電力電子技術(shù)課程設計

1、 電力電子技術(shù)課程設計 題 目:單相全控橋式整流電路的設計(反電勢，電阻負載） 院系名稱： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 電氣F1202 學生姓名： 周旭東 學 號： 201223910903 指導教師： 臧義 河南工業(yè)大學 電力電子技術(shù)課程設計 目錄前言 .21.題目要求 .31.1設計條件 .31.2主要任務 .32.主電路設計 .32.1主電路原理圖 .32.2主電路工作原理 .42.3整流參數(shù)計算 .42.4晶閘管元件的選取 .53.驅(qū)動電路設計 .73.1TCA785芯片介紹 .73.2相控觸發(fā)工作原理及電路原理圖 .114.保護電路設計 .124.1過電壓保護電路設計 .124.2過電

2、流保護電路設計.124.3電流上升率、電壓上升率的抑制保護 .135.MATLAB 仿真 .145.1系統(tǒng)建模與參數(shù)設置 .145.2仿真結(jié)果 .18設計心得 .23參考文獻 .23附圖 .242 前言 電力電子學，又稱功率電子學（Power Electronics）。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。它既是電子學在強電（高電壓、大電流）或電工領域的一個分支，又是電工學在弱電（低電壓、小電流）或電子領域的一個分支，或者說是強弱電相結(jié)合的新學科。電力電子學是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領域的一個新興工程技術(shù)學科。本次

3、課程設計主要是對單相全控橋式晶閘管整流電路的研究。首先是對單相全控橋式晶閘管整流電路的整體設計，包括主電路，觸發(fā)電路，保護電路。主電路中包括電路參數(shù)的計算，器件的選型；觸發(fā)電路中包括器件的選擇，參數(shù)設計；保護電路包括過電壓保護，過電流保護，電壓上升率抑制，電流上升率抑制。之后對整體電路進行Matlab仿真，最后對仿真結(jié)果進行分析與總結(jié)。31.題目要求1.1設計條件： 1）電源電壓：交流100V/50Hz 2）輸出功率：500W 3）移相范圍30° 150° 4）反電勢：E=70V1.2主要任務： 1）主電路設計（包括整理元件定額的選擇和計算等），討論晶閘管電路對電網(wǎng)及系統(tǒng)功

4、率因數(shù)的影響。 2）觸發(fā)電路設計：觸發(fā)電路選型（可使用集成觸發(fā)器），同步信號的產(chǎn)生等。 3）晶閘管的過電壓保護與過電流保護電路設計，計算保護元件參數(shù)并選擇保護元件型號。 4）提供系統(tǒng)電路圖紙不少于一張。 5）利用仿真軟件分析電路的工作過程。2.主電路設計2.1主電路原理圖 圖2.1 單相全控橋式晶閘管整流電路2.2主電路工作原理在單相橋式全控整流電路中（忽略主電路各部分電感），晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3組成另一對橋臂。在u2正半周（即a點電位高于b點電位），若4個晶閘管均不導通，負載電流id為零，由于反電動勢的存在，ud = E，VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u2-E，設VT

5、1和VT4的漏電阻相等，則各承受u2-E的一半。若在觸發(fā)角處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，且u2 > E時，VT1和VT4承受正壓導通，電流從電源a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端，此時ud = u2。當u2 = E時，流經(jīng)晶閘管的電流下降到零，VT1和VT4關斷。在u2負半周，仍在觸發(fā)延遲角處觸發(fā)VT2和VT3（VT2和VT3的= 0處為 t=），VT2和VT3導通，電流從電源b端流出，經(jīng)VT3、R、VT2流回電源a端。到u2 = E時，電流又降為零，VT2和VT3關斷。此后又是VT1和VT4導通，如此循環(huán)地工作下去，整流電壓ud和晶閘管VT1、VT4兩端電壓波形分別如圖2.2所示。圖

6、2.2 輸出電壓電流波形如圖，只有在u2瞬時值的絕對值大于反電動勢即|u2| > E時，才有晶閘管承受正電壓，才有導通的可能。晶閘管導通后，直至 |u2| = E，id即降至0使得晶閘管關斷，此后ud = E。與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度停止導電，如圖2.2所示，稱為停止導電角。2.3整流參數(shù)計算 2.3.1最大輸出電壓平均值UdM由得，停止導電角為。所以滿足移相范圍30° 150°的要求。當晶閘管導通時，輸出電壓ud = u2，當ud < E時，晶閘管阻斷，此時ud =E。因此，最大輸出電流平均值為：Idmax=P/Udm=500/101.34=4.9

