《电力电子技术》课程设计

           

 

  专    业：    电气工程及其自动化  

班    级：       2010级电气班     

学生姓名：        吴  世  方        

     学   号：        101401010054           

 指导教师：        祝   敏          

 

时    间： 20##年 12 月 28 日----20##年 1 月 9 日

题目：小功率晶闸管整流电路设计

一设计的目的和要求

电力电子技术的课程设计是《电力电子技术》课程的一个重要的实践教学环节。它与理论教学和实践教学相配合，可加深理解和全面掌握《电力电子技术》课程的基本内容，可使学生在理论联系实际、综合分析、理论计算、归纳整理和实验研究等方面得到综合训练和提高，从而培养学生具有独立解决实际问题和从事科学研究的初步能力。因此，通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：

  1）加深理解和掌握《电力电子技术》课程的基础知识，提高学生综合运用所学知识的能力；

2）培养学生根据课程设题的需要，查阅资料和独立解决工程实际问题的能力；

3）账务仪器的正常使用方法，和调试过程；

4）培养分析、总结及撰写技术报告的能力。

设计技术数据及要求：

1、交流供电电源；

2、电路输出的直流电压和电流的技术指标满足系统要求。

3、电路应具有一定的稳压功能，同时还具有较高的防治过电压和过电流的抗干扰能力。触发电路输出满足系统要求。

4、负载为并励直流电动机，型号为，电机参数为：

一、课程设计方案的选择与确定

1. 系统总设计框图

 

2.整流电路

方案一：单相半波整流电路

特点及优缺点：

    对于晶闸管整流装置在整流器功率较小时，用单相整流电路。在单相电路中，半波电路比全波电路脉动成分高，滤波没有全波电路容易。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可被采用。

方案二：单相桥式全控整流电路

特点及优缺点：

    此电路对每个导电回路进行控制，与单相桥式半控整流电路相比，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。

单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。
    单相全控桥式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。

方案三：三相桥式全控整流电路

特点及优缺点：

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以小一些。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。

   

    由于设计参数要求电动机的额定功率为5.5KW，功率较大，所以综合比较各种整流电路性能可知，应选择为三相桥式全控整流电路作为整流电路。

3.晶闸管

晶闸管又称为晶体闸流管，可控硅整流（SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管。

1）晶闸管的结构

晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。内部结构:四层三个结。

2）晶闸管的工作原理图

3）晶闸管的门极触发条件

（1）:晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不导通；

（2）：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导通；

（3）：晶闸管一旦导通门极就失去控制作用；

（4）：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下。

晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流Ｉ_Ｇ的电路称为门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。

4.触发电路

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。对触发电路的基本要求是：

（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。

（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 。

（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。

常用的触发电路形式有：阻容移相桥触发电路，单结晶体管触发电路，同步电压为正弦波或锯齿波的触发电路，集成触发电路。

由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。所以在此选用集成触发电路。由于整流电路选择了三相桥式全控整流电路，所以触发电路选用主要应用在三相电路中的TC787。

 

5.保护电路

在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。

（1）过压保护

    所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。

    产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上。

1.交流侧过电压保护

    过电压产生过程：电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁芯中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时电压。保护方法：阻容保护

2.直流侧过电压保护

    过电压产生过程：当某一桥臂的晶闸管在导通状态突然因果载使快速熔断器熔断时，由于直流住电路电感中储存能量的释放，会在电路的输出端产生过电压。保护方法：阻容保护   

（2）过流保护

    电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。

在选择快熔时应考虑：

1、电压等级应根据快熔熔断后实际承受的电压来确定。

2、电流容量应按照其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与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、快熔的It值应小于被保护器件的允许It值。

4、为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。

    快熔对器件的保护方式分为全保护和短保护两种。全保护是指无论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕量较大的场合。短路保护方式是指快熔只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。

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。

（3）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。

如图所示:

串联电感抑制回路

（4）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。

如图所示：

三、单元电路的设计与参数计算

1.整流变压器电压及容量的计算

①      变压器二次侧相电压的计算：

根据查表三相全控桥A=2.34，U₂=113-141V  取127V

②      二次侧相电流和一次侧相电流的计算：

    

  

③       变压器容量计算：

2.整流元件的计算

①      晶闸管额定电压：  

②      晶闸管的额定电流      

   计算得：

3.电抗器参数计算

为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器Ld，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流，一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。

