【正文】 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 1 《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) ： 2020 級(jí)電氣班 學(xué)生姓名： 吳 世 方 學(xué) 號(hào)： 101401010054 指導(dǎo)教師 ： 祝 敏 時(shí) 間 ： 2020 年 12 月 28 日 2020 年 1 月 9 日 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 2 題目：小功率晶閘管整流電路設(shè)計(jì) 一 設(shè)計(jì)的目的和要求 電力電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是《電力電子技術(shù)》課程的一個(gè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。它與理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相配合，可加深理解和全面掌握《電力電子技術(shù)》課程的基本內(nèi)容，可使學(xué)生在理論聯(lián)系實(shí)際、綜合分析、理論計(jì)算、歸納整理和實(shí)驗(yàn)研究等方面得到綜合訓(xùn)練和提高，從而培養(yǎng)學(xué)生具有獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題和從事科學(xué)研究的初步能力。因此，通過(guò)電力電子計(jì)術(shù)的課程設(shè)計(jì)達(dá)到以下幾個(gè)目的： 1）加深理解和掌握《電力電子技術(shù)》課程的基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力； 2）培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)課程設(shè)題的需要，查閱資料和獨(dú)立解決工 程實(shí)際問(wèn)題的能力； 3）賬務(wù)儀器的正常使用方法，和調(diào)試過(guò)程； 4）培養(yǎng)分析、總結(jié)及撰寫(xiě)技術(shù)報(bào)告的能力。 設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)據(jù)及要求： V380 交流供電電源； 電路輸出的直流電壓和電流的技術(shù)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。 電路應(yīng)具有一定的穩(wěn)壓功能，同時(shí)還具有較高的防治過(guò)電壓和過(guò)電流的抗干擾能力。觸發(fā)電路輸出滿足系統(tǒng)要求。 負(fù)載為 并 勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為 513?Z ，電機(jī)參數(shù)為： 型 號(hào) 額定功率 額定電壓 額定電流 額定轉(zhuǎn)速 電樞回路電感 Z351 V220 1500r/min H? 一、 課程設(shè)計(jì)方案的選擇與確定 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 3 方案一：?jiǎn)蜗喟氩ㄕ麟娐? 特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)： 對(duì)于晶閘管整流裝置在整流器功率較小時(shí)，用單相整流電路。在單相電路中，半波電路比全波電路脈動(dòng)成分高，濾波沒(méi)有全波電路容易。雙半波整流電路由于使用的 整流器件少，在電壓不高的小功率電路中也可被采用。 方案二：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐? 電源 觸發(fā)電 路 整流電路 負(fù)載電路 保護(hù)電路 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 4 特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)： 此電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，與單相橋式半控整流電路相比，無(wú)須用續(xù)流二極管，也不會(huì)失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問(wèn)題，變壓器的利用率也高。 單相全控橋式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒(méi)有直流磁化問(wèn)題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 單相全控橋式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路 2 倍，在相同的負(fù)載下流過(guò)晶閘管的平均電流減小一半，且功率因數(shù)提高了一半。 方案三：三相橋式全控整流電路 特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)： 三相橋式整流電路，在輸出整流電壓相同時(shí)，電源相電壓可較零式整流電路小一半，因此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求，變壓器二次繞組電流中沒(méi)有直流分量，利用率高。輸出整流電壓脈動(dòng)小，所以平波電抗器容量就可以小一些。三相橋式整流電路的缺點(diǎn)是整流器件用得多，全控橋需要六個(gè)觸發(fā)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 5 電路，需要 220V 電壓的設(shè)備也不能用 380V 電網(wǎng)直接供電， 而要用整流變壓器。 由于設(shè)計(jì)參數(shù)要求電動(dòng)機(jī)的額定功率為 ，功率較大，所以 綜合比較各種整流電路性能 可知，應(yīng)選擇為三相橋式 全控 整流電路作為整流電路。 晶閘管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（ SCR），開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代 。 