小功率晶闸管整流电路.docx
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小功率晶闸管整流电路
课程设计内容
本课程设计的内容是利用所学过的《电力电子技术》课程的相关理论知识和给定设计指标（具体设计参数见设计任务书），设计一个满足性能要求的小功率电力电子电路。
具体应包括以下内容：
1.根据设计要求确定电气系统方案；
2.绘制系统框图和电气原理草图；
3.主电路参数计算和元器件选择；
4.系统保护环节设计；
5.触发电路选择和校验；
6.绘制系统电气原理总图，列出元器件明细表；
7.完成设计报告；
8.对设计进行全面总结
§2-1设计方案的确定
设计一个电力电子变流装置（电路），必需满足用户要求，首先要考虑技术性能指标；第二是经济指标；第三是先进性、合理性和可行性。
因此，为使一个控制系统设计确保技术指标先进、合理，经济指标良好，又为今后的发展和进一步技术改造留有余地，就必须对设备的使用条件，被控制设备的工艺要求进行充分调研，搜集与设计有关的技术资料，了解国内外同类产品的技术水平和发展趋势，然后对系统设计的总体方案进行必要的比较和论证，使之变成一个可以付诸实施的技术方案。
一、对电气控制系统的技术要求
①输出一定的直流电压和电流。
②输出电压的脉动指标在允许范围内。
③具有自动稳压功能和一定的稳压精度。
④对调速系统应有静态技术指标和动态技术指标的要求。
静态技术指标是指系统的调速范围D和静差率s。
不同的生产机械要求也不同，表2-1给出了常见生产机械的静态调速指标。
表2-1几种常见生产机械的静态调速指标
调速系统的动态指标是指系统在稳定的前提下，对阶跃给定信号的跟随性能指标和在扰动信号作用下的抗扰动性能指标，如超调量、过渡过程时间、动态速降及振荡次数等。
此外，在设计一个实际系统时，还要考虑系统的可靠性、使用寿命、工作环境以及尽量做到体积小、重量轻、外形美观、使用维护方便等。
二、直流电动机选择
设计一个电力拖动系统时，需要根据被控对象的特点和技术要求，合理选择电动机。
1.电动机类型的选择
要根据负载性质来选定。
对起动、制动及调速有较高要求的生产机械，宜选用直流他励电动机；而需要较大起动转矩和恒功率调速的机械（如电车、蓄电池车、牵引机械等）常用直流串励电动机或直流积复励电动机。
2.电动机容量的选择
要根据生产机械的负载功率、电力拖动系统的运行情况（连续、断续、短时）、电动机发热是否超过允许的温升限度、电动机的过载能力和起动转矩是否满足要求进行选择。
常用的有两种方法，一种是分析计算法，即按照生产机械的功率、工作情况，预选一台电动机，然后按照电动机的实际负载情况作出负载图，根据负载图进行发热校验以及过载能力校验，从而确定预选电动机是否合格，直至合格为止。
另一种是调查统计类比法。
它是在调查研究了经过长期运行的同类生产机械的电动机容量后，然后通过对主要参量、工作条件类比的方法来确定电动机容量。
3.电动机转速的选择
直流电动机的最高转速应与生产机械的最高转速相适应，同时还应考虑调速方式，即减压调速还是调磁调速，以便充分利用电动机功率。
4.电动机结构型式的选择
在正常环境条件下，可采用防护式电动机；在空气中有较多粉尘的场所，宜用封闭式电动机；在湿热带地区或比较潮湿的场所，应选用湿热带型电动机；在露天场所，宜用户外电动机；在高温车间，应选用绝缘等级与周围环境相适应的电动机；在有爆炸危险的场所，应选用防爆型电动机；在有腐蚀性气体或游离物的场所，应选用防腐式电动机。
除上述四点外，还应考虑直流电动机的额定电压（如11OV、220V、440V等），是单端出轴还是两端出轴，是立式安装还是卧式安装，电动机转速较高时还应考虑机械减速装置等，这些都必须在设计时根据具体条件，经过经济核算，合理地选择电动机。
三、主电路的选择
一般说来，对于晶闸管整流装置在整流器功率很小时（4KW以下），用单相整流电路，功率较大时用三相整流电路。
