課程設(shè)計(jì)---小功率晶閘管整流電路設(shè)計(jì)

1、<p>　　題目：小功率晶閘管整流電路設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)技術(shù)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(shù)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　3、電路應(yīng)具有一定的穩(wěn)壓功能，同時(shí)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(fù)載為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，型號為，電機(jī)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(shù)要求</p><p>　?、佥敵鲆欢ǖ闹绷麟妷汉碗娏?。</p><p>　?、谳敵鲭妷旱拿}動(dòng)指標(biāo)在允許范圍內(nèi)

3、。</p><p>　?、劬哂凶詣?dòng)穩(wěn)壓功能和一定的穩(wěn)壓精度。 </p><p>　?、軐φ{(diào)速系統(tǒng)應(yīng)有靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)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(shí)( 以下)，用單相整流電路，功率較大時(shí)用三相整流電路。由于本設(shè)計(jì)方案的

4、負(fù)載直流電機(jī)的額定功率為遠(yuǎn)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(diǎn)：三相整流電路中，三相零式電路突出的優(yōu)點(diǎn)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(shè)備直接用380V電網(wǎng)供電，而不需要另設(shè)整流變壓器。</p><p>　　缺點(diǎn)：要求晶閘管耐壓高，整流輸出電壓脈動(dòng)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(fù)載電流，在零線截面小時(shí)壓降大，往往需要從變壓器單獨(dú)敷設(shè)零線。</p><p>　　方案二：三相橋式整流電路</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：在輸出整流電壓相同時(shí)，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(dòng)小，所以平波電抗器容量就可小一些。</p>

6、;<p>　　缺點(diǎn)：整流器件用得多，全控橋需要六個(gè)觸發(fā)電路，需要電壓的設(shè)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(yīng)用本此設(shè)計(jì)的電路應(yīng)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(dòng)小，所以平波電抗器容量就可小一些。</p><

7、;p>　　缺點(diǎn)：整流器件用得多，全控橋需要六個(gè)觸發(fā)電路，需要電壓的設(shè)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(yīng)用本此設(shè)計(jì)的電路應(yīng)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(zhǔn)確、可靠地送出脈沖。為達(dá)到這個(gè)目的，正確選用或設(shè)計(jì)觸發(fā)電路是非常重要的，一個(gè)觸發(fā)電路性能的優(yōu)劣常用下列幾點(diǎn)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(gè)周期都在相同的延遲角處觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管。</p><p>　　2．觸發(fā)脈沖應(yīng)能在一定的范圍內(nèi)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(fù)載，要求的移相范圍為0°～ 150°；大電感負(fù)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(fù)載時(shí)為0°～ 120°，既要整流又要逆變時(shí)，其移相范圍為30°～ 150°，為保證逆變可靠，對最小逆變角min 應(yīng)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(yīng)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(gè)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(shí)，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(shí)間內(nèi)可大大超過額定值。</p><p>　　4．不該觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)電路的漏電壓應(yīng)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(shí)將造成晶閘管的觸發(fā)時(shí)間不準(zhǔn)確。設(shè)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(shí)間，一般要在10μs以內(nèi)為宜。</p><p>　　6．觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度。一般晶閘管的開通時(shí)間為6μs左右， 故觸發(fā)脈沖的寬度至少應(yīng)在6μs以上，最好應(yīng)有20～50μs。對于電感負(fù)載，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)加大，否則在脈沖終止時(shí)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(guān)斷。</p><p><b>　　保護(hù)電路的設(shè)置<

13、/b></p><p>　　晶閘管有許多優(yōu)點(diǎn)，但是它承受過電壓和過電流的能力很差，短時(shí)間過壓過流就會(huì)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(dāng)電流上升率過大時(shí)，會(huì)使器件局部燒穿而損壞。當(dāng)電壓上升率太大時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致晶閘管誤導(dǎo)通，使運(yùn)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(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。</p><p>　　主電路設(shè)計(jì)</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(shè)計(jì)</b></p><p>　　整流變壓器額定參數(shù)計(jì)算&l

15、t;/p><p>　　變壓器二次側(cè)相電壓的計(jì)算</p><p>　　由指導(dǎo)書中第14頁給出的計(jì)算過程可知：</p><p><b>　　經(jīng)查表：，</b></p><p><b>　　帶入計(jì)算得： ，取</b></p><p>　　二次側(cè)相電流和一次側(cè)相電流的計(jì)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(jì)算得： </b></p><p><b>　　變壓器容量計(jì)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(jì)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(jì)算</b></p><p>　　為了使直流負(fù)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(jì)算主要是電感量的計(jì)算。</p><p>　　（1）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(jì)算得： </p><p>　?。?） 限制輸出電流脈動(dòng)的電感量</p><p><b>　　查表2-7可得： </b></p><p>　　計(jì)算得： </p><p>　?。?） 電

20、動(dòng)機(jī)電感量LD和變壓器漏電感量</p><p><b>　　由所給負(fù)載參數(shù)： </b></p><p><b>　　取 </b></p><p><b>　　帶入計(jì)算得： </b></p><p>　　查表得： </p><p><

21、b>　　帶入計(jì)算得：</b></p><p>　?。?） 實(shí)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(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p><b>　?。?）過電壓保護(hù)：</b></p><p>　　以過電壓保護(hù)部位來分

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

23、><b>　　變壓器對應(yīng)</b></p><p><b>　　所以取 </b></p><p>　　變壓器對應(yīng)的，這里取 </p><p><b>　　U </b></p><p>　　取 </p>

