电力电子课程设计.docx
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电力电子课程设计
学号：
课程设计
题目
单相桥式带续流二极管的整流器的设计
学院
专业
班级
姓名
指导教师
2012
年
6
月
23
日
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
____
指导教师：
_____工作单位：
题目:
单相桥式带续流二极管的整流器的设计
初始条件：
1.变压器2次侧220V交流电；
2.采用单相桥电路，电阻，电感，电容，晶闸管，单结晶体管，滑线变阻器自选；
3.负载要求是电感很大阻感负载以及电动机负载
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明撰写等具体要求）
1.设计变流器主电路和相关原理说明；
2.设计出发电路和每个器件触发次序与相位分析；
3.选择合适的保护电路（过电流保护，过电压保护原理分析）；
4.参数设定与计算
5．应用举例；
6.心得体会。
时间安排：
6月18日
查阅资料
6月19日-20日
方案设计
6月21日-22日
馔写电力电子课程设计报告
6月23日
提交报告，答辩
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
引言1
1设计意义及要求2
1.1设计意义2
1.2设计要求2
2主电路的设计3
2.1原理说明3
2.2阻感负载及计算4
2.3电动机负载5
3触发电路的设计6
3.1单结晶体管的工作原理6
3.2触发电路7
4保护电路8
4.1过电压保护8
4.2过电流保护9
5整流电路的意义9
6心得体会10
7参考文献11
引言
电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。
电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。
电力电子技术在实际生活中应用广泛。
比如，优化电能使用。
通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。
改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。
据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。
电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。
电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。
单相桥式带续流二极管的整流器的设计
1设计意义及要求
1.1设计意义
通过此次的课程设计，我们可以巩固和加深自己所学的知识，并将之运用到实践中去，加深自己对电力电子技术的理解。
此次的课程设计，是一次理论与实际结合的真实体验，能让我们亲身体会到理论与实际的差距，也能让我们发现自身的不足，促使我们在日后的学习中，除了认真学好理论知识外，还应经常独立思考，加强实践，为以后走出学校，走入社会做更充足的准备。
1.2设计要求
1）设计变流器主电路和相关原理说明；
2）设计触发电路和每个器件触发次序与相位分析；
3）选择合适的保护电路（过电流保护，过电压保护原理分析）；
4）参数设定与计算
5）应用举例；
6）心得体会。
2主电路的设计
2.1原理说明
如图2-1为单相桥式带续流二极管阻感负载整流电路。
其中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。
在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，VT1,VT4串联承受电压u2,设两晶闸管漏电阻相等，则各承受u2电压的一半。
若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，则VT1和VT4导通，电流从电源a端经VT1,R,VT4流回电源b端，负载电压为正。
当u2过零时，流进晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。
在u2负半周，仍在触发角α处给VT2和VT3触发信号，则VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3，R,VT2流回电源a端，负载电压仍为正，当u2过零时，流进晶闸管VT2和VT3的电流也降到零，VT2和VT3关断。
因此，无论在u2的正半周还是负半周，负载输出皆为正，于是达到整流的目的。
本来无须用续流二极管，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。
但为了扩大移相范围，使Ud波形不出现负值且输出电流更加平稳，在负载两端并接续流二极管,接续流管后，α的移相范围可扩大到0～π。
α在这区间内变化，只要电感量足够大，输出电流Id就可保持连续且平稳。
图2-1单相桥式带续流二极管阻感负载整流电路图
2.2阻感负载及计算
负载同时接电阻和电感的情况，称为阻感性负载。
例如各种电机的励磁绕组,整流输出端接有平波电抗器的负载等等。
因为电感具有储能的作用,且储能不能突变，因此电感中的电流不能发生突变,即电感具有阻碍电流变化的作用。
当流过电感中的电流变化时,在电感两端将产生感应电动势,引起电压降UL
在u2的正半周，α时刻给VT1和VT4触发信号，则VT1和VT4导通，电流从电源a端经VT1,R,VT4流回电源b端，负载电压为正。
在电源电压u2过零变负时，续流管承受正向电压而导通，晶闸管承受反向电压被关断。
电流将在续流二极管，电阻，电感之间形成一条回路。
忽略器件的压降，此时输出ud为零。
在u2负半周，仍在触发角α处给VT2和VT3触发信号，则VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3，R,VT2流回电源a端，负载电压仍为正，同理，在电源电压u2过零变负时，输出ud为零。
负载中电感量大小的不同将会影响整流电路的工作情况及输出Ud、id的波形。
当负载电感量L较小时，负载上的电流不连续；当电感L增大时，负载上的电流不连续的可能性就会减小，电感越大，其输出的电流越接近直线。
理想情况下要求电感无穷大，这时大电感阻碍电流变化的效果非常明显，负载电流连续，可看作一条水平直线。
单相全控桥式整流电路接续流管后，α的移相范围可扩大到0～π。
α在这区间内变化，只要电感量足够大，输出电流id就可保持连续且平稳。
图2-2为单相桥式带续流二极管阻感负载时的波形。
图2-2单相桥式带续流二极管阻感负载时的波形
由题要求，变压器二次侧电压220V，电感L极大，设负载为R=1Ω，触发角α=60°则由Ud=0.9U2*（1+COSα）/2=148.5V，Id=Ud/R=1A。
2.3电动机负载
电动机负载即反电动势负载。
图2-3为单相桥式带续流二极管反电动势负载时的电路图。
图2-3单相桥式带续流二极管反电动势负载电路图
如图所示，单相桥式全控整流电路接反电动势负载在|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。
导通之后Ud=U2.此时有Id=（Ud-E）/R。
直至|u2|=E，id即降至0,使得晶闸管关断，此后ud=E。
与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角。
在α角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。
波形图如图2-4所示。
Id
Id
图2-4单相桥式带续流二极管反电动势负载波形图
3触发电路的设计
3.1单结晶体管的工作原理
单结晶体管原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，由图3-1单结晶体管的伏安特性知，
（1）当Ve〈ηVbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。
