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流 过快熔电流和晶闸管的电流相 同，所以对元件的保护作用最 好。（3）电流上升率 di/dt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
24、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 di/dt 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回路串联入电感。如图所示：串联电感抑制回路（4）电压上升率 dv/dt 的抑制加在晶闸管上的正向电压上升率 dv/dt 也应有所限制,如果 dv/dt 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。为抑制小功率晶闸管整流电路设计10dv/dt 的作用，可以在晶闸管两端并联 R-C 阻容吸收回路。如图所示
25、:3.3 主电路计 算3.3.1晶闸管整流电路计算（1）整流变压器电压及容量的计算 变压器二次侧相电压 的计算：2UBAUd/)2.1(2根据查表单相半控桥 A=0.9，U 2=275-330V 取 300V二次侧相电流 和一次侧相电流 的计算：2I1I73.0/1UK12KAId7AId52 变压器容量计算： 121mVIUS4011A53.322/)(1（2）整流元件的计算 晶闸管额定电压： V850U)32(TMTN 晶闸管的额定电流 dIK.1I(AV) 73.计算得： IAVT75.0)(（3）电抗器参数计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗
26、器 Ld，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流，一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。（1）使输出电流连续的临界电感量 1L小功率晶闸管整流电路设计11min21/dIUKL67.1K计算得： Ad5.0%i mHL9821（2）限制输出电流脉动的电感量 2dISiUKL/*22 ,.SiK计算得： mH1647（3）电动机电感量LD和变压器漏电感量 TL30*2/pnUdKLD由所给负载参数： 82min,/750,1., prAIVDD 10DK计算得： mH7DahTIUKL10/*2 VUKahT,8.3计算得： 35.9（4）实际串入电抗器电感量 mHLNLTDD
27、0)(115621D故选用 作为串入半波电抗器的电感值。mH56（4）晶闸管元件的选择 晶闸管额定电压：Utn=(23)Utm=848.5v系数取为 2.5 晶闸管的额定电流 It（av)=（1.52）=K.Id K=0.45计算得： It(av)=2*0.45*17.9=16.1A 因此，选用晶闸管型号为 KP2O-10（5）过电压保护过电压可分为外因过电压和内因过电压两类，包括： (1)操作过电压 (2)雷击过电压 (3)换向过电压 (4)关断过电压 1.交流侧过电压保护措施：采用组容保护。即在变压器二次并联电阻R和电容C小功率晶闸管整流电路设计12进行保护。参数计算：由于 AVS153V
28、UIem30,12Uah0FICem./*62电容C耐压 V635.1udm4202963.emahIUSR10.2ccfI2)43(RRIP2.直流侧过电压保护措施：可采用与交流侧保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成 di/dt 加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。参数计算：压敏电阻的标称电压 ，mAU1DCmAU)28.1(由于 ，VC0则 mA41（5）过电流保护快速熔断器简称快熔，其断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。当电力电子变流装置内
29、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，其接线图（见图）。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小功率晶闸管整流电路设计13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，保护晶闸管，起到保护作用。最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护