在单相整流电路中，全波电路比半波电路脉动成分小，滤波容易。
所以，全波电路比半波电路用得多，但对脉动要求不高的场合（如小型充电机）也可采用半波整流电路。
在全波电路里，单相桥式电路比双半波电路具有变压器利用率高、加在器件上的反向电压低等优点，因此多采用单相桥式整流电路。
在需要有源逆变的场合应采用单相全控桥式整流电路。
双半波整流电路由于使用的整流器件少，在电压不高的小功率电路中也被采用。
在三相整流电路中，三相零式电路突出的优点是电路简单，用的晶闸管少，触发器也少，对需要220V电压的用电设备直接用380V电网供电，而不需要另设整流变压器。
但缺点是要求晶闸管耐压高，整流输出电压脉动大，需要平波电抗器容量大，电源变压器二次电流中有直流分量，增加了发热和损耗。
因零线流过负载电流，在零线截面小时压降大，往往需要从变压器单独敷设零线。
而三相桥式整流电路，在输出整流电压相同时，电源相电压可较零式整流电路小一半，因此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求。
变压器二次绕组电流中没有直流分量，利用率高。
输出整流电压脉动小，所以平波电抗器容量就可小一些。
三相桥式整流电路的缺点是整流器件用得多，全控桥需要六个触发电路，需要220V电压的设备也不能用380V电网直接供电，而要用整流变压器。
三相半控桥式整流电路，虽然只用三只晶闸管、三个触发电路，但整流输出电压脉动大，且不能用于需要有源逆变的场合，故在要求较高的场合还应选择三相全控桥式整流电路。
在需要低电压大电流供电的场合（如电解、电镀），可采用带平衡电抗器的双反星形晶闸管整流电路。
对于特大功率的整流装置（数千千瓦），为了减轻对电网的干扰，特别是减轻整流装置对电网的影响，可采用12相及12相以上的多相整流电路。
对于电动机可逆运行系统，根据容量不同可选择不同的可逆运行方案。
4KW以下的小容量直流电动机，可采用接触器实现反转的电枢可逆系统。
容量较大的电动机，可采用两套反并联结或交叉联结的晶闸管整流装置来实现电枢反接的可逆系统。
在可逆系统中多采用容量对称两套晶闸管装置实现。
只有在电动机正反向负载电流相差十分悬殊的场合，需要根据正反两个方向实际负载电流大小分别选择两套整流装置的容量，这对大系统来说可以达到节省投资的目的。
对于磁场可逆方案，其优点就是磁场回路可用两套小容量晶闸管整流装置供电，可节省投资。
其缺点是控制电路复杂，过渡过程时间长，电动机换向条件恶化，因此只适用于大容量系统和对快速性要求不高的场合。
四、触发电路的选择
晶闸管的门极电压又叫触发电压，产生触发信号的电路叫触发电路。
触发电路性能的好坏，直接影响到系统工作的可靠性。
因此触发电路必须保证迅速、准确、可靠地送出脉冲。
为达到这个目的，正确选用或设计触发电路是非常重要的，一个触发电路性能的优劣常用下列几点来衡量：
1．触发脉冲必须保持与主电路的交流电源同步，以保证每个周期都在相同的延迟角α处触发导通晶闸管。
2．触发脉冲应能在一定的范围内移相。
对于不同的主电路要求的移相范围也不同。
例如对于三相半波电路、电阻性负载，要求的移相范围为0°～150°；大电感负载（电流连续），只要求整流，则移相范围为
0°～90°；如既要求整流又要逆变，则为30°～150°；三相全控桥式电路，电阻负载时为0°～120°，既要整流又要逆变时，其移相范围为30°～150°，为保证逆变可靠，对最小逆变角βmin应加以限制；三相半控桥式电路，移相范围为0°～180°。
3．触发信号应有足够的功率（电压与电流）。
为使所有合格的器件在各种可能的工作条件下都能可靠触发，触发电路送出的触发电压和电流，必须大于器件门极规定的触发电压UGT与触发电流IGT。
例如KP50就要求触发电压不小于3.5V，电流不小于l00mA；KP200则要求触发电压不小于4V，电流不小于200mA。
