电力电子核心技术优秀课程设计.docx

电力电子技术
课程设计

题 目:单相全控桥式整流电路设计(反电势，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： 周旭东
学 号： 23910903
指导老师： 臧义

目录
序言 ............................................................2
1.题目要求 ......................................................3
1.1设计条件 .........................................................3
1.2关键任务 .........................................................3
2.主电路设计 ....................................................3
2.1主电路原理图 ......................................................3
2.2主电路工作原理 ....................................................4
2.3整流参数计算 ......................................................4
2.4晶闸管元件选择 ..................................................5
3.驱动电路设计 ..................................................7
3.1TCA785芯片介绍 ....................................................7
3.2相控触发工作原理及电路原理图 ......................................11
4.保护电路设计 ..................................................12
4.1过电压保护电路设计 ................................................12
4.2过电流保护电路设计.................................................12
4.3电流上升率、电压上升率抑制保护 ..................................13
5.MATLAB 仿真 ....................................................14
5.1系统建模和参数设置 ................................................14
5.2仿真结果 ..........................................................18
设计心得 .........................................................23
参考文件 .........................................................23
附图 .............................................................24

序言
电力电子学，又称功率电子学（Power Electronics）。它关键研究多种电力电子器件，和由这些电力电子器件所组成各式各样电路或装置，以完成对电能变换和控制。它既是电子学在强电（高电压、大电流）或电工领域一个分支，又是电工学在弱电（低电压、小电流）或电子领域一个分支，或说是强弱电相结合新学科。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域一个新兴工程技术学科。
此次课程设计关键是对单相全控桥式晶闸管整流电路研究。首先是对单相全控桥式晶闸管整流电路整体设计，包含主电路，触发电路，保护电路。主电路中包含电路参数计算，器件选型；触发电路中包含器件选择，参数设计；保护电路包含过电压保护，过电流保护，电压上升率抑制，电流上升率抑制。以后对整体电路进行Matlab仿真，最终对仿真结果进行分析和总结。

1.题目要求
1.1设计条件：
1）电源电压：交流100V/50Hz
2）输出功率：500W
3）移相范围30°~ 150°
4）反电势：E=70V
1.2关键任务：
1）主电路设计（包含整理元件定额选择和计算等），讨论晶闸管电路对电网及系统功率因数影响。
2）触发电路设计：触发电路选型（可使用集成触发器），同时信号产生等。
3）晶闸管过电压保护和过电流保护电路设计，计算保护元件参数并选择保护元件型号。
4）提供系统电路图纸不少于一张。
5）利用仿真软件分析电路工作过程。
2.主电路设计
2.1主电路原理图

图2.1 单相全控桥式晶闸管整流电路
2.2主电路工作原理
在单相桥式全控整流电路中（忽略主电路各部分电感），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，因为反电动势存在，ud = E，VT1、VT4串联承受电压u2-E，设VT1和VT4漏电阻相等，则各承受u2-E二分之一。若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，且u2 > E时，VT1和VT4承受正压导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端，此时ud = u2。当u2 = E时，流经晶闸管电流下降到零，VT1和VT4关断。
在u2负半周，仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3（VT2和VT3α= 0处为 ωt=π），VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。到u2 = E时，电流又降为零，VT2和VT3关断。以后又是VT1和VT4导通，如此循环地工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、VT4两端电压波形分别图2.2所表示。

图2.2 输出电压电流波形
图，只有在u2瞬时值绝对值大于反电动势即|u2| > E时，才有晶闸管承受正电压，才有导通可能。晶闸管导通后，，，直至 |u2| = E，id即降至0使得晶闸管关断，以后ud = E。和电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，图2.2所表示，δ称为停止导电角。。
2.3整流参数计算
2.3.1最大输出电压平均值UdM
由得，停止导电角为。所以满足移相范围30°~ 150°要求。
当晶闸管导通时，输出电压ud = u2，当ud < E时，晶闸管阻断，此时ud =E。所以，最大输出电流平均值为：Idmax=P/Udm=500/101.34=4.933A
2.3.2负载电阻R
在一个周期内，瞬时功率分为两部分。一部分是当晶闸管阻断时，电流为零，瞬时功率为零；另一部分是当晶闸管导通时