30、作用最好，这里就应用这一方法。 AIAIVTVT1257.,)()( FU1.53.3.2电力电子器件选择由以上条件，决定选择 KP10 型晶闸管选择 2CZ14D 型二极管。选择 MY31-600/5 型压敏电阻选择 RLS-10 型熔断器4设计技术以及要求4.1 对电气控制系统的技术要求1.输出一定的直流电压和电流。2.输出电压的脉动指标在允许范围内。3.具有自动稳压功能和一定的稳压精度。4.对调速系统应有静态技术指标和动态技术指标的要求。5.静态技术指标是指系统的调速范围 D 和静差率 S。不同的生产机械要求也不同。4.2 主电路的选择一般说来，对于晶闸管整流装置在整流器功率很小时(4K
31、W 以下)，用单相整流电路，功率较大时用三相整流电路。在单相整流电路中，全波电路比半波电路脉动成分小，滤波容易。所以，全波电路比半波电路用得多， 但对脉动要求不高的场合(如小型充电机)也可采用半波整流电路。在全波电路里，单相桥式电路比双半波电路具有变压器利用率高、加在器件上的反向电压低等优点，因此多采用单相桥式整流电路。在需要有源逆变的场合应采用单相全控桥式整流电路。双半波整流电路由于使用的整流器件少，在电压不高的小功率电路中也被采用。在三相整流电路中，三相零式电路突出的优点是电路简单，用的晶闸管少，触发器也少，对需要 220V 电压的用电设备直接用 380V 电网供电，而不需要另设整流变压器
32、。但缺点是要求晶闸管耐压高，整流输出电压脉动大，需要平波电抗器容量大，电源变压器二次电流中有直流分量，增加了发热和损耗。因零线流过负载电流，在零线截面小时压降大，往往需要从变压器单独敷设零线。而三相桥式整流电路，在输出整流电压相同时，电源相电压可较零式整流电路小一半，因此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求。变压器二次绕组电流中没有直流分量，利用率高。输出整流电压脉动小，所以平波电抗器容量就可小一些。三相桥式整流电路的缺点是整流器件用得多，全控桥需要六个触发电路，小功率晶闸管整流电路设计14需要 220V 电压的设备也不能用 380V 电网直接供电，而要用整流变压器。三相半控桥式整流电路，虽然只
33、用三只晶闸管、三个触发电路，但整流输出电压脉动大，且不能用于需要有源逆变的场合，故在要求较高的场合还应选择三相全控桥式整流电路。在需要低电压大电流供电的场合(如电解、电镀)，可采用带平衡电抗器的双反星形晶闸管整流电路。对于特大功率的整流装置(数千千瓦) ，为了减轻对电网的干扰，特别是减轻整流装置对电网的影响，可采用 12 相及 12 相以上的多相整流电路。对于电动机可逆运行系统，根据容量不同可选择不同的可逆运行方案。4KW以下的小容量直流电动机，可采用接触器实现反转的电枢可逆系统。容量较大的电动机，可采用两套反并联结或交叉联结的晶闸管整流装置来实现电枢反接的可逆系统。在可逆系统中多采用容量对称
34、两套晶闸管装置实现。只有在电动机正反向负载电流相差十分悬殊的场合，需要根据正反两个方向实际负载电流大小分别选择两套整流装置的容量，这对大系统来说可以达到节省投资的目的。对于磁场可逆方案，其优点就是磁场回路可用两套小容量晶闸管整流装置供电，可节省投资。其缺点是控制电路复杂，过渡过程时间长，电动机换向条件恶化，因此只适用于大容量系统和对快速性要求不高的场合。图 4.2 主电路图4.2.1 方案一：单相半波相控整流电路 优点：单相相控整流电路中，单相半波相控整流电路突出的优点是电路简单，用的晶闸管少，调整方便。 小功率晶闸管整流电路设计15缺点：要求晶闸管耐压高，整流输出电压脉动大，负载电流脉动大（
35、电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流电流分量，使铁心磁化，变压器容量不能充分利用。交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗。因此单相半波相控整流电路只使用于小容量，波形要求不高的场所LRu 1 u 2Ti du Tu Lu Ru dV T小功率晶闸管整流电路设计16小功率晶闸管整流电路设计17小功率晶闸管整流电路设计18图 4.2.1 单相半波可控整流电路 方案二：单相桥式全控整流电路 优点：对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象。负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不
36、存在变压器直流磁化的问题，变压器的利用率也高。并且单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，功率因素高的特点。 缺点：整流器件用得多，桥式需要 4 个晶闸管，且触发电路要分时触发一对晶闸管，电路复杂，两两晶闸管导通的时间差分立元件电路难以控制。 综合比较可知，应用本此设计的电路应选择为单相桥式全控整流电路作为整流电路。小功率晶闸管整流电路设计19图 4.2.1 单相桥式全控整流4.3.触发电路的选择晶闸管的门极电压又叫触发电压，产生触发信号的电路叫触发电路。触发电路性能的好坏，直接影响到系统工作的可靠性。因此触发电路必须保证迅速，准确可靠地送出脉冲。为达到这个目的，正确选用或设计触发电路是非常重
