課程設計---小功率晶閘管整流電路設計

1、<p>　　題目：小功率晶閘管整流電路設計</p><p>　　設計技術數(shù)據(jù)及要求：</p><p><b>　　1、交流供電電源；</b></p><p>　　2、電路輸出的直流電壓和電流的技術指標滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　3、電路應具有一定的穩(wěn)壓功能，同時還具有較高的防治過壓和過流的抗干擾能力。觸

2、發(fā)電路輸出滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　4、負載為并勵直流電動機，型號為，電機參數(shù)為：</p><p><b>　　總體方案論證及選擇</b></p><p>　　對電氣控制系統(tǒng)的技術要求</p><p>　?、佥敵鲆欢ǖ闹绷麟妷汉碗娏鳌?lt;/p><p>　?、谳敵鲭妷旱拿}動指標在允許范圍內

3、。</p><p>　　③具有自動穩(wěn)壓功能和一定的穩(wěn)壓精度。 </p><p>　?、軐φ{速系統(tǒng)應有靜態(tài)技術指標和動態(tài)技術指標的要求。</p><p><b>　　主電路的選擇</b></p><p>　　一般說來，對于晶閘管整流裝置在整流器功率很小時( 以下)，用單相整流電路，功率較大時用三相整流電路。由于本設計方案的

4、負載直流電機的額定功率為遠大，故選擇三相整流電路。</p><p>　　方案一：三相零式整流電路</p><p>　　優(yōu)點：三相整流電路中，三相零式電路突出的優(yōu)點是電路簡單，用的晶閘管少，觸發(fā)器也少，對需要220V 電壓的用電設備直接用380V電網(wǎng)供電，而不需要另設整流變壓器。</p><p>　　缺點：要求晶閘管耐壓高，整流輸出電壓脈動大，需要平波電抗器容量大，電

5、源變壓器二次電流中有直流分量，增加了發(fā)熱和損耗。因零線流過負載電流，在零線截面小時壓降大，往往需要從變壓器單獨敷設零線。</p><p>　　方案二：三相橋式整流電路</p><p>　　優(yōu)點：在輸出整流電壓相同時，電源相電壓可較零式整流電路小一半，因此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求。變壓器二次繞組電流中沒有直流分量。輸出整流電壓脈動小，所以平波電抗器容量就可小一些。</p>

6、;<p>　　缺點：整流器件用得多，全控橋需要六個觸發(fā)電路，需要電壓的設備也不能用電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。</p><p>　　綜合比較可知，應用本此設計的電路應選擇為三相橋式整流電路作為整流電路。</p><p>　　顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求。變壓器二次繞組電流中沒有直流分量。輸出整流電壓脈動小，所以平波電抗器容量就可小一些。</p><

7、;p>　　缺點：整流器件用得多，全控橋需要六個觸發(fā)電路，需要電壓的設備也不能用電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。</p><p>　　綜合比較可知，應用本此設計的電路應選擇為三相橋式整流電路作為整流電路。</p><p><b>　　觸發(fā)電路的選擇</b></p><p>　　晶閘管的門極電壓又叫觸發(fā)電壓，產(chǎn)生觸發(fā)信號的電路叫觸發(fā)電路。觸發(fā)

8、電路性能的好壞，直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此觸發(fā)電路必須保證迅速、準確、可靠地送出脈沖。為達到這個目的，正確選用或設計觸發(fā)電路是非常重要的，一個觸發(fā)電路性能的優(yōu)劣常用下列幾點來衡量：</p><p>　　1．觸發(fā)脈沖必須保持與主電路的交流電源同步，以保證每個周期都在相同的延遲角處觸發(fā)導通晶閘管。</p><p>　　2．觸發(fā)脈沖應能在一定的范圍內移相。對于不同的主電路要求的移相范圍也不

9、同。例如對于三相半波電路、電阻性負載，要求的移相范圍為0°～ 150°；大電感負載(電流連續(xù))，只要求整流，則移相范圍為0°～ 90°；如既要求整流又要逆變，則為30°～ 150°；三相全控橋式電路，電阻負載時為0°～ 120°，既要整流又要逆變時，其移相范圍為30°～ 150°，為保證逆變可靠，對最小逆變角min 應加以限制；三相半控橋

