【正文】 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)動電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓保護(hù)，過電流保護(hù)， du/dt 保護(hù)和 di/dt 保護(hù)也是必不可少的。所以在此選用集成觸發(fā)電路。 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。一般晶 閘管的開通時間為 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。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。 （ 5） 觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡。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，必須大于器件門極規(guī)定的觸發(fā)電壓 UGT與觸發(fā)電流 IGT 。對于不同的主電路要求的 移相范圍也不同。 對觸發(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 ， 以保證每個周期都在相同的延遲角 ? 處觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管。觸發(fā)電路性能的好壞，直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。也正是由于能過門極只能控制其開通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。 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 門極 觸發(fā)條件 （ 1） :晶閘管 承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不導(dǎo)通； （ 2）： 晶閘管 承受正向電壓時，僅在門極有觸發(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。引出陽極 A、陰極 K 和門極（或稱柵極） G 三個聯(lián)接端。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型 普通晶閘管。 20 世紀(jì) 80 年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代。 由于設(shè)計(jì)參數(shù)要求電動機(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。輸出整流電壓脈動小，所以平波電抗器容量就可以小一些。 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)載下流過晶閘管的平均電流減小一半，且功率因數(shù)提高了一半。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個半周電流方向相反且波形對稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率也高。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。 負(fù)載為 并 勵直流電動機(jī)，型號為 513?Z ，電機(jī)參數(shù)為： 型 號 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：單相半波整流電路 特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)： 對于晶閘管整流裝置在整流器功率較小時，用單相整流電路。 電路應(yīng)具有一定的穩(wěn)壓功能，同時還具有較高的防治過電壓和過電流的抗干擾能力。因此，通過電力電子計(jì)術(shù)的課程設(shè)計(jì)達(dá)到以下幾個目的： 1）加深理解和掌握《電力電子技術(shù)》課程的基礎(chǔ)知識，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力； 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)際問題的能力； 3）賬務(wù)儀器的正常使用方法，和調(diào)試過程； 4）培養(yǎng)分析、總結(jié)及撰寫技術(shù)報(bào)告的能力。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 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級 ： 2020 級電氣班 學(xué)生姓名： 吳 世 方 學(xué) 號： 101401010054 指導(dǎo)教師 ： 祝 敏 時 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)際問題和從事科學(xué)研究的初步能力。 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。觸發(fā)電路輸出滿足系統(tǒng)要求。在單相電路中，半波電路比全波電路脈動成分高，濾波沒有全波電路容易。 方案二：單相橋式全控整流電路 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)： 此電路對每個導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，與單相橋式半控整流電路相比，無須用續(xù)流二極管，也不會失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。 單相全控橋式整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 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，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有直流分量，利用率高。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。 晶閘管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（ SCR），開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代 。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。 1）晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管是大功率器件，工作時產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。 內(nèi)部結(jié)構(gòu) :四層三個結(jié)。 晶閘管的驅(qū)動過程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入 門極的觸發(fā)電流Ｉ Ｇ 的電路稱為門極觸發(fā)電路。 晶閘管的門極電壓又叫觸發(fā)電壓 ， 產(chǎn)生觸發(fā)信號的電路叫觸發(fā)電路。因此觸發(fā)電路必須保證迅速、準(zhǔn)確、可靠地送出脈沖。 （ 2） 觸發(fā)脈沖應(yīng)能在一定的范圍內(nèi)移相。 （ 3） 觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率（電壓與電流）。 （ 4） 不該觸發(fā)時，觸發(fā)電路的漏電壓應(yīng)小于 ～ ， 以防誤觸發(fā)。否則，因溫度、電源電壓等因素變化時將造成晶閘管的觸發(fā)時間不準(zhǔn)確。 （ 6） 觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度。對于電感負(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。 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。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。 （ 1）過壓保護(hù) 所謂過壓保護(hù)，即指流過晶閘管兩端的電壓值超過晶閘管在正常工作時所能承受的最大峰值電壓 Um 都稱為過電壓。其中，對雷擊產(chǎn)生的過電壓，需在變壓器的初級側(cè)接上避雷器，以保護(hù)變壓器本身的安全；而對突然切斷電感回路電流時電磁感應(yīng)所引起的過電壓 ，一般發(fā)生在交流側(cè)、直流側(cè)和器件上。 保護(hù)方法：阻容保護(hù) 過電壓產(chǎn)生過程：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，由于直流住電路電感中儲存能量的釋放，會在電路的輸出端產(chǎn)生過電壓。過電流分 載和短路兩種情況。在選擇各種保護(hù)措施時應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。 在選擇快熔時應(yīng)考慮： 電壓等級應(yīng)根據(jù)快熔熔斷后實(shí)際承受的電壓來確定?？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。 為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性。全保護(hù)是指無論過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合。 熔斷器是最簡單的過電流保護(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有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過電流可及時熔斷起到保護(hù)作用。 （ 3） 電流上升率 di/dt的抑制 晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以 ，若晶閘管開通時電流上升率 di/dt 過大，會導(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)。 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)重時引起晶閘管誤導(dǎo)通。 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。 （ 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）限制輸出電流脈動的電感量 2L dISiUKL ?? /* 222 %10, ?? SiK 計(jì)算得： mHL ? （ 3）電動機(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 入半波電抗器的電感值。即在變壓器二次并聯(lián)電阻 R和電容C進(jìn)行保護(hù) ， 接線方式為三相變壓器二次側(cè) Y 聯(lián)結(jié) ， 阻容保護(hù) Y 聯(lián)結(jié)。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性 ， 并且會造成 di/dt 加大。 參數(shù)計(jì)算： 壓敏電阻的標(biāo)稱電壓 mAU1 ， DCmA UU )2~(1 ? 由于 VUDC 220? ， 則 VVU mA 4 4 02 2 021 ??? （ 2）過電流保護(hù) 快速熔斷器簡稱快熔，其斷流時間短 ， 保護(hù)性能較好 ， 是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施。 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 12 AII dT ?? AIAI AVTAVT , )()( ?? AIFU ?? 四、 元器件清單 五、 整體設(shè)計(jì)思路 根據(jù)設(shè)計(jì)要求和所學(xué)知識，由于數(shù)據(jù)要求電機(jī)為大功率，所以整流電路應(yīng)該選用三相電路，根據(jù)性能比較，最終確定為三相橋式全控整流電路。由于整流電路已經(jīng)選用三相電路，所以根據(jù)整流電路的特點(diǎn)，我們選擇 TC787 觸發(fā)電路，主要用于三相晶閘管移相觸發(fā)電路。然而保護(hù)電路也是本次設(shè)計(jì)中的重要部分，為了避免過電壓，過電流，以及避免電壓、電流上升率，在本次設(shè)計(jì)中專門設(shè)計(jì)了保護(hù)