7、33A 2.3.2負載電阻R在一個周期內(nèi)，瞬時功率分為兩部分。一部分是當晶閘管阻斷時，電流為零，瞬時功率為零；另一部分是當晶閘管導通時由最大輸出功率P=500W得R=(Udm-E)/Idmax=(101.34-70)/4.933=6.35。 2.3.3最大輸出電流平均值 =(UdM-E)/R=(101.34-70)/6.35=4.935A 2.3.4最大輸出電流有效值 2.3.5流過晶閘管的電流有效值 2.3.6流過晶閘管的電流平均值 2.4晶閘管元件的選取 2.4.1額定電壓UN斷態(tài)重復峰值電壓UDRM：斷態(tài)重復峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。反向重復

8、峰值電壓URRM：反向重復峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)峰值電壓UTM：晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)電壓峰值。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍。不考慮晶閘管通態(tài)峰值電壓UTM和電路中電感引起的換相重疊角。晶閘管承受的最大反向電壓為：故晶閘管的額定電壓為：，取424.2V。 2.4.2額定電流IN通態(tài)平均電流IT（AV）：國際規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許

9、流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是額定電流的參數(shù)。在選取時按照實際波形的電流與晶閘管所允許的最大正弦半波電流（其平均值即通態(tài)平均電流IT（AV）所造成的發(fā)熱效應相等（及有效值相等）的原則來選取晶閘管的此項定額，并留一定的裕量。同樣不考慮晶閘管通態(tài)峰值電壓UTM和電路中電感引起的換相重疊角。晶閘管流過的電流有效值最大為： Idmax=4.933A 晶閘管額定電流為： IN=（1.5 2）Idmax=（7.4 9.866）A,所以取10A晶閘管型號參數(shù)：參數(shù)型號KP5KP10KP20通態(tài)平均電流IT（AV） A51020通態(tài)峰值電壓UTM V222斷態(tài)重復峰值電壓UDRM V1002000

10、反向重復峰值電壓URRM V斷態(tài)重復峰值電流IDRM mA455反向重復峰值電流IRRM mA門極觸發(fā)電壓UGT V2.52.52.5門極觸發(fā)電流IGT mA508080斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt V/us252525斷態(tài)電流臨界上升率di/dt A/us-維持電流IH mA608080工作結(jié)溫Ti -40+125結(jié)殼溫阻R /W31.61推薦散熱器型號SZ13SZ15SZ17根據(jù)額定電壓和額定電流，選取4個KP10。滿足設計要求。3.驅(qū)動電路的設計對于使用晶閘管的電路，在晶閘管陽極加正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加觸發(fā)電壓，使晶閘管在需要導通的時刻可靠導通。驅(qū)動電路亦稱觸發(fā)電路。根據(jù)控

11、制要求決定晶閘管的導通時刻，對變流裝置的輸出功率進行控制。觸發(fā)電路是變流裝置中的一個重要組成部分，變流裝置是否能正常工作，與觸發(fā)電路有直接關系，因此，正確合理地選擇設計觸發(fā)電路及其各項技術(shù)指標是保證晶閘管變流裝置安全，可靠，經(jīng)濟運行的前提。3.1 TCA785芯片介紹 TCA785是德國西門子(Siemens)公司于1988年前后開發(fā)的第三代晶閘管單片移相觸發(fā)集成電路，它是取代TCA780及TCA780D的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其引腳排列與TCA780、TCA780D和國產(chǎn)的KJ785完全相同，因此可以互換。目前，它在國內(nèi)變流行業(yè)中已廣泛應用。與原有的KJ系列或KC系列晶閘管移相觸發(fā)電路相比，它對零點

12、的識別更加可靠，輸出脈沖的齊整度更好，而移相范圍更寬，且由于它輸出脈沖的寬度可人為自由調(diào)節(jié)，所以適用范圍較廣。3.1.1 TCA785引腳排列、各引腳的功能及用法TCA785是雙列直插式16引腳大規(guī)模集成電路。它的引腳排列如圖3.1所示。圖3.1 TCA785的引腳排列各引腳的名稱、功能及用法如下： 引腳16(VS)：電源端。使用中直接接用戶為該集成電路工作提供的工作電源正端。 引腳1(OS)：接地端。應用中與直流電源VS、同步電壓VSYNC及移相控制信號V11的地端相連接。 引腳4(Q1)和2(Q2)：輸出脈沖1與2的非端。該兩端可輸出寬度變化的脈沖信號，其相位互差180°，兩路脈