10、式電路，移相范圍為0°～ 180°。</p><p>　　3．觸發(fā)信號應有足夠的功率（電壓與電流）。為使所有合格的器件在各種可能的工作條件下都能可靠觸發(fā)，觸發(fā)電路送出的觸發(fā)電壓和電流，必須大于器件門極規(guī)定的觸發(fā)電壓Ug 與觸發(fā)電流Ig 。例如 KP50 就要求觸發(fā)電壓不小于3.5V，電流不小于l00mA；KP200 則要求觸發(fā)電壓不小于4V，電流不小于200mA 。故觸發(fā)電壓在4V以上、1OV

11、以下為宜，這樣就能保證任何一個合格的器件換上去都能正常工作。在觸發(fā)信號為脈沖形式時，只要觸發(fā)功率不超過規(guī)定值，觸發(fā)電壓、電流的幅值在短時間內可大大超過額定值。</p><p>　　4．不該觸發(fā)時，觸發(fā)電路的漏電壓應小于0.15～0.2V，以防誤觸發(fā)。</p><p>　　5．觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡。否則，因溫度、電源電壓等因素變化時將造成晶閘管的觸發(fā)時間不準確。設脈沖的幅值為Um， 脈沖前

12、沿是指由0.1Um上升到0.9Um所需要的時間，一般要在10μs以內為宜。</p><p>　　6．觸發(fā)脈沖應有一定的寬度。一般晶閘管的開通時間為6μs左右， 故觸發(fā)脈沖的寬度至少應在6μs以上，最好應有20～50μs。對于電感負載，觸發(fā)脈沖的寬度應加大，否則在脈沖終止時主電路電流還上升不到晶閘管的擎住電流，則晶閘管又重新關斷。</p><p><b>　　保護電路的設置<

13、/b></p><p>　　晶閘管有許多優(yōu)點，但是它承受過電壓和過電流的能力很差，短時間過壓過流就會使器件損壞。晶閘管能承受電壓和電流上升率是有一定限制的，當電流上升率過大時，會使器件局部燒穿而損壞。當電壓上升率太大時，又會導致晶閘管誤導通，使運行不正常。除了合理選擇晶閘管外，還必須針對過電壓和過電流采取恰當?shù)谋Ｗo措施。</p><p>　　主電路設計</p

14、><p><b>　　系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　主電路圖</b></p><p><b>　　圖2 主電路圖</b></p><p><b>　　單元電路的設計</b></p><p>　　整流變壓器額定參數(shù)計算&l

15、t;/p><p>　　變壓器二次側相電壓的計算</p><p>　　由指導書中第14頁給出的計算過程可知：</p><p><b>　　經(jīng)查表：，</b></p><p><b>　　帶入計算得： ，取</b></p><p>　　二次側相電流和一次側相電流的計算</p&g

16、t;<p><b>　　首先求變比 </b></p><p><b>　　由表可知：</b></p><p><b>　　帶入計算得： </b></p><p><b>　　變壓器容量計算：</b></p><p><b>

17、　　整流元件的選擇</b></p><p>　　晶閘管額定電壓： 系數(shù)取為</p><p><b>　　晶閘管的額定電流：</b></p><p><b>　　由表可知： </b></p><p><b>　　計算得： </b></p><p

18、>　　因此，選用晶閘管型號為</p><p><b>　　電抗器參數(shù)計算</b></p><p>　　為了使直流負載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器Ld，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流，一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計算主要是電感量的計算。</p><p>　?。?）求輸出電流連續(xù)的臨界電感量&l

19、t;/p><p>　　查表2-7可得： </p><p>　　計算得： </p><p>　　（2） 限制輸出電流脈動的電感量</p><p><b>　　查表2-7可得： </b></p><p>　　計算得： </p><p>　?。?） 電

20、動機電感量LD和變壓器漏電感量</p><p><b>　　由所給負載參數(shù)： </b></p><p><b>　　取 </b></p><p><b>　　帶入計算得： </b></p><p>　　查表得： </p><p><

21、b>　　帶入計算得：</b></p><p>　　（4） 實際串入電抗器電感量</p><p>　　故選用作為串入半波電抗器的電感值。</p><p>　　晶閘管保護環(huán)節(jié)的設計與計算</p><p><b>　?。?）過電壓保護：</b></p><p>　　以過電壓保護部位來分

22、，有交流側過電壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。</p><p>　　（?。┙涣鱾冗^電壓保護措施</p><p>　　采用組容保護。即在變壓器二次并聯(lián)電阻R和電容C進行保護，接線方式為三相變壓器二次側 Y 聯(lián)結，阻容保護 Y 聯(lián)結。如圖所示</p><p><b>　　參數(shù)計算：由于 </b></p><p

23、><b>　　變壓器對應</b></p><p><b>　　所以取 </b></p><p>　　變壓器對應的，這里取 </p><p><b>　　U </b></p><p>　　取 </p>

