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1、 电力电子变流技术 设计任务书 单相桥式全控整流电路电阻性负载前言按照电力电子变流技术课程设计的要求，经过一周的准备时间现在开始正式整理此份设计任务书。电力电子技术又称为功率电子技术，他是用于电能变换和功率恐控制的电子技术。电力电子技术示弱电控制强电的方法和手段，是当代高兴技术发展的重要内容，也是支持电力系统技术革命和技术革命的发展的重要基础，并节能降耗、增产节约提高生产效能的重要技术手段。微电子技术、计算机技术以及大功率电力电子技术的快速发展，极大地推动了电工技术、电气工程和电力系统的技术发展和进步。 电力电子器件是电力电子技术发展的基础。正是大功率晶闸管的发明，使得半导体变流技术从电子学中
2、分离出来，发展成为电力电子技术这一专门的学科。而二十时间九十年代各种全控型大功率半导体器件的发明，进一步拓展了电力电子技术应用和覆盖的领域和范围。电力电子技术的应用领域已经深入到国民经济的 各个部门，包括钢铁、冶金、化工、电力、石油、汽车、运输以及人们的日常生活。功率范围大到几千兆瓦的高压直流输电，小到一瓦的手机充电器，电力电子技术随处可见。电力电子技术在电力系统中的应用中也有了长足的发展，电力电子装置与传统的机械式开关操作设备相比有动态响应快，控制方便，灵活的特点，能够显著地改善电力系统的特性，在提高系统稳定、降低运行风险、节约运行成本方面有很大潜力。 2010年7月4日目录前言-1目录-2
3、 一 设计任务书简介 1.1.设计题目-3 1.2.设计任务及条件- -31.3设计注意事项-3二 相关知识回顾2.1 晶闸管的结构-32.2晶闸管的工作原理简单回顾-4三 设计方案简介 3.1 单相桥式全控整流电路电阻性负载触发电路的设计-63.2单相桥式全控整流电路电阻性负载工作波形-6四 器件的选择及参数的计算4.1变压器的选择及参数计算-74.2晶闸管的选用及参数计算-8五 心得体会-9六 特别鸣谢-9七 参考文献-9一.设计任务书简介1.1设计题目：单相桥式全控整流电路电阻性负载1.2设计任务及设计条件1.2.1设计条件：（1） 电网：380V，50Hz；（2） 晶闸管单相桥式全控整
4、流电路；（3） 负载阻值：15；负载工作电压：50V150V可调。1.2.2设计任务：（1） 电源变压器设计，计算变压器容量、变比、2次侧电压有效值；（2） 晶闸管选择，计算晶闸管额定电压、额定电流；（3） 主电路图设计。1.3设计注意事项：1.3.1设计提示：（1） 电源变压器2次侧电压有效值应当满足负载电压的要求，所留裕量适当即可；（2） 根据变压器2次侧电压有效值可以得到控制角的移相范围；（3） 当控制角为最大值时，电流波形系数最大，选择晶闸管时，应当在此情况下考虑其额定电流。1.3.2注意项目：（1） 应当给出具体的计算过程和分析过程；（2） 涉及电流、电压计算时，必须用波形图配合说明
5、计算过程；（3） 选型参数（额定电压、额定电流、容量等）应当取整。二. 相关知识回顾：2.1 晶闸管的结构晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，如图2.1所示晶闸管管芯及电路符晶闸管的散热器如上图2.2所示2.2晶闸管的工作原理简单回顾2.2.1晶闸管管芯的内部结构如图2.3所示，是一个四层（P1N1P2N2）三端（A、K、G）的功率半导体器件。它是在N型的硅基片（N1）的两边扩散型半导体杂质层（P1、P2），形成了两个PN结J1、J2。再在P2层内扩散型半导体杂质层N2又形成另一个PN结J3。然后在相应位置放置钼片作电极，引出阳极A，阴极K及门极G，形成了
6、一个四层三端的大功率电子元件。这个四层半导体器件由于三个PN结的存在，决定了它的可控导通特性。2.2.2晶闸管导通和关断特性1）导通条件：晶闸管同时承受阳极正压和门极正压（可为触发脉冲）条件下才可导通。2）关断条件：阳极正压小时或加反压。其实质为流过的电流(维持电流)。3）正向阻断性：晶闸管具有正向阻断性这个特性是普通二极管所不具备的。晶闸管导通和关断的特性与晶闸管内部发生的物理过程有关参看图2.4。晶闸管是一个具有P1N1P2N2四层半导体的器件，内部形成有三个PN结J1、J2、J3，晶闸管承受正向阳极电压时，其中J1、J3承受反向阻断电压，J2承受正向阻断电压。这三个PN结的功能可以看作是
7、一个PNP型三极管VT1（P1N1P2）和一个NPN型三极管VT2（N1P2N2）构成的复合作用。 2.2.3 晶闸管的基本特性2.2.3.1静态特性静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。（1） 阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak与阳极电流ia之间的关系曲线，如图2.5所示。（2） 门极伏安特性晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J3，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压Ug与门极电流Ig间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特
8、性，如图2.6阴影区域所示。2.2.3.2动态特性晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。（1）开通特性晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值IT的10%所需的时间称为延迟时间td，而阳极电流从10%IT上升到90%IT所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间tgt=td+tr，普通晶闸管的
