大功率整流器的研究与设计2.doc

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摘要

电力电子技术已广泛的运用在各个领域，整流器是电力电子装置中常用的设备，它可以直接为电力电子装置提供直流电能。

整流电路作为电网与电力电子装置的接口电路，与控制电路一起可为电力电子装置提供高稳定性和高精度的稳压电源。

本论文主要研究了电力电子器件晶闸管的结构、原理和使用方法，并设计出了450kW整流系统。

正确的触发电路的设计保证了可控整流装置的正常工作，设计中选择了常用的以同步信号为锯齿波的触发电路来对主电路进行控制。

在整流主电路设计的同时对整流系统进行了保护，整流系统的保护一般应覆盖电力电子器件和主电路保护的模块。

设计中整流系统采用了相控整流电路，主要由整流主电路，控制电路，保护电路和负载等组成。

论文中对相关内容进行了详细、透彻的讲述，并插入了大量的图片来说明内容。

在论文的最后，对整流器在电机励磁中的应用作了重点阐述，并叙述了它在其它方面的应用。

关键词：

电力电子装置；整流器；晶闸管

-I-

Abstract

Thepowerelectronictechnologyiswidelyappliedineachdomain.Rectifieriscommonlyusedinelectronicdevices,whichcanprovideDCpowertoelectronicdevicesdirectly.Rectifiercircuitsastheinterfacecircuitofpowernetworkandelectronicdevices,whichcanprovidehighstabilityandhighprecisionregulatedpowersupplyforpowerelectronicdeviceswithtogethercontrolcircuits.

Thethesisdiscussesthepowerelectronicdevicesthyristor′sstructure,principleanduse,anddevisesthe450kWrectifiersystem.Therighttriggercircuitdesignensuresthenormaloperationofcontrolledrectifier,selectedcommonlyusedtosynchronizethesignalforthesawtoothtriggercircuitisselectedtocontrolthemaincircuitinthedesign.Whentherectifiercircuitisdesignedthemainsystemoftherectifierisprotected,accidentpreventionandprotectionofelectrolyticrectifiersystemshouldnormallycovertheprotectionofpowerelectronicdevicesandthemaincircuitprotectionmodule.Rectifiersystemwhichusesphase-controlledrectifyingcircuit,mainlyconsistsoftherectifiercircuit,controlcircuit,protectivecircuitandloadetc.

Inthethesis,therelatedcontentsarerelatedindetailandextremely,andalargenumberofpicturesareinsertedtoillustratethecontent.Inthefinalofthepaper,therectifierofthemotorexcitationisillustratedeffectively,andotheraspectsaredescribedintheapplicationofelectronicdevices.

Keywords：

Powerelectronics，Rectifier，Thyristor

-IV-

目录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1课题背景与意义 1

1.2课题研究现状 2

1.3本课题的研究内容与目标 2

2整流器件晶闸管的概述 4

2.1晶闸管的结构和工作原理 4

2.2晶闸管的伏安特性 5

2.3晶闸管的参数 7

3450kW整流器主电路设计 9

3.1整流主电路的选择 9

3.2整流器件的选用与计算 10

3.2.1整流变压器 10

3.2.2开关器件的选用与计算 11

3.3保护电路的设计 12

3.3.1过电压的保护 12

3.3.2过电流的保护 20

3.3.3与的抑制 22

3.4整流主电路 24

3.4.1整流主电路原理图 24

3.4.2主电路的工作原理 25

3.5整流主电路仿真 25

3.5.1仿真模型建立 25

3.5.2参数设置 27

3.5.3仿真结果分析 27

3.6谐波的危害及其治理 30

3.6.1谐波的危害及影响 30

3.6.2谐波治理的方法 31

4触发电路 34

4.1晶闸管对触发电路的要求 34

4.2触发脉冲的作用及形式要求 35

4.3同步信号为锯齿波的触发电路 36

4.4脉冲形成环节 37

4.5锯齿波的形成和脉冲移相环节 37

4.6同步环节 41

4.7集成触发器 42

4.8防止误触发的措施 42

5整流器在同步电机励磁中的应用 44

5.1同步电机励磁系统的作用 44

5.1.1保证电力系统运行设备的安全性、经济性和合理性 44

5.1.2提高电力系统稳定性 45

5.2励磁组成及结构原理图 46

5.2.1励磁的主要组成 46

5.2.2励磁结构原理图 47

5.2.3同步电机励磁用的整流器的特点 48

6整流器在其他方面的应用 50

6.1在直流电动机调压—调速中的应用 50

6.2在电镀和电解中的应用 50

6.3作为蓄电池充电器 52

6.4在温度控制上的应用 52

结论 54

致谢 55

参考文献 56

1绪论

1.1课题背景与意义

近年来电力电子发展异常迅速，新型元器件频繁换代，层出不穷，应用领域不断的扩大，日趋成熟。

电力电子技术是现代电工技术中最活跃的一门学科技术，其应用范围十分的广泛。

电力电子技术是应用于电力领域中的电子技术，是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的，近年来很多新技术的应用与发展都是以电力电子技术为基础的。