故触发电压在4V以上、1OV以下为宜，这样就能保证任何一个合格的器件换上去都能正常工作。
在触发信号为脉冲形式时，只要触发功率不超过规定值，触发电压、电流的幅值在短时间内可大大超过额定值。
4．不该触发时，触发电路的漏电压应小于0.15～0.2V，以防误触发。
5．触发脉冲的上升前沿要陡。
否则，因温度、电源电压等因素变化时将造成晶闸管的触发时间不准确。
设脉冲的幅值为Um，脉冲前沿是指由0.1Um上升到0.9Um所需要的时间，一般要在10μs以内为宜。
6．触发脉冲应有一定的宽度。
一般晶闸管的开通时间为6μs左右，故触发脉冲的宽度至少应在6μs以上，最好应有20～50μs。
对于电感负载，触发脉冲的宽度应加大，否则在脉冲终止时主电路电流还上升不到晶闸管的擎住电流，则晶闸管又重新关断。
因此脉冲宽度不应小于100μs，最好达到1ms，相当于5OHz正弦波的18°，对于三相桥式全控整流电路，若采用宽脉冲触发，则脉冲宽度应大于60°，一般设计成90°（5ms），对于较宽的触发信号也可用脉冲列的形式代替。
图2-1表示常用的三种触发脉冲波形。
图2-1三种常用触发脉冲波形图2-2强触发脉冲波形
在功率较大的系统中，或者主回路有电容放电以及晶闸管串、并联使用的场合，均可能造成通过晶闸管的电流上升率di/dt过高，若导通面积的扩展速度不够快时，将引起局部结温过高而损坏器件。
提高门极电流的电平和前沿陡度，能够有效地提高导通面积的扩展速度，提高器件承受di/dt的能力。
因此在晶闸管电流上升率di/dt较大的场合，必须采用强触发。
强触发脉冲的幅值Igm可取最大触发电流IG的5倍，前沿宽度t1在几微秒以内，强触发脉冲宽度t2应大于5Oμs（但也不能太大，以防超过门极允许功率），脉冲持续时间t3应大于550μs（如图2-2）。
晶闸管的触发电路种类很多，表2-2列出了几种常用的触发电路类型、优缺点和适用范围，可供设计时参考。
触发电路名称
优点
缺点
适用范围
阻容移相桥
触发电路
结构简单、成本低、工作可靠、调节方便
触发电压为正弦波，上升前措不陡，受电网波动影响大，触发准确性与可靠性差，由于不是脉冲触发，门极电流大，增加了晶闸管损耗，而且调节范围也受到限制
仅适用于小功率晶闸管整流装置，且控制精度要求低的场合
单结晶体管
触发电路
电路简单、成本低、触发脉冲前沿陡，工作可靠、抗干扰能力强，易于调试
脉冲宽度窄，输出功率小，控制线性度差，移相范围一般小于
180°。
电路参数差异大，在多相电路中使用不易一致
不附加放大环节，可触发5OA以下的晶闸管，常用于要求不高的小功率单相或三相半波电路中，但在大电感负载中不易采用
用小晶闸管放
大脉冲功率的
触发电路
电路简单、可靠，触发功率大，可获得宽脉冲
需要单结晶体管电路触发小晶闸管、用的器件相应增多
用于触发大功率晶闸管或多只晶闸管串并联的场合
正弦波同步
触发路
触发电路简单，易于调整，能输出宽脉冲，直流输出电压Ud与控制电压Uc为线性关系，能部分补偿电网电压波动对输出电压的影响。
在引入正反馈时，脉冲前沿陡度可提高
由于同步信号为正弦波，故受电网电压的波动及干扰影响大，实际移相范围只有150°左右
不适用于电网电压波动较大的场合。
可用于功率较大的晶闸管装置中
锯齿波同步
触发电路
不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，移相范围宽。
具有强触发、双脉冲和脉冲封锁等环节，可触发20OA的晶闸管
整流输出电压Ud与控制电压Uc间不是线性关系，电路比较复杂
在大中容量晶闸管装置中得到广泛的应用
集成触发电路
体积小、功耗低、调试方便、性能稳定可靠
移相范围小于180°，为保证触发脉冲对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%
广泛应用于各种晶闸管装置中
数字式触发电路
触发准确、精度高
