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兰州交通大学毕业设计(论文)I大功率整流装置的设计与应用摘要近些年来随着电力电子技术的快速发展，电力电子技术已广泛应用于各个领域。直流整流器是以电力电子技术为基础发展起来的。它是利用电力电子技术的基本特点以小信号输入控制很大的功率输出，放大倍数极高，这就是电力电子设备成为强、弱电之间接口的基础。利用这一特点能获得节能、环保、高效、高可靠性、安全良好的经济效益。本设计首先介绍电力电子技术的应用及电力电子器件的发展,然后重点讲述了直流整流器的主电路（三相桥式半控整流器）的工作过程、波形以及主电路中所用器件的参数计算，并根据参数值选择所用晶闸管、二极管等设备。其次介绍了晶闸管的触发电路和构成触发电路的各个环节的工作状况，以及相对于主电路中的各种保护电路的设计及其参数的计算，并且根据所算出的各种参数值确定所用器件的额定值。最后根据直流整流器的额定值简要说明它在电力机车、直流调压、电机励磁、温度控制、蓄电池充电等方面的应用。关键词：电力电子技术，晶闸管，整流器，二极管兰州交通大学毕业设计(论文)IIDESIGNANDAPPLICATIONOFHIGH-POWERRECTIFIERDEVICEABSTRACTRecently,withthepowerelectronictechnologyrapiddevelopment,thepowerelectronictechnologyhaswidelyappliedineachdomain.Thedirectcurrentvoltageregulatorisdevelopedonbasisofthepowerelectronictechnology.Itisoneofthepowerelectronictechnologyessentialfeatures:Bythesmallsignalinputcontrolverybigpoweroutput,theenlargementfactorisenormous,thisiswhythepowerelectronicinstalledbetweenthestronglyandweaknessasaconnection.Onecanobtaintheenergyconservationthatthehighproduction,environmentalprotection,highlyeffective,redundantreliabilityandthesafegoodbenefitbytheuseofthischaracteristic.Thispaperfirstlyintroducestheapplicationofthepowerelectronictechnologyandthepowerelectronicdevice’sdevelopment,thenintroducedtheworkprocessofthedirectcurrentpressureregulatormaincircuit(three-phasebridgetypepartlycontrolsrectifier),theprofileaswellasthemaincircuitusethecomponenttheparametercomputation,andusesequipmentandsooncrystalthyratron,choicetheequipmentaccordingtotheparametervalue.Nextintroducedthecrystalthyratrontriggerstheelectriccircuitandtheconstitutiontriggerstheelectriccircuiteachlinkworkingcondition,aswellasisoppositesinthemaincircuiteachkindofprotectioncircuitdesignandit’stheparametercomputation,andactsaccordingtoeachkindofparametervaluewhichfiguresouttodetermineusesthecomponenttheratedvalue.Finallyitadjustsonelectricallocomotivedirectcurrentvoltage,electricalmachineryexcitation,temperaturecontrol,batterychargingaccordingtothedirectcurrentpressureregulatorratedvaluebriefingindirectcurrentapplication.Keyword:PowerElectronicTechnology，Thyristor，Rectifier，Diode兰州交通大学毕业设计(论文)-1-1.绪论1.1电力电子技术的发展近年来电力电子技术发展异常迅速，新型元器件频繁换代、层出不穷，应用领域不断扩大，日趋成熟。电力电子技术在生产自动化、节能降耗、信息技术和日用电器等多方面越来越产生着举足轻重的影响。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的。早在20世纪三四十年代，人们就开始应用电机组、贡弧整流器、闸流管、电抗器、接触器等进行对电能的变换和控制，这样的变流装置存在着以下明显的缺点：如功率放大倍数低，相应慢，体积大，功耗大，效率低和噪声大。20世纪50年代初，普通的整流器SR(semiconductorrectifier)开始使用，实际上已经开始取代贡弧整流器。但电力电子技术真正的开始是由于1957～1958年第一个反向阻断型可控硅SCR(siliconcontrolledrectifier)的诞生，后称晶闸管(thyristor)。一方面由于其功率变换能力的突破，另一方面实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制，是电子技术步入了功率领域。