电力电子单相桥式整流电路设计

1电力电子技术课程设计报告电力电子单相桥式整流电路设计姓名学号年级专业系（院）指导教师2012年01月05日2引言电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体的说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛应用。由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好实验和课程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛，而锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路又有利于夯实基础，故我们单结晶体管触发的单相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。摘要掌握晶闸管的使用，用晶闸管控制单相桥式全控整流电路（阻感性负载）并画出整流电路中输入输出、各元器件的电压、电流波形，理解单相桥式全控整流电路阻感负载的工作原理和基本计算。选择触发电路的结构，考虑保护电路。一计划任务书1.1.设计任务：1.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的说明.3.完成主电路的原理分析，各住要元器件的选择.1.2.课程设计的要求熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务。（2）掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断。（3）能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理。（4）按时参加课程设计指导，定期汇报课程设计进展情况。（5）广泛收集相关技术资料。（6）独立思考，刻苦钻研，严禁抄袭。（7）按时完成课程设计任务，认真、正确地书写课程设计报告。（8）培养实事求是、严谨的工作态度和认真的工作作风。二.设计内容2.1方案的选择电源→变压器→整流电路→负载↓变压器→触发电路↑单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载3性质不同就会有不同的特点。下面分析各种单相控整流电路在带电阻性负载、电感性负载和反电动势负载时的工作情况。单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：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中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控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。根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。三电路设计方案当负载由电阻和电感组成时称为阻感性负载。例如各种电机的励磁绕组,整流输出端接有平波电抗器的负载等等。单相桥式整流电路带阻感性负载的电路如上图所示。由于电感储能,而且储能不能突变因此电感中的电流不能突变,即电感具有阻碍电流变化的作用。当流过电感中的电流变化时,在电感两端将产生感应电动势,引起电压降UL负载中电感量的大小不同，整流电路的工作情况及输出Ud、id的波形具有不同的特点。当负载电感量L较小（即负载阻抗角φ），控制角α〉φ时，负载上的电流不连续；当电感L增大时，负载上的电流不连续的可能性就会减小；当电感L很大，且ωLd﹥﹥Rd示时，这种负载称为大电感负载。此时大电感阻止负载中电流的变化，负载电流连续，可看作一条水平直线。在电源电压u2正半周期间，晶闸管T1、T2承受正向电压，若在ωt=α时触发，T1、T2导通，电流经T1、负载、T2和Tr二次形成回路，但由于大电感的存在，u2过零变负时，电感上的感应电动势使T1、T2继续导通，直到T3、T4被触发时，T1、T2承受反向电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压u2负半周期间，晶闸管T3、T4承受正向电压，在ωt=α+π时触发，T3、T4导通，T1、T2反向则制，负载电流从T1、T2中换流至T3、T4中。在ωt=2π时，电压u2过零，T3、T4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期T1、T2导通时，T3、T4因加4反向电压才截止。值得注意的是，只有当α〈=π/2时，负载电流才连续，当α〉π/2时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近于零，因此这种电路控制角的移相范围是0—π/2。性能指标分析：整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的用整流输出电压的平均值表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的，称为纹波系数。1)整流输出电压平均值dU=ttdsinU212=cos222U=cos9.02U（3.5.1）2)纹波系数纹波系数rK用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即dddLrrUUUUUK2223.2晶闸管的触发条件（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，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管都才能导通；（3）：晶闸管一旦导通门极旧失去控制作用；（4）：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下.3.3晶闸管的分类晶闸管分为：快速晶闸管，逆导晶闸管，双向晶闸管，光控晶闸管，门极可关断晶闸管（GTO），电力晶闸管（GTR），功率场效应晶闸管（MOSFET），绝缘珊双极晶闸管（IGBT），MOS控制晶闸管，集成门极换向晶闸管.静电感应晶体管。3.4主要元器件的参数选择①额定电压UTn通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压·RRMDRMTnUUU,minUTn≥（2～3）UTM（5.1）UTM：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压②额定电流IT(AV)IT(AV)又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°和规定的冷却条件下，元件在5电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值ITM≤ITn,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。ITn：额定电流有效值，根据管子的IT(AV)换算出，IT(AV)、ITMITn三者之间的关系：Im5.02Im/)()sin(Im2/102tdtITn（5.2）Im318.0Im/)(sinIm2/10)(ttdIAVT（5.3）波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值I与平均值dI之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。dfIIK（5.4）额定状态下，晶闸管的电流波形系数57.12)(AVTTnfIIK（5.5）晶闸管承受最大电压为VVUUTM236167222考虑到2倍裕量，取500V.晶闸管的选择原则：Ⅰ、所选晶闸管电流有效值ITn大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值。Ⅱ、选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。即ITn＝1.57IT(AV)＝（1.5～2）ITMIT(AV)≥(1.5～2)57.1ITM（5.6）因为IT=I/2,则晶闸管的额定电流为AVTI=12.5A(输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取25A.即晶闸管的额定电流至少应大于25A.在本次设计中我选用4个MCR100-8的晶闸管.Ⅲ、若散热条件不符合规定要求时，则元件的额定电流应降低使用。③通态平均管压降UT(AV)。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个6周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.4～1.2V。④维持电流IH。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般IH值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。⑤门极触发电流Ig。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。⑥断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。⑦通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。四.驱动电路与保护电路的设计4.1典型全控型器件的驱动电路GTO是电流驱动型器件。它的导通控制与普通晶闸管相似，但对触发前沿的幅值和陡度要求较高，且一般需要在整个导通期间施加正向门极电流。要使GTO关断则需施加反向门极电流，对其幅值和陡度的要求则更高，幅值需达到阳极电流的1/3左右，陡度需达50A/s，其中强负脉冲宽度约30s，负脉冲总宽度100s，关断后还需在门极-阴极间施加约5V的负偏压，以提高器件的抗干扰能力。GTO一般用于大容量电流的场合，其驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直流耦合式两种类型。直流耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可以得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较为广泛，其缺点是功耗大，效率低。直流耦合式GTO驱动电路的电源由高频电源经二极管整流后得到，二极管VD1和电容C1提供+5V电压，VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路，提供+15V电压，VD4和电容C4提供-15V电压。场效应晶体管V1开通时，输出正强脉冲；V2开通时，输出正脉冲平顶部分；V2关断而V3开通时输出负脉冲；V3关断后电阻R3和R4提供门极负偏压。4.2电力电子器件的保护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。4.2.1过电压的产生及过电压保护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。(1):外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：操作过电压：由分闸，合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间的存在的分布电容静电感应耦合过来。雷击过电压：由雷击引起的过电压。(2):内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括以下几个部分。换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不能恢复阻断能力时，因而有较大的反向电流通过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能7力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极这间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而线路电感在器件两端感应出的过电压。各电压保护措施及配置位置，各电力电子装置可视具体情况只来用采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的装置，其功能属于缓冲电路的范畴。在抑制外因过电压的措施中，采用RS过电压抑制电路是最为常见的。RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（通常供电电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧）或电力电子电路的直侧流。对于大容量的电力电子装置，可采用图1－39所示的反向阻断