线路复杂、成本高
用于要求较高的场合
表2-2常用触发电路比较表
五、保护电路的设置
晶闸管有许多优点，但是它承受过电压和过电流的能力很差，短时间过压过流就会使器件损坏。
晶闸管能承受电压和电流上升率是有一定限制的，当电流上升率过大时，会使器件局部烧穿而损坏。
当电压上升率太大时，又会导致晶闸管误导通，使运行不正常。
为了使器件可靠地长期运行，除了合理选择晶闸管外，还必须针对过电压和过电流采取恰当的保护措施。
所谓过电压，就是指超过整流电路正常工作时的最大峰值电压，分操作和浪涌过电压两种。
操作过电压是指晶闸管装置拉闸、合闸和晶闸管关断等电磁过程引起的过电压。
浪涌过电压是由于雷击等原因从电网侵入的偶然性过电压。
阻容吸收装置可将操作过电压抑制在规定范围之内，但对浪涌过电压不能有效的抑制，还需设置非线性电阻元件来吸收浪涌过电压。
目前常用的非线性电阻元件有硒堆和压敏电阻两种。
压敏电阻是一种新型的过电压保护元件，是由氧化锌、氧化锡等烧结制成。
压敏电阻具有很陡的正反向对称的稳压管特性，平时漏电流很小（微安级），而放电时可通过高达数千安的冲击电流，抑制过电压的能力很强。
对浪涌过电压反应快，而且本身体积小，是一种较好的过电压保护元件，目前已基本取代硒堆。
晶闸管装置在运行时，有可能产生过电流。
其原因可能是生产机械过载、输出端短路、某一器件被击穿短路、器件误触发或逆变失败等。
如不采取措施就会烧毁晶闸管，影响电路的正常工作。
常用的过电流保护措施有如图2-3所示的几种：
图2-3过电流保护措施
1．在交流侧串入电抗器（图2-3中的A）或采用漏抗较大的变压器可以有效地限制短路电流，从而限制了晶闸管中的电流。
但在负载电流较大时会产生较大的电压降。
2．在控制电路中设置电流调节器或电流截止反馈环节，把过电流限制在一定的数值之内。
或用拉入逆变的方法，使整流器转为逆变状态工作，把整流电路中的能量回送到电网，使故障电流迅速下降。
3．采用过电流继电器和断路器的方法。
可在交流侧经过电流互感器接入过电流继电器（图2-3中的B）或者在直流侧接入过电流继电器（图2-3中的F）。
当发生过电流故障时，过电流继电器动作，引起交流输入端的断路器跳闸。
由于过电流继电器和断路器的动作时间需几百毫秒，故只保护过载电流。
4．用直流快速断路器作过电流保护（图2-3中的G）。
直流快速断路器的动作时间仅有2ms，全部断孤时间不超过25～30ms，是目前较好的直流侧过电流保护装置，多用于大容量系统中。
5．采用快速熔断器作过电流保护（图2-3中的C、D、E）。
快速熔断器有较好的快速熔断特性，其熔断时间一般都小于1Oms，一旦发生过电流可及时熔断，保护晶闸管。
在设计晶闸管装置过电流保护环节时，可根据需要选择其中一种或几种进行过电流保护。
此外，由于电路中电感的存在，器件关断时易产生过电压和大的du/dt，给器件安全运行带来威胁。
同时在器件开通时又可能产生过大的di/dt而烧毁器件。
为此，设置缓冲保护电路是必要的。
缓冲保护电路各不相同，经常采用的方法是利用串联电感来限制dt/dt，利用并联电容来抑制过电压和du/dt。
§2-2主电路计算
一、晶闸管整流主电路计算
主电路计算所包含的具体内容是：
①整流变压器额定参数计算。
②整流元件的计算与选择。
③晶闸管保护电路的计算。
④电抗器的参数计算。
（一）整流变压器额定参数的计算
一般情况下，整流装置所要求的交流供电电压与电网电压不一致，因此需要使用整流变压器。
此外，整流变压器还可减小电网和整流装置的相互干扰。
已知条件：
①一次电压；②整流电路接线方式和负载性质；③整流输出电压和电流。
计算参数：
①二次相电压U2和相电流I2；②一次相电流I1；③一次侧容量S1、二次侧容量S2和平均容量S。
1.U2的计算
U2是一个重要参数，选择过低，无法保证输出额定电压。
选择过高，又会造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。
