电力电子技术课程设计报告书

《电力电子技术》课程设计

专 业： 电气工程及其自动化

班 级： 2010级电气班

学生姓名： 吴 世 方

学 号： 4

指导教师： 祝 敏

时 间： 2012年 12 月 28 日----2013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、V380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513Z，电机参数为：

型 号 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 电枢回路电感

Z3-51 kw5.5 V220 A3.30 1500r/min H54.5

一、课程设计方案的选择与确定

电力电子技术课程设计报告

- 3 - 1.系统总设计框图

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

电源 触发电路 整流电路 负载电路 保护电路

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力电子技术课程设计报告

- 5 - 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。 电力电子技术课程设计报告

- 7 - 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电力电子技术课程设计报告

- 9 - 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2U的计算：AUUd/)5.1~2.1(2

根据查表三相全控桥A=2.34，U2=113-141V 取127V

②

二次侧相电流2I和一次侧相电流1I的计算：

312738021UUK 816.01211KK

AKIKId65.805.1111 AIKId7.24122

③ 变压器容量计算：321mm