《电力电子技术》课程设计

  专    业：    电气工程及其自动化  

班    级：       20##级电气班     

学生姓名：       ##  

     学   号：        ##

 指导教师：       ##

时    间： 20##年 12 月 28 日----20##年 1 月 9 日

题目：小功率晶闸管整流电路设计

一设计的目的和要求

电力电子技术的课程设计是《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）账务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。

设计技术数据及要求：

1、交流供电电源；

2、电路输出的直流电压和电流的技术指标满足系统要求。

3、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：

一、课程设计方案的选择与确定

2.整流电路

方案一：单相半波整流电路

特点及优缺点：

    对于晶闸管整流装置在整流器功率较小时，用单相整流电路。在单相电路中，半波电路比全波电路脉动成分高，滤波没有全波电路容易。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可被采用。

方案二：单相桥式全控整流电路

特点及优缺点：

    此电路对每个导电回路进行控制，与单相桥式半控整流电路相比，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。

单相全控桥式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。     单相全控桥式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。

方案三：三相桥式全控整流电路

特点及优缺点：

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以小一些。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，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。

    由于设计参数要求电动机的额定功率为5.5KW，功率较大，所以综合比较各种整流电路性能可知，应选择为三相桥式全控整流电路作为整流电路。

3.晶闸管

晶闸管又称为晶体闸流管，可控硅整流（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。

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。内部结构:四层三个结。

2）晶闸管的工作原理图

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，晶闸管都不导通；

（2）：晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电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ＩＧ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。

4.触发电路

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。对触发电路的基本要求是：

（1）触发脉冲必须保持与主电路的交流电源同步，以保证每个周期都在相同的延迟角处触发导通晶闸管。

（2）触发脉冲应能在一定的范围内移相。对于不同的主电路要求的移相范围也不同。

（3）触发信号应有足够的功率（电压与电流）。为使所有合格的器件在各种可能的工作条件下都能可靠触发，触发电路送出的触发电压和电流，必须大于器件门极规定的触发电压UGT与触发电流IGT 。

（4）不该触发时，触发电路的漏电压应小于0.15～0.2V，以防误触发。

（5）触发脉冲的上升前沿要陡。否则，因温度、电源电压等因素变化时将造成晶闸管的触发时间不准确。设脉冲的幅值为Um， 脉冲前沿是指由0.1Um上升到0.9Um所需要的时间，一般要在10μs以内为宜。

（6）触发脉冲应有一定的宽度。一般晶闸管的开通时间为6μs左右， 故触发脉冲的宽度至少应在6μs以上，最好应有20～50μs。对于电感负载，触发脉冲的宽度应加大，否则在脉冲终止时主电路电流还上升不到晶闸管的擎住电流，则晶闸管又重新关断。

常用的触发电路形式有：阻容移相桥触发电路，单结晶体管触发电路，同步电压为正弦波或锯齿波的触发电路，集成触发电路。

由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。所以在此选用集成触发电路。由于整流电路选择了三相桥式全控整流电路，所以触发电路选用主要应用在三相电路中的TC787。

5.保护电路

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，局部电流密度很大，然后以0.1mm/μs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dv/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：

三、单元电路的设计与参数计算

1.整流变压器电压及容量的计算

①      变压器二次侧相电压的计算：

根据查表三相全控桥A=2.34，U2=113-141V  取127V

②      二次侧相电流和一次侧相电流的计算：

③       变压器容量计算：

2.整流元件的计算

①      晶闸管额定电压：  

②      晶闸管的额定电流      

   计算得：

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

     计算得：  

（2）限制输出电流脉动的电感量

     计算得：

（3）电动机电感量LD和变压器漏电感量

     由所给负载参数：  

     计算得：

     计算得：

（4）实际串入电抗器电感量

故选用作为串入半波电抗器的电感值。

4.晶闸管保护环节的设计与计算

（1）过电压保护

 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进行保护，接线方式为三相变压器二次侧 Y 联结，阻容保护 Y 联结。

参数计算：

由于  

电容C耐压

2.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，

    由于，

    则

（2）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。

四、元器件清单

五、整体设计思路

    根据设计要求和所学知识，由于数据要求电机为大功率，所以整流电路应该选用三相电路，根据性能比较，最终确定为三相桥式全控整流电路。由于晶闸管的导通和关断要求，门极必须有触发电流时才可以被导通，所以要根据晶闸管的特性设计触发电路。由于整流电路已经选用三相电路，所以根据整流电路的特点，我们选择TC787触发电路，主要用于三相晶闸管移相触发电路。根据TC787各引脚的功能和特点，连接电路图。然而保护电路也是本次设计中的重要部分，为了避免过电压，过电流，以及避免电压、电流上升率，在本次设计中专门设计了保护电路部分，在交流测接有阻容保护措施，直流侧并接压敏电阻，并在每个晶闸管上串联了快速熔断器等，使电路更加安全。

六、设计总结

这次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在课本中没有完全介绍的。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到了很多相关的知识，为这次课程设计做了很多帮助。

    对于课程设计的内容，首先要做的应是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。整流电路中，基本元件的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。

    设计过程中，我明白了整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。这次的课程设计是我设计时间最长的一次，也是收获最大的一次。虽然设计过程中遇到很多问题，尤其是保护电路的设计，因为课上没有讲到保护电路的内容，保护电路的理解不够全面，设计的时候是一头雾水，但还是在老师的帮助下，我一一解决了。

    另外通过这次课程设计，我对文档的编排也有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了一部分，当然没有全部。

整个课程设计过程中，由于理论知识的缺乏，以及对课程设计的不熟悉，课程设计还有很多不足之处，在以后的课程设计中，希望能有所改善。

七、参考文献

    1.《电力电子技术》 樊立萍 王忠庆主编

2.《电机及拖动基础》第四版 顾绳谷主编

3.电力电子技术课程设计指导书 姜春霞 王世荣编

4.互联网关于《电力电子技术》相关连接 等

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