电力电子课程设计.docx
《电力电子课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子课程设计.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电力电子课程设计
电力电子技术课程设计
题目:
单相交流调压电路（反并联）设计（纯电阻负载）
院系名称：
电气工程学院专业班级：
电气F1202
学生姓名：
任永帅学号：
201223911404
指导教师：
苏宝平教师职称：
副教授
评语及成绩：
指导教师：
日期：
目录
1系统概述..........................................................2
1.1设计目的.........................................................2
1.2要实现的目标.....................................................2
2方案选择...........................................................2
3主电路的设计、主要元件功能说明及功能模块............................2
3.1主电路的设计......................................................2
3.2主要元器件说明....................................................3
3.2.1晶闸管简介......................................................3
3.2.2晶闸管的工作原理................................................3
3.3功能模块..........................................................6
4控制电路的设计......................................................6
4.1触发信号的种类....................................................6
4.1.1直流信号........................................................6
4.1.2交流信号........................................................7
4.1.3脉冲信号.........................................................7
4.2触发电路的要求.....................................................7
4.3采用KC05移相触发器进行触发电路的设计..............................7
5参数计算与元器件选择.................................................8
6元器件清单...........................................................9
7总电路图.............................................................10
设计心得...............................................................11
参考文献...............................................................12
1系统概述
1.1设计目的
电力电子技术是专业技术基础课，做课程设计是为了让我们运用学过的电路原理的知识，独立进行查找资料，选择方案，设计电路，撰写报告，制作电路等，进一步加深对变流电路基本原理的理解，提高运用基本技能的能力，为今后的学习和工作打下良好的基础，同时也锻炼了自己的实践能力。
1.2要实现的目标
（1）电源电压交流：
100V/50HZ
（2）输出功率：
500W
（3）移相范围;0~180°
2方案选择
采用电阻性负载，电路由电阻和两个反并联晶闸管组成，负载电压有效值为Uo=
=U1
式中，U1为输入交流电压的有效值。
可以看出，随着
角的增大，Uo逐渐减小。
当
=
时，Uo=0因此，单相交流调压器对于电压负载，其电压可调范围为0~U1，控制角
移相范围为0~
。
负载电流基波和各次谐波有效值是随着谐波次数n的增加，谐波含量减小。
3主电路的设计、主要元件功能说明及功能模块
3.1主电路的设计
电路采用单相交流调压器带电阻负载时的电路图如图3.1所示，在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管T1和T2相连。
图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。
在交流电源U1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角α进行控制就可以调节输出电压。
正负半周α起始时刻（α=0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的α相等。
可以看出，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同，因此通过触发延迟角α的变化就可实现输出电压的控制。
3.1单相交流调压主电路图及波形图
3.2主要元器件说明
3.2.1晶闸管简介
晶闸管是晶闸整流管的简称。
当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。
当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。
晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。
若使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
所以晶闸管是一种半控型器件。
3.2.2晶闸管的工作原理
通过理论分析和实验验证标明：
（1）只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者缺一不可。
（2）晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的正向脉冲电压即可，脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负载性质有关。
这个脉冲常称之为触发脉冲。
（3）要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降到某一数值之下（约几十毫安）。
这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。
这个能保持晶闸管导通的最小电流成为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。
晶闸管为什么会与以上导通和关断特性，这与晶闸管内部发生的物理过程有关。
其内部结构如图3-3所示 。
图 3.2晶闸管的等效复合三极管效应
可以看出，两个晶闸管连接的特点是一个晶闸管的集电极电流就是另一个晶体管的基极电流，当有足够的门极电流流入时，两个相互符合的晶体管电路就会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的导通。
如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管均处于反压状态，无论有无门极电流，晶闸管都不能导通。
晶闸管的基本特性：
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。
这里指阳极伏安特性和门极伏安特性。
（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与阳极之间的电流之间的关系曲线。