（1）使输出电流连续的临界电感量

   

     计算得：  

（2）限制输出电流脉动的电感量

       

     计算得：

（3）电动机电感量LD和变压器漏电感量

 

     由所给负载参数：  

     计算得：

        

     计算得：

（4）实际串入电抗器电感量

    

故选用作为串入半波电抗器的电感值。

4.晶闸管保护环节的设计与计算

（1）过电压保护

 1.交流侧过电压保护措施：采用组容保护。即在变压器二次并联电阻R和电容C进行保护，接线方式为三相变压器二次侧 Y 联结，阻容保护 Y 联结。

参数计算：

由于  

                      

   

电容C耐压

 

   

    

2.直流侧过电压保护措施：可采用与交流侧保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成 di/dt 加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。

    参数计算：

    压敏电阻的标称电压，

   

    由于，

    则

（2）过电流保护

快速熔断器简称快熔，其断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。

四、元器件清单

五、整体设计思路

    根据设计要求和所学知识，由于数据要求电机为大功率，所以整流电路应该选用三相电路，根据性能比较，最终确定为三相桥式全控整流电路。由于晶闸管的导通和关断要求，门极必须有触发电流时才可以被导通，所以要根据晶闸管的特性设计触发电路。由于整流电路已经选用三相电路，所以根据整流电路的特点，我们选择TC787触发电路，主要用于三相晶闸管移相触发电路。根据TC787各引脚的功能和特点，连接电路图。然而保护电路也是本次设计中的重要部分，为了避免过电压，过电流，以及避免电压、电流上升率，在本次设计中专门设计了保护电路部分，在交流测接有阻容保护措施，直流侧并接压敏电阻，并在每个晶闸管上串联了快速熔断器等，使电路更加安全。

六、设计总结

这次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在课本中没有完全介绍的。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到了很多相关的知识，为这次课程设计做了很多帮助。

    对于课程设计的内容，首先要做的应是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。整流电路中，基本元件的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。

    设计过程中，我明白了整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。这次的课程设计是我设计时间最长的一次，也是收获最大的一次。虽然设计过程中遇到很多问题，尤其是保护电路的设计，因为课上没有讲到保护电路的内容，保护电路的理解不够全面，设计的时候是一头雾水，但还是在老师的帮助下，我一一解决了。

    另外通过这次课程设计，我对文档的编排也有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了一部分，当然没有全部。

整个课程设计过程中，由于理论知识的缺乏，以及对课程设计的不熟悉，课程设计还有很多不足之处，在以后的课程设计中，希望能有所改善。

七、参考文献

    1.《电力电子技术》 樊立萍 王忠庆主编

2.《电机及拖动基础》第四版 顾绳谷主编

3.电力电子技术课程设计指导书 姜春霞 王世荣编

4.互联网关于《电力电子技术》相关连接 等

 

第二篇：电子技术课程设计报告书(1)

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※2009级学生电子技术 ※

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※※课程设计

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电子技术课程设计报告书

课题名称

姓 名

学 号 院、系、部

专 业

指导教师

电子秒表 陈振斌 2009021878 物理与电子科学系 应用电子二班 高坤

20xx年 12月12日

电子秒表的设计

1 设计目的

（1）学习数字电路中基本RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数、译码显示等单元电路的综合应用。

（2）学习电子秒表的调试方法。

2 设计思路

（1）设计基本RS触发器。

（2）设计单稳态触发器。

（3）设计时钟发生器。

（4）设计计数及译码显示。

3 设计过程

3.1工作流程图

图1 工作流程图

图1中1单元为用集成与非门74LS00构成的基本RS触发器。属低电平直接触发的触发器,有直接置位,复位的功能。

图1中2单元为集成与非门74LS00构成的单稳态触发器，它的职能是为计数器提供清零信号。

图1中555定时器构成了多谐振荡器，是一种性能较好的时钟源。 图1中4单元74LS90构成的计数器/分频器

图1中5单元译码显示单元

3.2电路设计

电子秒表电路如图2所示。

图2 电子秒表原理图

图2为电子秒表的原理图。按功能分成四个单元电路进行分析。 1.基本RS触发器

用集成与非门构成的基本RS触发器。属低电平直接触发的触发器，有直接置位、复位的功能。

它的输出非Q作为单稳态触发器的输入，另一路输出Q作为与非门U12A

的输入控制信号。按动按钮开关A，输出非Q=1，A复位后Q、非Q状态保持不变。再按动按钮开关B,则Q由0变为1，U12A开启，为计数器启动做好准备。非Q由1变为0，送出负脉冲，启动单稳态触发器工作。