37、要的。 本触发电路通过 tc787 单片集成电路构成，tc787 与市场上流行的 kc 系列电路相比，具有功率小，功能强，输入阻抗高，抗干扰性能好，移相范围宽，外界元件少等优点；而且装调简便，使用可靠，只需一块 tc787 就可完成 kc 系列器件组合才能具有的三相相移功能。4.3.1 触发电路设计:由 TC787 构成的三相六脉冲触发电路如设计原理图所示。38 三相交流电经过同步变压器变压为 30 V 的同步信号 a1 , b1 , c1 后,经过电位器 RP1 , RP2 , RP3 及 RCT 型网络滤波接入到 TC787 的同步电压输入端。通过调 RP1 , RP2 ,RP3 可微调各
38、相电压的相位, 以保证同步信号与主电路的匹配。Ca , Cb , Cc 为积分电容, TC787 芯片的锯齿波的线性、幅度由 Ca , Cb , Cc 电容决定。因此,为了保证锯齿波有良好的线性及三相锯齿波斜率的一致性, 选择 Ca , Cb , Cc 时要求其 3 个电容值的相对误差要非常小, 以产生的锯齿波线性好、幅度大且不平顶为宜。Ca , Cb , Cc 电容量的参考值为 0115小功率晶闸管整流电路设计20F。连接在 13 脚的电容 CX 决定输出脉冲的宽度, CX 越大,脉冲越宽。可得到080范围的方波,不过脉冲太宽会增大驱动级的损耗。CX 参考值为 3 300 pF011 F。调
39、节 R P 可以使输入 4 脚的电压在 012 V 之间连续变化,从而使输出脉冲在 0180之间变化。712 脚的输出端有大于 25 mA 的输出能力。采用 6 只驱动管扩展电流,经脉冲变压器隔离后将脉冲接到晶闸管的控制极(g) 和阴极(k) 之间,以触发晶闸管。阻容移相桥 触发电路 结构简单、成本低、工作可靠、调节方便触发电压为正弦波，上升前措不陡，受电网波动影响大，触发准确性与可靠性差，由于不是脉冲触发，门极电流大，增加了晶闸管损耗，而且调节范围也受到限制仅适用于小功率晶闸管整流装置，且控制精度要求低的场合单结晶体管 触发电路电路简单、成本低、触发脉冲前沿陡，工作可靠、抗干扰能力强，易于调
40、试脉冲宽度窄，输出功率小，控制线性度差，移相范围一般小于 180。电路参数差异大，在多相电路中使用不易一致不附加放大环节，可触发 5OA 以下的晶闸管，常用于要求不高的小功率单相或三相半波电路中，但在大电感负载中不易采用用小晶闸管放 大脉冲功率的 触发电路电路简单、可靠，触发功率大，可获得宽脉冲需要单结晶体管电路触发小晶闸管、用的器件相应增多 用于触发大功率晶闸管或多只晶闸管串并联的场合正弦波同步 触发路触发电路简单，易于调整，能输出宽脉冲，直流输出电压 Ud 与控制电压 Uc为线性关系，能部分补偿电网电压波动对输出电压的影响。在引入正反馈时，脉冲前沿陡度可提由于同步信号为正弦波，故受电网电压
41、的波动及干扰影响大，实际移相范围只有 150左右不适用于电网电压波动较大的场合。可用于功率较大的晶闸管装置中 小功率晶闸管整流电路设计21高锯齿波同步 触发电路不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，移相范围宽。具有强触发、双脉冲和脉冲封锁等环节，可触发 20OA的晶闸管整流输出电压 Ud 与控制电压 Uc 间不是线性关系，电路比较复杂在大中容量晶闸管装置中得到广泛的应用集成触发电路 体积小、功耗低、调试方便、性能稳定可靠移相范围小于 180，为保证触发脉冲对称度，要求交流电网波形畸变率小于 5%广泛应用于各种晶闸管装置中数字式触发电路 触发准确、精度高 线路复杂、成本高 用于要求
42、较高的场合表 4.3.1 常用触发电路比较表如下4.4 直流电动机选择设计一个电力拖动系统时，需要根据被控对象的特点和技术要求，合理选择电动机。4.1 电动机类型的选择要根据负载性质来选定。对起动、制动及调速有较高要求的生产机械，宜选用直流他励电动机；而需要较大起动转矩和恒功率调速的机械 (如电车、蓄电池车、牵引机械等)常用直流串励电动机或直流积复励电动机。4.2 电动机容量的选择要根据生产机械的负载功率、电力拖动系统的运行情况(连续、断续、短时)、电动机发热是否超过允许的温升限度、电动机的过载能力和起动转矩是否满足要求进行选择。常用的有两种方法，一种是分析计算法，即按照生产机械的功率、工作情
43、况，预选一台电动机，然后按照电动机的实际负载情况作出负载图，根据负载图进行发热校验以及过载能力校验，从而确定预选电动机是否合格，直至合格为止。另一种是调查统计类比法。它是在调查研究了经过长期运行的同类生产机械的电动机容量后，然后通过对主要参量、工作条件类比的方法来确定电动机容量。4.3 电动机转速的选择小功率晶闸管整流电路设计22直流电动机的最高转速应与生产机械的最高转速相适应，同时还应考虑调速方式，即减压调速还是调磁调速，以便充分利用电动机功率。4.4 电动机结构型式的选择在正常环境条件下，可采用防护式电动机；在空气中有较多粉尘的场所，宜用封闭式电动机；在湿热带地区或比较潮湿的场所，应选用湿