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域，成為功率低頻（ 200Hz 以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專(zhuān)指晶閘管的一種基本類(lèi)型 普通晶閘管。 1）晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管是大功率器件，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。引出陽(yáng)極 A、陰極 K 和門(mén)極（或稱柵極） G 三個(gè)聯(lián)接端。 內(nèi)部結(jié)構(gòu) :四層三個(gè)結(jié)。 2）晶閘管的工作原理圖 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 6 3） 晶閘管的 門(mén)極 觸發(fā)條件 （ 1） :晶閘管 承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不導(dǎo)通； （ 2）： 晶閘管 承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通； （ 3）： 晶閘管 一旦導(dǎo)通門(mén)極就失去控制作用； （ 4）：要使 晶閘管 關(guān)斷，只能使其電流小到零一下。 晶閘管的驅(qū)動(dòng)過(guò)程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入 門(mén)極的觸發(fā)電流Ｉ Ｇ 的電路稱為門(mén)極觸發(fā)電路。也正是由于能過(guò)門(mén)極只能控制其開(kāi)通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。 晶閘管的門(mén)極電壓又叫觸發(fā)電壓 ， 產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的電路叫觸發(fā)電路。觸發(fā)電路性能的好壞，直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此觸發(fā)電路必須保證迅速、準(zhǔn)確、可靠地送出脈沖。 對(duì)觸發(fā)電路的基本要求是 ： （ 1） 觸發(fā)脈沖必須保持與主電路的交流電源同步 ， 以保證每個(gè)周期都在相同的延遲角 ? 處觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管。 （ 2） 觸發(fā)脈沖應(yīng)能在一定的范圍內(nèi)移相。對(duì)于不同的主電路要求的 移相范圍也不同。 （ 3） 觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（電壓與電流）。為使所有合格的器件在各種可能的工作條件下都能可靠觸發(fā)，觸發(fā)電路送出的觸發(fā)電壓和電流，必須大于器件門(mén)極規(guī)定的觸發(fā)電壓 UGT與觸發(fā)電流 IGT 。 （ 4） 不該觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)電路的漏電壓應(yīng)小于 ～ ， 以防誤觸發(fā)。 （ 5） 觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡。否則，因溫度、電源電壓等因素變化時(shí)將造成晶閘管的觸發(fā)時(shí)間不準(zhǔn)確。設(shè)脈沖的幅值為 Um， 脈沖前沿是指由 上升到 ，一般要在 10μ s以內(nèi)為宜。 （ 6） 觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度。一般晶 閘管的開(kāi)通時(shí)間為 6μ s左右， 故觸發(fā)脈沖的寬度至少應(yīng)在 6μ s以上，最好應(yīng)有 20～ 50μ s。對(duì)于電感負(fù)載，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)加大，否則在脈沖終止時(shí)主電路電流還上升不到晶閘管的擎住電流，則晶閘管又重新關(guān)斷。 常用的觸發(fā)電路形式有：阻容移相橋觸發(fā)電路，單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，同步電壓為正弦波或鋸齒波的觸發(fā)電路，集成觸發(fā)電路。 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 7 由于集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。所以在此選用集成觸發(fā)電路。由于整流電路選擇了三相橋式全控整流電路，所以觸發(fā)電路選用主要應(yīng)用在三相電路中的 TC787。 在電力電子器件電路中，除了電力電子器件參數(shù)要選擇合適，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓保護(hù)，過(guò)電流保護(hù)， du/dt 保護(hù)和 di/dt 保護(hù)也是必不可少的。 （ 1）過(guò)壓保護(hù) 所謂過(guò)壓保護(hù)，即指流過(guò)晶閘管兩端的電壓值超過(guò)晶閘管在正常工作時(shí)所能承受的最大峰值電壓 Um 都稱為過(guò)電壓。 產(chǎn)生過(guò)電壓的原因一般由靜電感應(yīng)、雷擊或突然切斷電感回路電流時(shí)電磁感應(yīng)所引起。其中，對(duì)雷擊產(chǎn)生的過(guò)電壓，需在變壓器的初級(jí)側(cè)接上避雷器，以保護(hù)變壓器本身的安全；而對(duì)突然切斷電感回路電流時(shí)電磁感應(yīng)所引起的過(guò)電壓 ，一般發(fā)生在交流側(cè)、直流側(cè)和器件上。 過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程：電源變壓器初級(jí)側(cè)突然拉閘，使變壓器的勵(lì)磁電流突然切斷，鐵芯中的磁通在短時(shí)間內(nèi)變化很大，因而在變壓器的次級(jí)感應(yīng)出很高的瞬時(shí)電壓。 保護(hù)方法：阻容保護(hù) 過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程：當(dāng)某一橋臂的晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)突然因果載使快速熔斷電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 8 器熔斷時(shí)，由于直流住電路電感中儲(chǔ)存能量的釋放，會(huì)在電路的輸出端產(chǎn)生過(guò)電壓。 