由最大输出功率P=500W得
R=(Udm-E)/Idmax=(101.34-70)/4.933=6.35。
2.3.3最大输出电流平均值
=(UdM-E)/R=(101.34-70)/6.35=4.935A
2.3.4最大输出电流有效值

2.3.5流过晶闸管电流有效值

2.3.6流过晶闸管电流平均值

2.4晶闸管元件选择
2.4.1额定电压UN
断态反复峰值电压UDRM：断态反复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，许可反复加在器件上正向峰值电压。
反向反复峰值电压URRM：反向反复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，许可反复加在器件上反向峰值电压。
通态峰值电压UTM：晶闸管通以某一要求倍数额定通态平均电流时瞬态电压峰值。
通常取晶闸管UDRM和URRM中较小标值作为该器件额定电压。选择时，额定电压要留一定裕量，通常取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。
不考虑晶闸管通态峰值电压UTM和电路中电感引发换相重合角。晶闸管承受最大反向电压为：
故晶闸管额定电压为：，取424.2V。
2.4.2额定电流IN
通态平均电流IT（AV）：国际要求通态平均电流为晶闸管在环境温度为40℃和要求冷却状态下，稳定结温不超出额定结温时所许可流过最大工频正弦半波电流平均值。这也是额定电流参数。在选择时根据实际波形电流和晶闸管所许可最大正弦半波电流（其平均值即通态平均电流IT（AV））所造成发烧效应相等（及有效值相等）标准来选择晶闸管此项定额，并留一定裕量。
一样不考虑晶闸管通态峰值电压UTM和电路中电感引发换相重合角。晶闸管流过电流有效值最大为： Idmax=4.933A
晶闸管额定电流为：
IN=（1.5 ~ 2）Idmax=（7.4 ~ 9.866）A,所以取10A
晶闸管型号参数：
参数\型号
KP5
KP10
KP20
通态平均电流IT（AV） A
5
10
20
通态峰值电压UTM V
≤2
≤2
≤2
断态反复峰值电压UDRM V
100~
反向反复峰值电压URRM V
断态反复峰值电流IDRM mA
≤4
≤5
≤5
反向反复峰值电流IRRM mA
门极触发电压UGT V
≤2.5
≤2.5
≤2.5
门极触发电流IGT mA
≤50
≤80
≤80
断态电压临界上升率du/dt V/us
≥25
≥25
≥25
断态电流临界上升率di/dt A/us
-
-
-
维持电流IH mA
≤60
≤80
≤80
工作结温Ti ℃
-40~+125
结壳温阻R℃ ℃/W
≤3
≤1.6
≤1
推荐散热器型号
SZ13
SZ15
SZ17
依据额定电压和额定电流，选择4个KP10。满足设计要求。
3.驱动电路设计
对于使用晶闸管电路，在晶闸管阳极加正向电压后，还必需在门极和阴极之间加触发电压，使晶闸管在需要导通时刻可靠导通。驱动电路亦称触发电路。依据控制要求决定晶闸管导通时刻，对变流装置输出功率进行控制。触发电路是变流装置中一个关键组成部分，变流装置是否能正常工作，和触发电路有直接关系，所以，正确合理地选择设计触发电路及其各项技术指标是确保晶闸管变流装置安全，可靠，经济运行前提。
3.1 TCA785芯片介绍
TCA785是德国西门子(Siemens)企业于1988年前后开发第三代晶闸管单片移相触发集成电路，它是替换TCA780及TCA780D更新换代产品，其引脚排列和TCA780、TCA780D和国产KJ785完全相同，所以能够交换。现在，它在中国变流行业中已广泛应用。和原有KJ系列或KC系列晶闸管移相触发电路相比，它对零点识别愈加可靠，输出脉冲齐整度愈加好，而移相范围更宽，且因为它输出脉冲宽度可人为自由调整，所以适用范围较广。
3.1.1 TCA785引脚排列、各引脚功效及使用方法
TCA785是双列直插式16引脚大规模集成电路。它引脚排列图3.1所表示。