早在20世纪三四十年代，人们就开始应用电机组、汞弧整流器、电抗器、接触器等进行对电能的变换和控制，但这样的变流装置存在着以下明显的缺点：

如功率放大倍数低、响应慢、体积大、功耗大、效率低和噪声大。

在1957年美国通用公司研制出第一晶闸管（也称可控硅），电力电子学真正的成了一门独立的学科，一方面由于其功率变换能力有了根本性的突破；另一方面弱电对一晶闸管为核心的强电变换电路的控制，以晶闸管为核心的电力电子电路，在电能变换领域得到迅速而广泛的应用，变流装置由旋转方式变为静止方式，具有效率高、体积小、重量轻、寿命长、噪声小、便于维修、易于控制、响应快等优点。

在随后的20年内，随着晶闸管特性的不断改进与提高，晶闸管已经形成了从低电压小电流到高电压大电流的系列产品，同时还研制出了一系列晶闸管的派生器件：

如快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管和光控晶闸管等器件，大大的促进了各种电力变换器在冶金、交通运输、化工、机车牵引、矿山等行业的应用，促进了工业技术的进步。

尽管晶闸管及派生器件在电压、电流方面仍然有一定的发展余地，但也存在很多不足。

在20世纪80年代以后，相继出现了各种高速、全控性电力电子器件（也称自关断器件），如门极可关断晶闸管、双极型功率晶闸管、功率场效应管、绝缘栅双极型晶闸管等。

全控型器件的特点是：

通过门极的控制既可使其开通又可使其关断，它们的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路，新型器件的发展又进一步把电力电子技术推到了一个新的发展阶段[1]。

总之，电力电子技术在减小体积和重量、提高效率、增加快速性以及增高电压、扩大电流、提高频率等方面均会有较大发展。

由于有性能优良的电力电子半导体开关器件，性能大为改善的磁性和绝缘材料、计算机大规模集成电路技术，频率高达兆赫字的电能处理方法，新型电路拓扑结构及分析方法的不断突破，使现今的电力电子技术有了全新的发展。

1.2课题研究现状

在半导体技术未出现时，整流是采用旋转式AC/DC变换来完成的，随着半导体技术的出现和发展，半导体整流器在整流技术中占据统治地位，整流技术的发展可以分为四个阶段：

（1）旋转式AC/DC变换；

（2）电子管、离子管变流器；（3）不可控整流器（主要指半导体二极管）；（4）可控整流器（有相位控制和PWM控制）。

由于旋转式AC/DC变换和电子管、离子管整流器的性能都比较低，现在已不再采用，取而代之的是不可控整流器和可控整流器，不可控整流器是利用半导体二极管的单向导电性来完成整流功能的，它的特点是电路简单、可靠性高，但是由于半导体二极管的不可控性，使其应用受到了限制。

可控整流器是利用晶闸管（SCR）、功率场效应晶体管（VMOS）、绝缘栅晶体管（IGBT）等大功率开关器件的半可控或可控性来完成整流的功能的。

SCR不具备自关断特性，是半可控器件，由SCR构成的整流器为相位控制型整流器；由VMOS、IGBT等构成的整流器为PWM控制型整流器。

半导体二极管整流器发展历史较长，目前在小功率整流设备中应用较广，特别是在开路输出电压为固定值时被广泛采用。

相控整流器相对于PWM控制整流器而言，其历史较长、技术较成熟、应用较广泛，但对市电电网和其它用电设备有较大的干扰。

深控时电网侧的功率因数会大大降低、闭环控制时的动态响应较慢，这些不足在PWM整流器中得以改善，PWM控制整流器是大功率开关整流器件和PWM控制技术在整流器领域中的应用，是最有发展前途的整流技术[2]。

1.3本课题的研究内容与目标

本课题研究的内容主要有：

电力电子器件，整流电路，控制电路和整流器的应用。

（1）电力电子器件

①不可控无控制极的二端器件，如功率二极管，其开关工作状态取决于施加在器件两端的电压，正向导通、反向阻断，流过的电流为单方向的。

由于无控制极开关不具有可控开关性能。

②可控型半控型器件是具有单向导电性，它的开通不仅需要在其阳、阴极间施加正向电压而且必须在门极和阴极加正向控制功率信号，但这类器件一旦导通就不能通过门极控制信号使其关断，只能从外部改变加在阳、阴极间的电压极性或减小阳极电流到某一数值使其关断，故称为半控型器件。

（2）整流电路

把交流电变换成固定的或可调的直流电，是利用晶闸管的相控技术来实现的。

（3）控制电路

晶闸管的整流是利用相控的方式来控制电路的，器件开通信号的相位（导通时刻的相位）受控于控制信号幅度的变化，通过改变器件的导通相位角来改变输出电压的大小。

（4）整流器的应用

整流器在电机励磁，直流调压，电解和电镀，温度控制，蓄电池充电等方面均获得了