如图3-4所示。
图 3.3晶闸管阳极伏安特性
（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结上正向的门极电压与门极电流之间的关系。
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电表所有元件的门极伏安特性。
如图3-5阴影部分所示。
图3.4 晶闸管门极伏安特性
2.动态特性
晶闸管常用于低频的相控电力电子电路中，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，需要严格的考虑晶闸管的开关特效，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，如图3-6给出了晶闸管的开通特性。
在晶闸管处于正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于奖章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。
延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间，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。
图 3.5 晶闸管的开关特性
（2）关断特性
通过采用外加反压的方法将己导通的晶闸管关断。
反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。
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，使元件对正向压阳极电压恢复阻断能力。
突加反向阳极电压后，由于外嗲了电感的存在，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，反向电流达到最大值后，在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。
3.3功能模块
输入交流电压，通过主电路的控制交流输出，驱动电路控制电力电子器件的通断。
原理框图如图3.2所示：
3.6单相交流调压电路功能模块图
4控制电路的设计
4.1触发信号的种类
晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：
第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当正向电压、电流信号（触发信号）。
门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。
4.1.1直流信号
在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通。
这种触发方式在实际中应用极少。
因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。
若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗；在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损坏。
4.1.2交流信号
在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压Uc=Ut时，晶闸管导通。
Ut是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变UO值，可改变触发延迟角α。
这种触发形式也存在许多缺点，如：
在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定，可通过交流电压UO值来调节，调节的变化范围较小（00≤α≤900）。
4.1.3脉冲信号
在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。
因此，触发信号多采用脉冲形式。
4.2触发电路的要求
晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要要的时刻有阻断转为导通。
晶闸管触发电路应满足下列要求：
（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，对反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发；
（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增加为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也许增加，一般需达1-2A/us；
（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；
（4）应有的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
4.3采用KC05移相触发器进行触发电路的设计
KCO5可控硅移相触发器适用于双向可控硅或两只反向并联可控硅的交流相位控制。
KC05引脚图如图4.1所示
4.1KC05芯片引脚图
4.2触发电路图
5参数计算与元器件选择
1）单相交流调压变流器参数设定:
要求触发角为
=
输入交流U1=100V。
电阻R=18
。
2）单相交流调压变流器电路分析：
在单相交流调压电路原理图中，晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。
在交流电源U2的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。
正负半周起始时刻（
=0）均为电压过零时刻。
在稳态情况下应是正负半周的相等，可以看出，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流和负载电压的波形相同。
3）有效值计算
Uo=
=U1
=95.35v
R=
=18.18Ω
I0=
=5.3A
IVT=
=3.75A
=
=
=0.95
主电路晶闸管的选择
流过晶闸管的通态平均电流为：
IT（AV）=3.75
1.57=2.39A
加到晶闸管两端最大电压为:
UVT=
=141.42V
根据晶闸管选择原理：
额定电压值是实际正常工作时最大电压的2~3倍，晶闸管额定电流是正常工作时流过晶闸管通态平均电流的1.5~2倍。
晶闸管的额定电压：
Ue=（2~3）
141.42=282.84~424.26（v）
晶闸管的额定电流：
Ie=（1.5~2）
2.39=3.585~4.78（A）
6元器件清单
本设计所用到的元器件及数量如表6.1所示：
6.1元器件及数量
元器件名称
电阻
电容
二极管
晶闸管
熔断器
滑动变阻器
KC05芯片
数量
10
4
5
2
2
2
1
7总电路图
单相交流调压电路总电路图如图7.1所示
7.1单相交流调压电路总电路图
设计心得
通过一个学期对电子变流技术的学习，我对电力电子这门课程有了一定的了解，但是很少能将理论知识应用到实际的电路设计当中。
而这次的课程设计，给我了一个机会。
在实际设计过程中遇到了很多的问题，也曾经毫无头绪，但是，通过自己查阅相关的资料，自己独立思考，以及同学的帮助和孙老师的指导，终于完成。
在这次课程设计中，我学到的更多的是上课时根本没有注意学的知识，体会到很多知识在实际设计中的重要应用，并初步掌握了单相交流调压电路的相关知识。
与此同时提高了我独立思考的能力，与大家交流互助的能力。
本次设计让我真正的感受到了自己动手的乐趣所在，十分感谢我的同学在这次做课程设计的帮助，正是因为他们我才能顺利的完成我的课程设计。
由于我知识贮备的不足，也可能还有许多细节没有处理好，设计中还存在很多的不足。
我会不断努力学习，争取以后做的更好，不断进步
参考文献
1、林渭勋《电力电子电路》杭州 浙江大学出版社 1986
2、张立 赵永健《现代电力电子技术》北京 科学出版社 1992
3、愈萍《国外电力电子技术发展综述》电力电子技术 1992
4、黄俊，王兆安《电力电子变流技术》 第三版 北京 机械工业出版社
升级会员 