图3.1 TCA785引脚排列
各引脚名称、功效及使用方法以下：
引脚16(VS)：电源端。使用中直接接用户为该集成电路工作提供工作电源正端。
引脚1(OS)：接地端。应用中和直流电源VS、同时电压VSYNC及移相控制信号V11地端相连接。
引脚4(Q1)和2(Q2)：输出脉冲1和2非端。该两端可输出宽度改变脉冲信号，其相位互差180°，两路脉冲宽度均受非脉冲宽度控制端引脚13(L)控制。它们高电平最高幅值为电源电压VS，许可最大负载电流为10mA。若该两端输出脉冲在系统中不用时，电路本身结构许可其开路。
引脚14(Q1)和15(Q2)：输出脉冲1和2端。该两端也可输出宽度改变脉冲，相位一样互差180°，脉冲宽度受它们脉宽控制端引脚12(C12)控制。两路脉冲输出高电平最高幅值为5VS。
引脚13(L)：非输出脉冲宽度控制端。该端许可施加电平范围为-0.5V—5VS，当该端接地时，Q1、Q2为最宽脉冲输出，而当该端接电源电压VS时，Q1、Q2为最窄脉冲输出。
引脚12(C12)：输出Q1、Q2脉宽控制端。应用中，经过一电容接地，电容C12电容量范围为150—4700pF，当C12在150—1000pF范围内改变时，Q1、Q2输出脉冲宽度亦在改变，该两端输出窄脉冲最窄宽度为100μs，而输出宽脉冲最宽宽度为μs。
引脚11(V11)：输出脉冲Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流电压输入端。应用中，经过输入电阻接用户控制电路输出，当TCA785工作于50Hz，且本身工作电源电压Vs为15V时，则该电阻经典值为15kΩ，移相控制电压V11有效范围为0.2V—Vs-2V，当其在此范围内连续改变时，输出脉冲Q1、Q2及Q1，Q2相位便在整个移相范围内改变，其触发脉冲出现时刻为：
trr=(V11 R9 C10)/(VREF K)
式中 R9、C10、VREF──分别为连接到TCA785引脚9电阻、引脚10电容及引脚8输出基准电压；K──常数。
为降低干扰，应用中引脚11经过0.1μF电容接地，经过2.2μF电容接正电源。
引脚10(C10)：外接锯齿波电容连接端。C10实用范围为500pF—1μF。该电容最小充电电流为10μA。最大充电电流为1mA，它大小受连接于引脚9电阻R9控制，C11两端锯齿波最高峰值为VS-2V，其经典后沿下降时间为80μs。
引脚9(R9)：锯齿波电阻连接端。该端电阻R9决定着C10充电电流，其充电电流可按下式计算：I10=VREFK/R9
连接于引脚9电阻亦决定了引脚10锯齿波电压幅度高低，锯齿波幅值为： V10=VREFK/(R9 C10) ，电阻R9应用范围为3 300kΩ。
引脚8(VREF)：TCA785本身输出高稳定基准电压端。负载能力为驱动10块CMOS集成电路，伴随TCA785应用工作电源电压VS及其输出脉冲频率不一样，VREF改变范围为2.8—3.4V，当TCA785应用工作电源电压为15V，输出脉冲频率为50Hz时，VREF经典值为3.1V，如用户电路中不需要应用VREF，则该端能够开路。
引脚7(QZ)和3(QV)：TCA785输出两个逻辑脉冲信号端。其高电平脉冲幅值最大为VS-2V，高电平最大负载能力为10mA。QZ为窄脉冲信号，它频率为输出脉冲Q2和Q1或Q1和Q2两倍，是Q1和Q2或Q1和Q2或信号，QV为宽脉冲信号，它宽度为移相控制角φ+180°，它和Q1、Q2或Q1、Q2同时，频率和Q1、Q2或Q1、Q2相同，该两逻辑脉冲信号可用来提供给用户控制电路作为同时信号或其它用途信号，不用时可开路。
引脚6(I)：脉冲信号严禁端。该端作用是封锁Q1、Q2及Q1、Q2输出脉冲，该端通常经过阻值10kΩ电阻接地或接正电源，许可施加电压范围为-0.5V—VS，当该端经过电阻接地，且该端电压低于2.5V时，则封锁功效起作用，输出脉冲被封锁。而该端经过电阻接正电源，且该端电压高于4V时，则封锁功效不起作用。该端许可低电平最大灌电流为0.2mA，高电平最大拉电流为0.8mA。
引脚5(VSYNC)：同时电压输入端。应用中需对地端接两个正反向并联限幅二极管，该端吸收电流为20—200μA，伴随该端和同时电源之间所接电阻阻值不一样，同时电压能够取不一样值，当所接电阻为200kΩ时，同时电压可直接取AC220V。
3.1.2基础设计特点
TCA785基础设计特点有：能可靠地对同时交流电源过零点进行识别，所以可方便地用作过零触发而组成零点开关；它含有宽应用范围，可用来触发一般晶闸管、快速晶闸管、双向晶闸管及作为功率晶体管控制脉冲，故可用于由这些电力电子器件组成单管斩波、单相半波、半控桥、全控桥或三相半控、全控整流电路及单相或三相逆变系统或其它拓扑结构电路变流系统；它输入、输出和CMOS及TTL电平兼容，含有较宽应用电压范围和较大负载驱动能力，每路可直接输出250mA驱动电流；其电路结构决定了本身锯齿波电压范围较宽，对环境温度适应性较强，可应用于较宽环境温度范围(-25—+85°C)和工作电源电压范围(-0.5—+18V)。