24、<p>　?。áⅲ?直流側過電壓保護措施</p><p>　　直流側保護可采用與交流側保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成 di/dt 加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護，如下圖所示。</p><p>　　壓敏電阻的標稱電壓，一般用下面公式計算，即：</p><p><b

25、>　　由于，則</b></p><p><b>　　故選用</b></p><p>　?。á＃?晶閘管兩端過電壓保護措施</p><p>　　由于晶閘管型號為KP70-7，則采用的在晶閘管兩端并聯(lián)組容保護。由經(jīng)驗數(shù)據(jù)得,線路圖如上圖右所示。</p><p><b>　　（2）過電流保護<

26、/b></p><p>　　快速熔斷器簡稱快熔，其斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側、交流側和直接與晶閘管串聯(lián)。電路圖如下。</p><p><b>　　觸發(fā)電路選擇與設計</b></p><p>　　本裝置所用AT89C52單片機的定時／計數(shù)器，采用12 M晶振定時器方式工作，同步信號產(chǎn)生電

27、路用以將從電網(wǎng)獲得的220 V交流電壓轉換成6個在相位上相差60°的同步?jīng)_。</p><p>　　AT89C52用作接收同步信號和α角，并將α角轉換為脈沖延時，從而控制三相全控橋式整流電路的門級，控制輸出電流的大小；驅動電路用來將從單片機出來的脈沖信號進行功率放大；帶阻容吸收裝置的三相全控橋式整流電路實現(xiàn)對輸出電流大小的控制并接收過電流、過電壓。</p><p>　　1． AT8

28、9C52主控制電路</p><p>　　主控制電路(圖1)充分利用AT89C52內部資源，通過外接12 M晶振和電容來實現(xiàn)時鐘電路。如圖1所示，同步信號通過P0．0～P0．2口輸入，單片機通過內部軟件實現(xiàn)計時和向P1．2～P1．7口輸出六路脈沖控制信號。若程序死循環(huán)，即可上電自動復位或人工復位。電路結構非常簡單，易于實現(xiàn)。</p><p>　　2. 三相全控橋式整流電路</p>

29、<p>　　經(jīng)變壓器出來的直流電壓接通六個晶閘管。同時經(jīng)過脈沖隔離驅動電路出來α的帶觸發(fā)角的六路脈沖信號控制門級UT1～UT6。</p><p>　　為了避免產(chǎn)生過電壓而造成的不利影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本實驗采用帶阻容吸收裝置的三相全控橋式整流電路，如圖所示。阻容吸收裝置利用電容來吸收過電壓，將引起過電壓的磁場能量變成電場能量儲存在變壓器中，然后電容通過電阻放電，將能量釋放在電阻上。</p&

30、gt;<p><b>　　3. 同步電路設計</b></p><p>　　傳統(tǒng)的觸發(fā)電路一般都需要三相同步變壓器提供同步信號，在三相全控橋式整流電路中，采用單片機觸發(fā)的晶閘管，首先要使觸發(fā)脈沖的自然換相點與三相電源的線電壓的過零點同步。</p><p>　　為克服傳統(tǒng)的同步變壓器接法復雜，調試困難的缺點，采用三個如圖3所示的同步電路，每一個電路采集一相同

31、步信號，這樣使得誤差更小，精度更高。</p><p>　　這三個一樣的電路分別接入單片機的P0．0～P0．2。同步電路主要由過零檢測器SF339和光耦隔離組成。由結構簡單、使用方便的SF339從電網(wǎng)中獲得的線電壓轉換成方波信號，再經(jīng)過光耦隔離，形成觸發(fā)電路所需的同步信號，其中每個電源周期的過零點輸出兩個同步脈沖，如圖4所示。</p><p>　　這樣一個周期內，三相電源輸出6個同步脈沖，這

32、6個同步脈沖信號在相位上相差60°。同步信號再經(jīng)過整形輸出分別送到AT89C52的三個輸入端口P0．0～PO．2．</p><p>　　4 .觸發(fā)脈沖驅動電路</p><p>　　六路脈沖控制信號在送入晶閘管控制級之前，必須對其進行放大，因為從AT89C52輸出的脈沖信號強度不夠驅動晶閘管，此時采用如圖所示的光電耦合集成運放驅動電路。</p><p>　　