13、沖的寬度均受非脈沖寬度控制端引腳13(L)的控制。它們的高電平最高幅值為電源電壓VS，允許最大負載電流為10mA。若該兩端輸出脈沖在系統(tǒng)中不用時，電路自身結(jié)構(gòu)允許其開路。 引腳14(Q1)和15(Q2)：輸出脈沖1和2端。該兩端也可輸出寬度變化的脈沖，相位同樣互差180°，脈沖寬度受它們的脈寬控制端引腳12(C12)的控制。兩路脈沖輸出高電平的最高幅值為5VS。 引腳13(L)：非輸出脈沖寬度控制端。該端允許施加電平的范圍為-0.5V5VS，當該端接地時，Q1、Q2為最寬脈沖輸出，而當該端接電源電壓VS時，Q1、Q2為最窄脈沖輸出。 引腳12(C12)：輸出Q1、Q2脈寬控制端。應用

14、中，通過一電容接地，電容C12的電容量范圍為1504700pF，當C12在1501000pF范圍內(nèi)變化時，Q1、Q2輸出脈沖的寬度亦在變化，該兩端輸出窄脈沖的最窄寬度為100s，而輸出寬脈沖的最寬寬度為2000s。引腳11(V11)：輸出脈沖Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流電壓輸入端。應用中，通過輸入電阻接用戶控制電路輸出，當TCA785工作于50Hz，且自身工作電源電壓Vs為15V時，則該電阻的典型值為15k，移相控制電壓V11的有效范圍為0.2VVs-2V，當其在此范圍內(nèi)連續(xù)變化時，輸出脈沖Q1、Q2及Q1，Q2的相位便在整個移相范圍內(nèi)變化，其觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻為：trr=(V11 R9

15、 C10)/(VREF K)式中 R9、C10、VREF分別為連接到TCA785引腳9的電阻、引腳10的電容及引腳8輸出的基準電壓；K常數(shù)。 為降低干擾，應用中引腳11通過0.1F的電容接地，通過2.2F的電容接正電源。 引腳10(C10)：外接鋸齒波電容連接端。C10的實用范圍為500pF1F。該電容的最小充電電流為10A。最大充電電流為1mA，它的大小受連接于引腳9的電阻R9控制，C11兩端鋸齒波的最高峰值為VS-2V，其典型后沿下降時間為80s。 引腳9(R9)：鋸齒波電阻連接端。該端的電阻R9決定著C10的充電電流，其充電電流可按下式計算：I10=VREFK/R9 連接于引腳9的電阻亦

16、決定了引腳10鋸齒波電壓幅度的高低，鋸齒波幅值為： V10=VREFK/(R9 C10) ，電阻R9的應用范圍為3 300k。 引腳8(VREF)：TCA785自身輸出的高穩(wěn)定基準電壓端。負載能力為驅(qū)動10塊CMOS集成電路，隨著TCA785應用的工作電源電壓VS及其輸出脈沖頻率的不同，VREF的變化范圍為2.83.4V，當TCA785應用的工作電源電壓為15V，輸出脈沖頻率為50Hz時，VREF的典型值為3.1V，如用戶電路中不需要應用VREF，則該端可以開路。 引腳7(QZ)和3(QV)：TCA785輸出的兩個邏輯脈沖信號端。其高電平脈沖幅值最大為VS-2V，高電平最大負載能力為10mA。

17、QZ為窄脈沖信號，它的頻率為輸出脈沖Q2與Q1或Q1與Q2的兩倍，是Q1與Q2或Q1與Q2的或信號，QV為寬脈沖信號，它的寬度為移相控制角+180°，它與Q1、Q2或Q1、Q2同步，頻率與Q1、Q2或Q1、Q2相同，該兩邏輯脈沖信號可用來提供給用戶的控制電路作為同步信號或其它用途的信號，不用時可開路。 引腳6(I)：脈沖信號禁止端。該端的作用是封鎖Q1、Q2及Q1、Q2的輸出脈沖，該端通常通過阻值10k的電阻接地或接正電源，允許施加的電壓范圍為-0.5VVS，當該端通過電阻接地，且該端電壓低于2.5V時，則封鎖功能起作用，輸出脈沖被封鎖。而該端通過電阻接正電源，且該端電壓高于4V時，