基本RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作。 2、单稳态触发器

单稳态触发器的输入触发负脉冲信号由基本RS触发器非Q端提供，输出负脉冲通过非门加到计数器的清除端R。

静态时，U11A应处于截止状态，故电阻R必须小于门的关门电阻Roff。定是原件RC取值不同，输出脉冲宽度也不同。当触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度时，可以省去输入微分电阻的Rp和Cp。单稳态触发器在电子秒表中的职能是为计时器提供清零信号。

3、时钟发生器

用555定时器构成的多谐振荡器，是一种性能良好的时钟源。

调节电位器R8,使在输出端获得频率为50HZ的矩形波信号，当基本RS触发器Q=1时，U12A开启，此时50HZ脉冲信号通过门U12A作为计数脉冲加于计数器的计数输入端。

D302DZ4.7

C110nF

D202DZ4.7

4、计数及译码显示

二—五—十进制加法计数器74LS90构成电子秒表的计数单元，其中计数器1接成五进制形式，对频率为50HZ的时钟脉冲进行五分频，在输出端取得周期为0.1S的矩形脉冲，作为计数器2的时钟输入。计数器2及计数器3接成8421码十进制形式，其输出端与试验装置上译码显示单元的相应输入端连接，可显示0.1~0.9秒；1~9.9秒计时。

4 系统调试与结果

4.1 基本RS触发器的调试

按动开关错误！未找到引用源。，检查门1输出Q非是否为1，门2输出Q

是否为0，错误！未找到引用源。复位后这两个状态能否保持，再按动开关错误！未找到引用源。，Q是否由0变1，Q非是否由1变0，否则检查卡观和与非门错误！未找到引用源。。 4.2时钟发生器的测试

用示波器观察输出电压波形并测量其频率，调节错误！未找到引用源。，使输出波形频率为10-15Hz，若无波形输出，检查555定时器。 4.3 计数、译码、显示单元的测试

测量计数器功能和分频器功能，看输出频率是否为10倍关系，各段测量显

示管的功能是否正常。 4.4 整体测试

各电源电路测试正常后，按图把几个电源电路连接起来，进行电子秒表的总体测试。

先按一下按钮开关K2，此时电子秒表不工作，再按一下按钮开关K1，则计数器清零后便开始计数，观察数码管显示计数情况是否正常，如不需要计数时或暂停计数时，按一下开关K2，计数立即停止，但数码管保留所计数时之值。

5主要仪器与设备

1.THD-4数字电路实验箱1台。

2.GOS-620示波器。

3.MS8215数字万用表。

4.数字频率计

5.译码显示器。

6.74LS00*2 555*1 74LS90*3 电位器、电阻、电容若干

6设计体会与建议

6.1设计体会

在实践面前一系列的问题会突发出现，但是没有扎实的理论知识，实践能力又无从存在，二者必须紧密结合，所以在以后的学习工作中，学习和动手要两手抓，而且两手都要硬，认真仔细，让问题钻了空子。通过这次对电子秒表的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于电子秒表的基本原理与设计理念。本次课程设计很有收获，相信以后的类似这样的课程设计我会做得更好！

6.2对设计的建议

我现在还没有找到答案，但是我会努力去学习，等我找到答案后希望自己能独立解决它。希望老师在我们动手制作之前先告诉我们一些关于所做电路的资料、原理，以及如何检测电路的方法，还有关于检测芯片的方法。这样会有助于我们进一步的进入状态，完成设计。

7 参考文献

1 刘修文.实用电子电路设计制作.北京:中国电力出版社

2 赵春华，张学军.电子技术基础仿真实验 北京：机械工业出版社

3 余孟尝.数字电子基础简明教程 北京：高等教育出版社

4 蔡忠法.电子技术试验与课程设计.浙江：浙江大学出版社

5 赵淑范,王宪伟.电子技术试验与课程设计.北京:清华大学出版社

6 黄仁欣.电子技术实践与训练.北京：清华大学出版社