44、热带型电动机；在露天场所，宜用户外电动机；在高温车间，应选用绝缘等级与周围环境相适应的电动机；在有爆炸危险的场所，应选用防爆型电动机；在有腐蚀性气体或游离物的场所，应选用防腐式电动机。除上述四点外，还应考虑直流电动机的额定电压(如 11OV、220V、 440V 等)，是单端出轴还是两端出轴，是立式安装还是卧式安装，电动机转速较高时还应考虑机械减速装置等，这些都必须在设计时根据具体条件，经过经济核算，合理地选择电动机。五. 保护电路的设计为了保护设备安全，必须设置保护电路。保护电路包括过电流与过电流保护，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
45、、快速熔断器等；另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。本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。4.1 晶闸管的保护电路晶闸管的过电流保护：过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。对于晶闸管初开通时引起的较大的 di/dt，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；对于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接入快速熔短器进行保护。如图 5.1 所示：图
46、 4.1 串联电感及熔断器抑制回路小功率晶闸管整流电路设计23晶闸管的过电压保护：晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联 RC 电路。如图 5.2 所示：图 4.1.1 晶闸管的过电压保护4.2 交流侧保护电路晶闸管设备在运行过程中会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭，同时设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，所以要进行过电压保护，可采用如
47、图 5.3 所示的反向阻断式过电压抑制 RC 保护电路。整流电路正常工作时，保护三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件的发热。过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路，电容将吸取过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经放电，将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。小功率晶闸管整流电路设计24图 4.2 反向阻断式过电压抑制 RC 电路4.3 直流侧阻容保护电路直流侧也可能发生过电压，在图 5.4 中，当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切
48、断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应该设置过电压保护，用于抑制过电压。小功率晶闸管整流电路设计25图 4.3 直流侧电容保护小功率晶闸管整流电路设计26总 结随着科学技术发展的日新日异，电力电子技术在现代社会生产中占据着非常重要的地位，电力电子技术应用在是生活中可以说得是无处不在如果把计算机控制比喻为人的大脑，电磁机械等动力机构喻为人的四肢的话，则电力电子技术则可喻为循环和消化系统，它是能力转化和传递的渠道。因此作为二十一世纪的电气专业的学生而言掌握电力电子应用技术十分重要。电力电子技术的课程
49、设计是电力电子技术课程的一个重要的实践教学环节。它与理论教学和实践教学相配合，可加深理解和全面掌握电力电子技术课程的基本内容，可使学生在理论联系实际、综合分析、理论计算、归纳整理和实验研究等方面得到综合训练和提高，从而培养学生具有独立解决实际问题和从事科学研究的初步能力。因此，通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：1）加深理解和掌握电力电子技术课程的基础知识，提高学生综合运用所学知识的能力；2）培养学生根据课程设题的需要，查阅资料和独立解决工程实际问题的能力；3）学会仪器的正常使用方法和调试过程；4）培养分析、总结及撰写技术报告的能力。电力电子课程设计的目的在于进一步巩固和加深所学电力电子基本理论知识。使学生能综合运用相关关课程的基本知识，通过本课程设计，培养学生独立思考能力，学会和认识查阅和占有技术资料的重要性，了解专业工程设计的特点、思路、以及具体的方法和步骤，掌握专业课程设计中的设计计算、软件编制，硬件设计及整体调试。通过设计