变流装置有旋转方式变为静止方式，具有提高效率、缩小体积、减轻重量、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。20世纪70年代后期，尤其是20世纪80年代以后各种高速、大功率、全控型的器件先后问世，并获得迅速发展。如可关断晶闸管GTO(gate-turn-off-thyristor)、大功率(巨型)晶体管GTR(gianttransistor)、功率场效应晶体管PowerMOSFET（Metal-OxideSemiconductor）等。随着集成工艺的提高和突破，20世纪80年代中期电力电子的另一个重要进展是诞生了功率集成电路，也称PIC（PowerIC）和智能功率模块IPM（intelligentpowermodel）。这些期间实现了功率器件与电路的总体集成，它使微电子技术与电子技术相辅相成，把信息科学融入功率变换。新型的电力半导体器件的特点是：全控化、集成化、高频化、高效率、低谐波、高功率因数、变换器小型化、控制技术数字化和微机化。电力半导体器件特性的每一步新发展都引起了变换电路和控制技术的相应突破。总之，电力电子装置在减小体积和重量、提高效率、增加快速性以及增高电压、兰州交通大学毕业设计(论文)-2-扩大电流、提高频率等方面均会有较大的进展。由于有性能优良的电力半导体开关器件、性能大为改善的磁性和绝缘材料、计算机、大规模集成电路技术、频率高达兆赫及的电能处理方法、新型电路拓扑结构及分析方法的不断突破，使今天的电力电子技术具有全新面貌。1.2电力电子技术在直流整流器上的应用在电力电子技术中把交流电压换成固定或可调的直流电压，即为AC/DC变换，如可控整流器。传统的AC/DC变换是利用晶闸管和相控技术，依靠电网电压换流实现的。直流整流器就是利用这种技术来实现对所需调压范围进行控制的。至今工业中应用的大多数是这类整流装置，其电路拓扑早在闸流管时代已基本确定。为了满足我国经济的高速发展，工农业大生产及科研、国防的需要,应大力发展中大型可调电源成套装置。例如大型高电压电力试验站，大型加热及自动控温装置，电机、变压器、电气开关等。生产大中型可调电源成套装置，必须对各类整流器的单机容量、质量标准及特殊使用要求等提出新的课题研究。1.3整流器的发展传统的整流器主要使用变压器的原理根据所需电压的大小来进行调节，这种整流器存在着调压范围窄、装置体积大、不易操作、谐波干扰等诸多问题。随着电力电子技术的迅速发展，利用可控整流器，通过控制晶闸管导通和关段的时间进行调压。相控晶闸管具有对称的阻断特性和较低响应速度，这类整流的特点是控制简单，运行可靠，适宜超大功率应用。相控整流器存在的问题是产生低次谐波，对电网是滞后功率因数的负载，这种非线性负载的迅速增多对电网产生了严重影响。1.4本设计研究的主要内容及方法根据电力电子器件以及电力电子技术对整流电路进行设计，计算出相关元器件的数值，熟练掌握晶闸管及整流管的工作特性。结合所学的知识设计主电路（三相桥式半控整流器），阐述三相桥式半控整流器的工作过程及波形；主电路中所用器件的参数计算，并根据参数值选择所用晶闸管、二极管等设备。其次研究了晶闸管的触发电路和构成触发电路的各个环节的工作状况；从而使整流装置的各项指标达到设计的要兰州交通大学毕业设计(论文)-3-求。对于主电路中的各种保护电路的设计及其参数的计算，并且根据所算出的各种参数值确定所用器件的额定值。兰州交通大学毕业设计(论文)-4-2．晶闸管概述晶体闸流管简称晶闸管。电力电子技术，就是以晶闸管和功率晶体管等电力半导体器件对电能进行变换与控制的技术。它包括电压、电流、频率、波形和相数的变换等。自从1958年第一只晶闸管问世以来(当时额定值只有16A／300V)，由于科学技术的发展和进步，现在已能生产数千安培、数千伏的大功率晶闸管元件。晶闸管也从普通晶闸管(又称可控硅)发展到快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶间管、可关断晶闸管及光激发晶闸管等。晶闸管作为大功率可以控制的静态固体开关，只需用几十至几百毫安的电流，就能控制几百至几千安培的电流，实现了弱电对强电的控制，使电子技术从弱电扩展到强电领域。晶闸管作为电力半导体器件，由于具有体积小、重量轻、效率高、反应快、控制特性好等优点，特别是它的高压大容量、低损耗和高性能使其在国民经济各个领域及国防方面获得了广泛的应用。普通晶闸管又称可控硅整流元件，是国内目前强电领域中应用最为广泛的一种。2.1晶闸管的结构和工作原理2.1.1晶闸管结构图2-1晶闸管的外形与符号图a）外形b)内部结构c)电气图形符号a)P2N2c)b)N1P1J3J2J1AkAAkG兰州交通大学毕业设计(论文)-5-gUgI晶闸管的外形与符号如图2-l所示。目前国内生产的晶闸管，外形有两种形式，一种为螺栓形，一种为平板形。晶闸管在工作过程中，由于损耗而产生的热量将通过散热器散发，以降低管芯的温度。螺栓形晶闸管有三个极，螺栓一端是阳极A，使用时用螺帽固定在散热器上另一端粗引线是阴极K，细引线是门极(也称控制极)G。平板形晶闸管，它的两面分别是阳极和阴极，中间引出线是门极。使用时，用两个互相绝缘的散热器把元件紧夹在中间，由于平板形元件散热效果好，故容量大的晶闸管都采用平板式结构。2.1.2晶闸管工作原理晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，分别命名为P1、N1、P2、N2四个区入图2-2所示。P1区引出阳极A，N2区引出阴极K，P2区引出门极G。四个区形成J1、J2、J3三个PN结。如果正向电压(阳极高于阴极)加到器件上，则J2处于反向偏状态，器件A、K两端之间处于阻断状态，只能流过J3反偏，该器件也处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过。VT1VT2KGAAGKPNPN图2-2晶闸管的双晶体模型及工作原理当管子阳极与阴极加上反向电压时，J1、J3结处于反向阻断状态；当加上正向电压时J2结处于反向阻断状态，管子仍不导通。若此时门极与阴极问加上正向电压使门极G流入一定大小的晶闸管就会像二极管一样正向导通