33、從單片機來的控制信號經(jīng)過光電耦合再由集成運放放大，達到晶閘管所需的觸發(fā)脈沖。這種方法摒棄了體積較大的脈沖變壓器，電路的結構更簡化。</p><p>　　分析三相橋式全控整流電路的工作原理可知：為了確保電路的正常工作，需要保證在任意時刻共陰極組(VT1、VrI13、vT5)與共陽極組(vT4、VT6、vrI、2)中分別有一個晶閘管同時導通，方可形成導電回路。</p><p>　　以60度的時

34、間間隔依次導通的順序為：VT1和VT6、VT1和VT2、VT3和VT2、VT3和VT4、VT5和VT4、VT5和VT6，依此類推；為此，通常采用兩種方法：一種方法是使脈沖寬度大于6O度(一般取80度到100度)，稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種方法是在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給該晶閘管序號前面的那個晶閘管觸發(fā)脈沖，用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60度，脈沖寬度一般為20度到30度，稱為雙脈沖觸發(fā)。</p><p&g

35、t;　　雙脈沖觸發(fā)電路的結構較為復雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖然可以少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓器飽和，需將鐵心體積做得較大一些，繞組匝數(shù)較多，導致漏感增大，脈沖前沿不夠陡，對于晶閘管的串聯(lián)使用不利。</p><p>　　雖然可以用去磁繞組改善這種情況，但又使觸發(fā)電路復雜化。故此處用的是雙脈沖觸發(fā)方式，這里窄脈沖的寬度用20度來表示，發(fā)脈沖的時間即窄脈沖的寬度由定時器1、2設定。<

36、/p><p>　　根據(jù)脈沖觸發(fā)的順序，利用中斷查詢，當查詢到低電平的時候，即電壓過零的時刻，此時進入外部中斷服務程序，清1#，3#，5#標志位，查詢是A、B、C三相中的哪相電壓出現(xiàn)低電平。</p><p>　　如果是A相，將1#晶閘管標志位置1，然后開定時器T0中斷，清4#、6#、2#晶閘管標志位，置4#標志位為1，發(fā)1#、6#晶閘管脈沖。然后啟動定時器T1，當6O度的時間到時，發(fā)1#、2#脈

37、沖，中斷返回。以后中斷查詢會查到B相電壓過零的時刻依此類推，最終完成一個循環(huán)，實現(xiàn)了雙脈沖以l#6# 、1#2#、3#2#、3#4#、5#6#、1#6#? 的順序觸發(fā)。</p><p>　　由波圖可知，晶閘管觸發(fā)的時刻比自然換相點遲一些，延后的這段時間可以用角度d表示，而自然換相點又比過零點遲30度的時間，所以實際上定時器T0的定時時間實際上是控制角:30+a所經(jīng)歷的時間。在這里，晶閘管觸發(fā)相位的延遲可以通過CP

38、U內部的定時器11D計算產(chǎn)生?？刂瞥绦虬ㄈ糠郑褐鞒绦颉⑼獠恐袛喾粘绦蚝蛢炔慷〞r器(110、T1)中斷服務程序，程序流程圖如下：</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　1．《電力電子技術課程設計指導書》，王世榮等 編 2008.12</p><p>　　2．《電力電子技術》，機械工業(yè)出版社，王兆安 編 200

39、6.2</p><p>　　3．《半導體變流技術》，機械工業(yè)出版社 黃俊 編 1980年</p><p>　　4．《電力電子技術題例與電路設計指導》，石玉、栗書賢、王文郁編，機械工業(yè)出版社</p><p>　　5．《電力電子技術》，林輝、王輝主編，武漢理工大學出版社</p><p>　　6．《電力電子技術》，蘇玉剛、陳渝光主編，重慶大學出

40、版社</p><p>　　7．《電力電子技術》，浣喜明、姚為正編著，高等教育出版社</p><p>　　8．《電力電子技術》，石新春、楊京燕等編，中國電力出版社</p><p>　　9．《電力電子技術實踐教程》，潘孟春、胡媛媛主編，國防科技大學出版社</p><p><b>　　設計總結</b></p>&

41、lt;p>　　通過本課程設計，我受益匪淺。熟悉和掌握可控整流電路的基本工作原理及參數(shù)計算方法。掌握晶閘管在相關電路中的工作特點，并能根據(jù)設計要求，正確計算晶閘管參數(shù)，合理選擇晶閘管型號。了解常用晶閘管觸發(fā)電路的特點，并能根據(jù)實際電路選擇合理的觸發(fā)電路形式。對常用的晶閘管保護電路具有一定的分析和設計能力。具有初步發(fā)現(xiàn)和解決設計中出現(xiàn)的問題的能力。</p><p>　　在理論聯(lián)系實際、綜合分析、理論計算、歸納整