（2）当Ve≥ηVbb+VDVD为二极管正向压降（约为0.7V），PN结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。
管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对应的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Ip和峰点电流Ip。
Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然Vp=ηVbb。
（3）随着发射极电流Ie的不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不再下降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压Vv和谷点电流Iv。
（4）过了V后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢的上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ve〈Vv，管子重新截止。
图3-1单结晶体管的伏安特性
3.2触发电路
由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。
他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图如图3-2（a）所示。
利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。
从图3-2（a）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路径R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压ue=uc按指数规律上升。
Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。
电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。
随着电容C放电，电压Ue小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。
在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us，如图3-2（b）所示，其震荡频率为f=1/T=1/ReCLn（1/1-η）
移向控制。
当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角α增大，实现了移相。
脉冲输出。
触发脉冲ug由Ｒ1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。
对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。
所以一般采用脉冲变压器输出。
同步电源。
步电压又变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。
同步电压经桥式整流、稳压管DZ削波为梯形波uDZ,而削波后的最大值UZ既是同步信号,又是触发电路电源。
当UDZ过零时,电容C经e-b1、R1迅速放电到零电压。
这就是说,每半周开始,电容C都从零开始充电,进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻（即控制角α）一致,实现同步。
图3-2为单结晶体管触发电路及波形。
图3-2单结晶体管触发电路及波形
4保护电路
电力电子系统在发生故障时可能会发生过流、过压，造成开关器件的永久性损坏。
过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。
检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。
检测系统电源输入、输出及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。
4.1过电压保护
设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。
同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。
过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。
过压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。
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。
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。
4.2过电流保护
当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。
因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。
采用快速熔断器作过电流保护。
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，这里就应用这一方法快熔抑制过电流。
对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。
5整流电路的意义
整流电路把交流电能转换为直流电能的电路。
大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。
它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。
在实际生活中，应用也非常广泛。
例如，家用电器中大部分都有用到，比如电视机里面的交变直流电路，就是用4个二极管来整流的。
电磁灶里面有,手机充电器里也有，有的是半波整流的。
6心得体会
通过这个学期对电力电子课程的的学习，我对电力电子技术这一以后会经常接触的现代化技术有了更深的认识。
此次课设，使我加深了对电力电子基础知识的印象，通过老师的帮助与上网和在图书馆中查找资料，丰富了我对这一门学科的认识，同时也让我了解到如何将这门学科应用到实际生活中去。
相信在这次课设学到的东西会对未来的工作起到很大的作用。
此外在此次课设中暴露了我单独处理问题的能力有所欠缺，在以后的学习中我会尽力克服这种缺陷当好合格的大学生。
总之，这次的课设，辛苦多多，收获多多。
我需要学习的地方也很多。
这次的经验，会让我日后更加注重实际能力的培养，让自己的羽翼更加丰满。
7参考文献
[1]王兆安、刘进军.电力电子技术（第五版），机械工业出版社，2009
[2]黄俊.半导体变流技术（第二版）,北京机械工业出版社，1980
[3]叶斌.电力电子应用技术及装置,中国铁道出版社，1999
[4]王维平.现代电力电子技术及其应用,东南大学出版社，2000
[5]浣喜明、姚为正.电力电子技术，北京高等教育出版社，2004
[6]莫正康.半导体变流技术，北京机械工业出版社，1999
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
单相桥式带续流二极管的整流器的设计
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
序号
评定项目
评分成绩
1
选题合理、目的明确（10分）
2
设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）
3
设计结果可信（例如：
系统建模、求解，仿真结果）（25分）
4
态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）
5
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）
6
答辩（20分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
升级会员 