18、則封鎖功能不起作用。該端允許低電平最大灌電流為0.2mA，高電平最大拉電流為0.8mA。引腳5(VSYNC)：同步電壓輸入端。應用中需對地端接兩個正反向并聯(lián)的限幅二極管，該端吸取的電流為20200A，隨著該端與同步電源之間所接的電阻阻值的不同，同步電壓可以取不同的值，當所接電阻為200k時，同步電壓可直接取AC220V。3.1.2基本設計特點 TCA785的基本設計特點有：能可靠地對同步交流電源的過零點進行識別，因而可方便地用作過零觸發(fā)而構(gòu)成零點開關；它具有寬的應用范圍，可用來觸發(fā)普通晶閘管、快速晶閘管、雙向晶閘管及作為功率晶體管的控制脈沖，故可用于由這些電力電子器件組成的單管斬波、單相半波、

19、半控橋、全控橋或三相半控、全控整流電路及單相或三相逆變系統(tǒng)或其它拓撲結(jié)構(gòu)電路的變流系統(tǒng)；它的輸入、輸出與CMOS及TTL電平兼容，具有較寬的應用電壓范圍和較大的負載驅(qū)動能力，每路可直接輸出250mA的驅(qū)動電流；其電路結(jié)構(gòu)決定了自身鋸齒波電壓的范圍較寬，對環(huán)境溫度的適應性較強，可應用于較寬的環(huán)境溫度范圍(-25+85°C)和工作電源電壓范圍(-0.5+18V)。3.1.3極限參數(shù)電源電壓：+818V或±49V；移相電壓范圍：0.2VVS-2V;輸出脈沖最大寬度：180°；最高工作頻率：10500Hz；高電平脈沖負載電流：400mA；低電平允許最大灌電流：250mA；

20、輸出脈沖高、低電平幅值分別為VS和0.3V；同步電壓隨限流電阻不同可為任意值；最高工作頻率：10500Hz；工作溫度范圍：軍品 -55+125，工業(yè)品 -25+85，民品 0+70。 3.2相控觸發(fā)工作原理及電路原理圖晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求： 觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。觸發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流） 。觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路由單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸

21、發(fā)電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強、溫度補償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應用。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如圖 3.2所示。圖3.2 相控觸發(fā)電路原理圖4.保護電路的設計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)動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護，過電流保護，du/dt保護和di/dt保護也是必不可少的。 4.1過電壓保護電路設計所謂過壓保護，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。 產(chǎn)生過電壓的原因一般由靜電感應、雷擊或突然切斷電感回路電流時電磁感應所引起。其中，對雷擊

22、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，因而，下面介紹單相橋式全控整流主電路的電壓保護方法。 4.1.1直流側(cè)與交流側(cè)過電壓保護采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。 4.1.2晶閘管過電壓保護抑制晶閘管關斷國電與一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路，一般由經(jīng)驗值表確定阻容參數(shù)值。晶閘管額定電流/A102050電容/uF0.10.150.2電阻/1008040 4.2過電流保護電路設計電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時

23、，可能會發(fā)生過電流現(xiàn)象。過電流分載和短路兩種情況。一般電力電子均同時采用幾種過電壓保護措施，怪提高保護的可靠性和合理性。在選擇各種保護措施時應注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器只作為短路時的部分區(qū)斷的保護，直流快速斷路器在電子電力動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器在過載時動作。在選擇快熔時應考慮：1）電壓等級應根據(jù)快熔熔斷后實際承受的電壓來確定。2）電流容量應按照其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定。快熔一般與電力半導體體器件串聯(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。3）快熔的It值應小于被保護器件的允許It值。4）為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應

24、考慮其時間電流特性。快熔對器件的保護方式分為全保護和短保護兩種。全保護是指無論過載還是短路均由快熔進行保護，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕量較大的場合。短路保護方式是指快熔只要短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護作用，此方式需與其他過電流保護措施相配合。熔斷器是最簡單的過電流保護元件，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作用。最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過快熔電流和晶閘管的電流相同，所以對元件的保護作用最好。4.3電流上升率、電壓上升率的抑制保護 4.3.1電流上升率di/dt的抑制晶

25、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0.1mm/s的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，若晶閘管開通時電流上升率di/dt過大，會導致PN結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如下圖4.1所示:圖4.1串聯(lián)電感抑制回路 4.3.2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，嚴重時引起晶閘管誤導通。為抑制dv/dt的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。如圖4.2所示：圖4.2并聯(lián)R-C阻容吸收回路5.MATLAB仿真 5.1系統(tǒng)建模與參數(shù)設置單相全控橋式整流電路模型主要由交流電源、同步觸發(fā)器、晶閘管全橋、電阻-反電動勢負載、測量等部分組成。Matlab