3.1.3极限参数
电源电压：+8—18V或±4—9V；
移相电压范围：0.2V—VS-2V;
输出脉冲最大宽度：180°；
最高工作频率：10—500Hz；
高电平脉冲负载电流：400mA；
低电平许可最大灌电流：250mA；
输出脉冲高、低电平幅值分别为VS和0.3V；
同时电压随限流电阻不一样可为任意值；
最高工作频率：10—500Hz；
工作温度范围：军品 -55—+125℃，工业品 -25—+85℃，民品 0—+70℃。
3.2相控触发工作原理及电路原理图
晶闸管触发关键有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生触发脉冲要求：
① 触发信号可为直流、交流或脉冲电压。
②触发信号应有足够功率（触发电压和触发电流） 。
③触发脉冲应有一定宽度，脉冲前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能快速上升超出掣住电流而维持导通。
④触发脉冲必需和晶闸管阳极电压同时，脉冲移相范围必需满足电路要求。
单结晶体管触发电路由单结晶体管组成触发电路含有简单、可靠、抗干扰能力强、温度赔偿性能好，脉冲前沿徒等优点，在容量小晶闸管装置中得到了广泛应用。她由自激震荡、同时电源、移相、脉冲形成等部分组成，电路图图 3.2所表示。
图3.2 相控触发电路原理图
4.保护电路设计
在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择适宜，驱动电路设计良好外，采取适宜过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少。
4.1过电压保护电路设计
所谓过压保护，即指流过晶闸管两端电压值超出晶闸管在正常工作时所能承受最大峰值电压Um全部称为过电压。
产生过电压原因通常由静电感应、雷击或忽然切断电感回路电流时电磁感应所引发。其中，对雷击产生过电压，需在变压器初级侧接上避雷器，以保护变压器本身安全；而对忽然切断电感回路电流时电磁感应所引发过电压，通常发生在交流侧、直流侧和器件上，所以，下面介绍单相桥式全控整流主电路电压保护方法。
4.1.1直流侧和交流侧过电压保护
采取阻容保护易影响系统快速性，而且会造成加大。所以，通常不采取阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。
4.1.2晶闸管过电压保护
抑制晶闸管关断国电和通常采取在晶闸管两端并联阻容保护电路，通常由经验值表确定阻容参数值。
晶闸管额定电流/A
10
20
50
电容/uF
0.1
0.15
0.2
电阻/Ω
100
80
40
4.2过电流保护电路设计
电力电子电路运行不正常或发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。通常电力电子均同时采取多个过电压保护方法，怪提升保护可靠性和合理性。在选择多种保护方法时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护方法，快速熔断器只作为短路时部分区断保护，直流快速断路器在电子电力动作以后实现保护，过电流继电器在过载时动作。
在选择快熔时应考虑：
1）电压等级应依据快熔熔断后实际承受电压来确定。
2）电流容量应根据其在主电路中接入方法和主电路连接形式确定。快熔通常和电力半导体体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。
3）快熔It值应小于被保护器件许可It值。
4）为确保熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特征。
快熔对器件保护方法分为全保护和短保护两种。全保护是指不管过载还是短路均由快熔进行保护，此方法只适适用于小功率装置或器件使用裕量较大场所。短路保护方法是指快熔只要短路电流较大区域内起保护作用，此方法需和其它过电流保护方法相配合。
熔断器是最简单过电流保护元件，但最一般熔断器因为熔断特征不适宜，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有很好快速熔断特征，一旦发生过电流可立即熔断起到保护作用。最好措施是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管电流相同，所以对元件保护作用最好。
4.3电流上升率、电压上升率抑制保护
4.3.1电流上升率di/dt抑制
晶闸管初开通时电流集中在靠近门极阴极表面较小区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/μs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，会造成PN结击穿，必需限制晶闸管电流上升率使其在适宜范围内。其有效措施是在晶闸管阳极回路串联入电感。以下图4.1所表示:

图4.1串联电感抑制回路

4.3.2电压上升率dv/dt抑制
加在晶闸管上正向电压上升率dv/dt也应有所限制,假如dv/dt过大，因为晶闸管结电容存在而产生较大位移电流，该电流能够实际上起到触发电流作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引发晶闸管误导通。为抑制dv/dt作用，能够在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。图4.2所表示：
图4.2并联R-C阻容吸收回路
5.MATLAB仿真
5.1系统建模和参数设置
单相全控桥式整流电路模型关键由交流电源、同时触发器、晶闸管全桥、电阻-反电动势负载、测量等部分组成。Matlab仿真模型以下图5.1所表示：

图5.1 单相全控桥式晶闸管整流电路仿真模型

各个参数设置以下：
①　 触发电路参数：

图5.2触发电路参数

Phase delay：晶闸管1、4，参数设为（0.02/360）*α，α为触发角；
晶闸管2、3，参数设为0.01+（0.02/360）*α。

②　 交流电源参数：

图5.3 交流电源参数

③　 反电动势参数：

图5.4 反电动势参数

④　 晶闸管参数：

图5.5晶闸管参数

5.2仿真结果
1）α=30°

图5.6 α=30°

2）α=60°

图5.7 α=60°

3）α=90°

图5.8 α=90°

4） α=120°

图5.9 α=120°

5） α=150°

图5.10 α=150°

设计心得：
经过这次课程设计，我加深了对整流电路了解，深入熟悉了触发电路和保护电路设计，学会了将书本上理论知识应用到实践中，提升了实践能力。同时在设计时借助MATLAB软件进行系统模型仿真，深入熟悉了MATLAB语言及其应用，用该软件对该电路进行分析，大大简化了计算和绘图步骤。同时该次课程设计，还用到了protel软件进行原理图绘制，使我熟练地掌握了protel绘图技巧。
总而言之，这次课程设计不仅增加了我知识积累，让我有机会将课堂所学电力电子理论知识利用到实际中，了解了这些知识在实践中丰富而强大用途，还让我知道自主学习关键性，和小组组员合作必需性。

参考文件：
[1] 王云亮.电力电子技术[M].北京：电子工业出版社，. 190-196
[2] 赵慧敏，张宪.电力电子技术[M].北京：化学工业出版社，. 52-71
[3] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M](第5版).北京：机械工业出版社，.
[4] 颜世钢，张承慧.电力电子技术问答[M].北京：机械工业出版社，
[5] 黄忠霖，黄京. 电力电子技术MATLAB实践[M].北京：国防工业出版社， . 133-229

附图：
主电路图：

驱动电路图：