一般可按下式计算，即：
式中：
Udmax——整流电路输出电压最大值；
nUT——主电路电流回路n个晶闸管正向压降；
C——线路接线方式系数，见附录一；
Ush——变压器的短路比，对10～100KV·A变压器，Ush=0.05～0.l；
I2/I2N——变压器二次实际工作电流与额定电流之比，应取最
大值。
在要求不高的场合或近似估算时，用下式计算则更加方便，即：
式中A——理想情况下，α=0°时整流电压Udo与二次电压U2之比，即A=Udo/U2，见附录一；
B——延迟角为α时，输出电压Ud与Udo之比，即B=Ud/Udo，见附录一，α考虑10°裕量，B=cosα=cos10°=0.985；
ε——电网波动系数，通常取ε=0.9
l～1.2——考虑各种因素的安全系数。
2.二次相电流I2和一次相电流I1
I1=KI1Id/K
I2=KI2Id
式中K——变压器变比；
KI1、KI2——由附录一选取，对于三相全控桥KI1=KI2=0.816；
K=N1/N2——变压器一次与二次匝数比。
考虑变压器的励磁电流时，I1应乘以1.05左右的系数。
3.变压器的容量计算
S1=m1U1I1
S2=m2U2I2
S=1/2（S1+S2）
式中m1、m2——一次侧、二次侧绕组的相数，对不同接线方式可由附录一查得。
在已知整流功率Pd=UdId的情况下，也可应用附录一中的容量比值对变压器进行计算。
（二）整流元件的选择
晶闸管和整流管的选择主要指合理地选择器件的额定电压和电流。
1.晶闸管的额定电压
在已知U2的条件下，由根据晶闸管实际承受的最大峰值电压UTm，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压UTN。
即：
UTN=（2～3）UTm
2.晶闸管的额定电流
选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值ITN大于实际流过管子电流最大有效值IT，即：
或
考虑（1.5～2）倍的裕量
IT（AV）=（1.5～2）KId
式中K=IT/（1.57Id）——电流计算系数，可查表得，对三相全控桥，K=0.367。
选择K值时应注意负载的性质，除恒流负载应按αmax来选择外，其它均以αmin来选择。
整流二极管的选择与计算和晶闸管相同，故可参照晶闸管的选择与计算方法进行，这里不再重述。
此外，还需注意以下几点:
1当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。
2当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。
③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。
目前由于品闸管元件制造工艺水平不断改进，元件的耐压和电流容量都有较大提高，对于中、小功率品闸管整流装置来说，采用品闸管串且并联情况已逐步减少，故这里不再介绍串、并联问题。
如果设计者采用串、并联方式，一定要注意晶闸管元件串联时的均压问题和并联时的均流问题，相关内容请参考教材。
（三）晶闸管保护环节的设计与计算
1.过电压保护
设计要求:
①把操作过电压抑制在元件额定电压UTN以下；②把浪涌过电压抑制在元件的断态和反向不重复峰值电压UDSM和URSM以下。
以过电压保护部位来分，有交流侧过电压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。
（1）交流侧过电压保护措施
1）阻容保护
即在变压器二次并联电阻R和电容C进行保护，各种接线方式如图2-4所示。
图2-4阻容保护的接法
a）单相b）三相变压器二次侧Y联结，阻容保护Y联结c）三相变压器二次侧Y联结，阻容保护D联结