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

25、>　　由于，則</b></p><p><b>　　故選用</b></p><p>　　（ⅲ） 晶閘管兩端過電壓保護(hù)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(hù)。由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得,線路圖如上圖右所示。</p><p><b>　?。?）過電流保護(hù)<

26、/b></p><p>　　快速熔斷器簡稱快熔，其斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施。快速熔斷器可以安裝在直流側(cè)、交流側(cè)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(shè)計(jì)</b></p><p>　　本裝置所用AT89C52單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器，采用12 M晶振定時(shí)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(zhuǎn)換成6個(gè)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(zhuǎn)換為脈沖延時(shí)，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??；驅(qū)動(dòng)電路用來將從單片機(jī)出來的脈沖信號進(jìn)行功率放大；帶阻容吸收裝置的三相全控橋式整流電路實(shí)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(nèi)部資源，通過外接12 M晶振和電容來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘電路。如圖1所示，同步信號通過P0．0～P0．2口輸入，單片機(jī)通過內(nèi)部軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)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(dòng)復(fù)位或人工復(fù)位。電路結(jié)構(gòu)非常簡單，易于實(shí)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(gè)晶閘管。同時(shí)經(jīng)過脈沖隔離驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(shè)計(jì)</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(jī)觸發(fā)的晶閘管，首先要使觸發(fā)脈沖的自然換相點(diǎn)與三相電源的線電壓的過零點(diǎn)同步。</p><p>　　為克服傳統(tǒng)的同步變壓器接法復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy的缺點(diǎn)，采用三個(gè)如圖3所示的同步電路，每一個(gè)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(gè)一樣的電路分別接入單片機(jī)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(jié)構(gòu)簡單、使用方便的SF339從電網(wǎng)中獲得的線電壓轉(zhuǎn)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(gè)電源周期的過零點(diǎn)輸出兩個(gè)同步脈沖，如圖4所示。</p><p>　　這樣一個(gè)周期內(nèi)，三相電源輸出6個(gè)同步脈沖，這

32、6個(gè)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(gè)輸入端口P0．0～PO．2．</p><p>　　4 .觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)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(jìn)行放大，因?yàn)閺腁T89C52輸出的脈沖信號強(qiáng)度不夠驅(qū)動(dòng)晶閘管，此時(shí)采用如圖所示的光電耦合集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　

33、從單片機(jī)來的控制信號經(jīng)過光電耦合再由集成運(yùn)放放大，達(dá)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(jié)構(gòu)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(shí)刻共陰極組(VT1、VrI13、vT5)與共陽極組(vT4、VT6、vrI、2)中分別有一個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，方可形成導(dǎo)電回路。</p><p>　　以60度的時(shí)

34、間間隔依次導(dǎo)通的順序?yàn)椋篤T1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(gè)晶閘管的同時(shí)，給該晶閘管序號前面的那個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖，用兩個(gè)窄脈沖代替寬脈沖，兩個(gè)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(jié)構(gòu)較為復(fù)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(dǎo)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(fù)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(shí)間即窄脈沖的寬度由定時(shí)器1、2設(shè)定。<

36、/p><p>　　根據(jù)脈沖觸發(fā)的順序，利用中斷查詢，當(dāng)查詢到低電平的時(shí)候，即電壓過零的時(shí)刻，此時(shí)進(jìn)入外部中斷服務(wù)程序，清1#，3#，5#標(biāo)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(biāo)志位置1，然后開定時(shí)器T0中斷，清4#、6#、2#晶閘管標(biāo)志位，置4#標(biāo)志位為1，發(fā)1#、6#晶閘管脈沖。然后啟動(dòng)定時(shí)器T1，當(dāng)6O度的時(shí)間到時(shí)，發(fā)1#、2#脈

37、沖，中斷返回。以后中斷查詢會(huì)查到B相電壓過零的時(shí)刻依此類推，最終完成一個(gè)循環(huán)，實(shí)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(shí)刻比自然換相點(diǎn)遲一些，延后的這段時(shí)間可以用角度d表示，而自然換相點(diǎn)又比過零點(diǎn)遲30度的時(shí)間，所以實(shí)際上定時(shí)器T0的定時(shí)時(shí)間實(shí)際上是控制角:30+a所經(jīng)歷的時(shí)間。在這里，晶閘管觸發(fā)相位的延遲可以通過CP

38、U內(nèi)部的定時(shí)器11D計(jì)算產(chǎn)生?？刂瞥绦虬ㄈ糠郑褐鞒绦颉⑼獠恐袛喾?wù)程序和內(nèi)部定時(shí)器(110、T1)中斷服務(wù)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(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，王世榮等 編 2008.12</p><p>　　2．《電力電子技術(shù)》，機(jī)械工業(yè)出版社，王兆安 編 200

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

40、版社</p><p>　　7．《電力電子技術(shù)》，浣喜明、姚為正編著，高等教育出版社</p><p>　　8．《電力電子技術(shù)》，石新春、楊京燕等編，中國電力出版社</p><p>　　9．《電力電子技術(shù)實(shí)踐教程》，潘孟春、胡媛媛主編，國防科技大學(xué)出版社</p><p><b>　　設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p>&

41、lt;p>　　通過本課程設(shè)計(jì)，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(jì)算方法。掌握晶閘管在相關(guān)電路中的工作特點(diǎn)，并能根據(jù)設(shè)計(jì)要求，正確計(jì)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(diǎn)，并能根據(jù)實(shí)際電路選擇合理的觸發(fā)電路形式。對常用的晶閘管保護(hù)電路具有一定的分析和設(shè)計(jì)能力。具有初步發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題的能力。</p><p>　　在理論聯(lián)系實(shí)際、綜合分析、理論計(jì)算、歸納整