保護(hù)方法：阻容保護(hù) （ 2） 過(guò)流保護(hù) 電力電子電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流現(xiàn)象。過(guò)電流分 載和短路兩種情況。一般電力電子均同時(shí)采用幾種過(guò)電壓保護(hù)措施，怪提高保護(hù)的可靠性和合理性。在選擇各種保護(hù)措施時(shí)應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器只作為短路時(shí)的部分區(qū)斷的保護(hù)，直流快速斷路器在電子電力動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。 在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮： 電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)快熔熔斷后實(shí)際承受的電壓來(lái)確定。 電流容量應(yīng)按照其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。 快熔的 It值應(yīng)小于 被保護(hù)器件的允許 It值。 為保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。 快熔對(duì)器件的保護(hù)方式分為全保護(hù)和短保護(hù)兩種。全保護(hù)是指無(wú)論過(guò)載還是短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕量較大的場(chǎng)合。短路保護(hù)方式是指快熔只要短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護(hù)作用，此方式需與其他過(guò)電流保護(hù)措施相配合。 熔斷器是最簡(jiǎn)單的過(guò)電流保護(hù)元件，但最普通的熔斷器由于熔斷特性不合適，很可能在晶閘管燒壞后熔斷器還沒(méi)有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過(guò)電流可及時(shí)熔斷起到保護(hù)作用。最好的辦 法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過(guò)快熔電流和晶閘管的電流相同，所以對(duì)元件的保護(hù)作用最好。 （ 3） 電流上升率 di/dt的抑制 晶閘管初開(kāi)通時(shí)電流集中在靠近門(mén)極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以 ，若晶閘管開(kāi)通時(shí)電流上升率 di/dt 過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致 PN 結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 9 率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽(yáng)極回路串聯(lián)入電感。 如圖 所示 : 串聯(lián)電感抑制回路 （ 4） 電壓上升率 dv/dt 的抑制 加在晶閘管上的正向電壓上升率 dv/dt 也應(yīng)有所限制 ,如果 dv/dt 過(guò)大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實(shí)際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時(shí)引起晶閘管誤導(dǎo)通。為抑制dv/dt 的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián) RC 阻容吸收回路。 如 圖 所示 ： 三、 單元電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 ① 變壓器二次側(cè)相電壓 2U 的計(jì)算： AUU d /)~(2 ? 根據(jù)查表三相全控橋 A=， U2=113141V 取 127V ② 二次側(cè)相電流 2I 和一次側(cè)相電流 1I 的計(jì)算： 312 738 021 ??? UUK ?? KK AKIKI d 111 ???? AIKI d ??? ③ 變壓器容量計(jì)算： 321 ??mm 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 10 VASSSVAIUmSVAIUmS96362/)(2122221111????????????????? ① 晶閘管額定電壓： V778U)3~2(U TMTN ?? ② 晶閘管的 額定電流 dIK ?? )2~(IT ( A V ) ?K 計(jì)算得： AI AVT )( ???? 為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流 ， 通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器 Ld， 稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過(guò)電抗器的電流，一般是已知的 ， 因此電抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。 （ 1）使輸出電流連續(xù)的臨界電感量 1L m in211 / dIUKL ?? ?K 計(jì)算得： AII dd %10m in ?? mHL ? （ 2）限制輸出電流脈動(dòng)的電感量 2L dISiUKL ?? /* 222 %10, ?? SiK 計(jì)算得： mHL ? （ 3）電動(dòng)機(jī)電感量 LD和變壓器漏電感量 TL 310*2DDDD pnIUKL ?? 由所給負(fù)載參數(shù)： 22m i n ,/1 5 0 0,220 ???? prnAIVU DD 10?DK 計(jì)算得： mHLD ? DahTT IUUKL 100/** 2? VUK ahT 105, ??? 計(jì)算得： mHLT ? （ 4） 實(shí)際串入電抗器電感量 212211)()(DDTDDTDDLLmHLNLLLmHLNLLL??????????? 故選用 作為串 入半波電抗器