对于三相电路，如图2-4b）、c）中R和C的数值可按表2-3进行换算。
表2-3变压器和阻容装置不同接法时电阻和电容的数值
变压器接法
单相
三相、二次Y联结
三相、二次D联结
阻容装置接法
与变压器
二次侧并联
Y联结
D联结
Y联结
D联结
电容
C
C
1/3C
3C
C
电阻
R
R
3R
1/3R
R
对于大容量的晶闸管装置，三相阻容保护装置比较庞大，这时，可以采用图2-5所示的整流式接法。
虽然多了一个三相整流桥，但只用了一个电解电容，从而可以减小了保护装置的体积。
图2-5三相整流式阻容保护的接法
电容C的选择与图2-4中单相电路电容的计算方法相同，耐压值应大于
1.5倍交流线电压的峰值。
Rc、R的数值可按下式计算，单位为Ω。
在电阻R中，平时几乎没有电流，只在过电压时流过瞬时电流，所以电阻R的功率可以不必专门考虑，一般可取4～lOW。
2）非线性元件保护
阻容吸收保护简单可靠，应用较广泛，但会发生雷击或从电网侵入很大的浪涌电压，对于这种能量较大的过电压就不能完全抑制。
根据稳压管的稳压原理，目前较多采用非线性元件吸收装置，接入整流变压器二次侧，以吸收较大的过电压能量。
常用的非线性元件有硒堆和压敏电阻等。
1硒堆
通常用的硒堆就是成组串联的硒整流片。
单相时用两组对接后再与电源、并联，三相时用三组对接成Y形或用六组接成△形，如图2-6所示。
图2-6硒堆保护的接法
a）单相b）三相Y接c）三相△接
当电源电压正负交变时，总有一组晒堆处在反向受压状态。
在正常工作情况下，受反压的硒堆工作在伏安特性（如图2-7）的A点，漏电流很小。
B点对应的电压UB是阻容保护装置限制的操作过电压峰值，硒片允许最大反向电流密度（2.5～4）mA/cm2，这时一切都正常。
在阻容保护装置抑制过电压的同时，硒堆也能吸收掉一部分变压器磁场释放出来的能量。
当出现异常的浪涌电压时，硒堆工作点继续上升到C点，造成硒片击穿，如同电源经硒堆作瞬时的短路，硒堆吸收浪涌的能量，从而限制了过电压的数值。
硒片由于面积较大，击穿时只是烧焦几点，待浪涌电压消失后，整个硒片仍能恢复正常，继续起过电压保护作用。
图2-7硒堆伏安持性及其保护作用
UA——正常电压峰值UB——操作过电压峰值
IB——硒片允许最大反向电流Uc——击穿电压
每片硒片的额定反向电压有效值可由产品目录查得，一般为20～3OV。
考虑到电网电压的可能升高和硒片特性的分散性，通常用（1.1～1.3）倍的正常工作线电压U2l除以每片额定电压，即得每组所需硒片数。
硒片的面积有16×16、22×22、40×40、60×60、100×100mm2等规格，可根据装置来选用。
通常1OKW以下用16×16、22×22mm2的晒片，20～3OKW可用40×40mm2的，30～100KW采用60×60mm2的硒片。
采用硒堆保护的优点是它能吸收较大的浪涌能量，缺点是硒堆的体积大，反向伏安特性不陡，并且长期放置不用会产生“贮存老化”，即正向电阻增大，反向电阻降低，性能变坏，失去效用。
使用前必须先经过“化成”，才能复原。
“化成”的方法是：
先加50%的额定交流电压10分钟，再加额定交流电压2小时。
由此可见，硒堆并不是一种理想的保护元件。
2压敏电阻
金属氧化物压敏电阻是近几年发展的一种新型过电压保护元件。
它是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，在每一颗氧化锌晶粒外面裹着一层薄的氧化铋，构成类似硅稳压管的半导体结构，具有正反向都很陡的稳压特性，其伏安特性如图2-8所示。
图2-8压敏电阻的伏安特性
正常工作时压敏电阻没有击穿，漏电流极小（μA级），故损耗小；遇到尖峰过电压时，可通过高达数千安培的放电电流，因此抑制过电压的能力强。
此外还具有反应快、体积小、价格便宜等优点，是一种较理
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