9、延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。如图2.7所示（2）关断特性要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值IRM后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。三.设计方案简介单相整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式全控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。单相半
10、控整流电路虽然具备线路简单、调整方便的优点，但是她也存在的弱点是：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。为了克服单向半控整流电路的确定，单相桥式全控整流电路随之诞生。它具备输出电流脉动小，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。 单相桥式全控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。 本任务书将会根据具体的电阻性负载的例子详细介绍和分析单相桥式全控整流电路。 3.1 单相桥式全控整流电路电阻性负载触发电
11、路的设计参考教材电力电子变流技术（第三版）相关章节对本电路进行分析。单相桥式全控整流电路电阻性负载电路图如右图所示。晶闸管组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断；组成另一对桥臂在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路图如如3.1所示 3.2单相桥式全控整流电路电阻性负载工作波形 当变压器二次侧电压U2为正半周时（即a端为正，b端为负），相当于控制角的瞬间给以触发脉冲，即导通，这时电源电流从电源a端经过流回电路b端。这期间均承受反向电压而截至。当电源电压过零时，电流也降到零，即关断。当电源电压的负半周期，仍在控制角为处触发晶闸管
12、，具体过程与正半周相反，此处不再赘述。很显然上述两组触发脉冲在相位上相差，两组晶闸管组成的电路循环工作下去。 由于负载在两个半波中都有电流通过，属全波整流。一个周期内整流电压脉动2次，变压器二次绕组中，两个半周期的电流方向相反且波形对称，如图3.2所示，因此不存在半波整流电路中的直流磁化问题。图中b图是输出电压、电流的波形。图中c图是晶闸管上承受电压的波形。很明显看出当一对桥臂上的晶闸管导通是，电源电压u2直接加在另一对晶闸管的两端，因此晶闸管承受的最大反向电压为2四.器件的选择及参数的计算4.1变压器的选择及参数计算：在很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网往往不能一致，同时又为
13、了减少电网与整流装置的相互干扰，使整流主电路与电网隔离，为此需要配置整流变压器。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次相电压U2、一次与二次额定电流以及容量。由于整流变压器二次与一次电流都不是正弦波，因而存在着一定的谐波电流，引起漏抗增大，外特性变软以及损耗增大，所以在设计或选用整流变压器时，应考虑这些因素。整流输出电压的平均值为 得因为电网电压380V，所以对于单相桥式全控整流电路变压器一次侧电压所以可得，变压器变比在选择器件以及导线截面积等定额是，要考虑发热问题，应该根据电流的有效值进行计算。负载电流的有效值，即变压器二次绕组电流的有效值（即负载电流的有效值
14、）为：负载电压的有效值令当时，相当于不可控桥式整流，此时输出电压最大，即。当，输出电压为零，故晶闸管可控移相范围为。但对于本题目要求而言，当为： 不考虑变压器的损耗时，变压器的容量为 所以应当选择容量至少为2的变压器。4.2晶闸管的选用及参数计算由变压器二次侧的电压且负载工作电压为50V150V,得的取值范围为：可以计算流过晶闸管的电流有效值为：可以求得的最大值为 晶闸管承受的最大反相电压数值为。因为晶闸管的最大有效值约为8A 而 由于晶闸管的过载能力比一般电磁器件小，为使其有一定的安全裕量。因而要选用晶闸管的通态平均电流为其正常平均值的1.52倍。所以所选晶闸管的额定电流由晶闸管承受的断态重
15、复值电压为选用晶闸管时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，作为操作过程中的过电压裕量。得所选晶闸管的额定电压，因为实际电路在讲究安全可靠稳定的基础上还有经济实惠，所以在满足要求的情况下选择额定电压为500V的晶闸管就可以了。综上可以选用的晶闸管参数应为：五.心得体会 每一门专业课程的结束都伴随这我们学生暂时可以把考试的压力放下一些，但是学过的知识应该永远被我们掌握并不断用实践与验证和领悟它。而课程设计就是这样一个介于理论知识和实践运用的良好平台，让我们从理论的思维去解决实际问题。虽然还没有走上相关的工作岗位，但是把书本上的知识装进脑子里，把脑子里的知识衔接起来系统化是当代大学生我们最关键的
16、一个学习过程。很感谢老师给我们安排这样一次机会，虽然就目前情况而言对我们是一个艰巨的工程，但是实际上我们学生心理很乐意接受并做好这样一个课程设计。 在做电力电子课程设计的过程中我更能认真和全面的对所学知识有一个全面和系统更深刻的了解和掌握。在这个过程中我们认真的查阅了大量的资料和工具书增长了我的知识，开阔了我的视野，对我对学过的知识实际应用的能力有很大提升。通过课程设计让自己明白自己所差的还很多很多在接下来的日子里一定要努力学习以备将来走入社会能打好基础。也用自己的所学来证明自己的尊严和人格。在这次设计中，由于我知识的欠缺，和对所需知识的欠系统化，虽然很努力去做好，但是设计的并不详细，知识的衔接也不理想，错误可能还会有的，恳请老师能对我设计中错误的地方加以谅解，并多多指点。 六.特别鸣谢 在做课程设计的过程中遇到的问题和困难时，很感谢孙老师给我的耐心的帮助也感谢同组同学的团结合作.再次道声老师你幸苦啦！七. 参考文献石新春 黄君 王兆安 编电力电子技术变流技术机械工业出版社- 10 -电气工程及其自动化专业 学号：070607304 姓名：范超锋