課程設計(論文)-小功率晶閘管整流電路設計

1、一 設計題目：小功率晶閘管整流電路設計設計目的通過電力電子變流技術的課程設計達到以下幾個目的：1、 培養(yǎng)學生文獻檢索能力，特別是如何利用internet檢索需要的文獻資料。2、 培養(yǎng)學生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3、 培養(yǎng)學生運用知識的能力和工程設計的能力。4、 培養(yǎng)學生運用仿真工具的能力和方法。5、 提高學生課程設計報告撰寫水平。設計數(shù)據(jù)：1、交流供電電源；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。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。觸發(fā)電路輸出滿足系統(tǒng)要求。4、負載為并勵直流電動機，型號為，電機參數(shù)為：型號額定功率額定電壓額定電

2、流額定轉(zhuǎn)速電樞回路電感四、設計內(nèi)容1、直流電動機選擇根據(jù)被控對象的特點和技術要求，綜合設計題目給出的參數(shù)選用電動機。2、主電路的選擇五、設計要求（1）輸出一定的直流電壓和電流。（2）輸出電壓的脈動指標在允許范圍內(nèi)。（3）具有自動穩(wěn)壓功能和一定的穩(wěn)壓精度。（4）對調(diào)速系統(tǒng)應有靜態(tài)技術指標和動態(tài)技術指標的要求。六、課程設計報告格式要求課程設計用紙和格式同意，要求圖表規(guī)范，文字通順，邏輯性強。設計報告不少于20頁。1 設計的基本要求（給出所要設計的裝置的主要技術數(shù)據(jù)和設計裝置要達到的要求（包括性能指標），最好簡述所設計裝置的主要用途）。2 總體方案的確定（包括調(diào)制方式、pwm控制方法，主電路形式確定

3、等）3 具體電路設計（主電路設計、控制電路設計以及參數(shù)計算等）4 附錄（電路圖，仿真結(jié)果圖等）5 參考文獻一、總體方案論證及選擇1、 對電氣控制系統(tǒng)的技術要求輸出一定的直流電壓和電流。輸出電壓的脈動指標在允許范圍內(nèi)。具有自動穩(wěn)壓功能和一定的穩(wěn)壓精度。 對調(diào)速系統(tǒng)應有靜態(tài)技術指標和動態(tài)技術指標的要求。2、 主電路的選擇一般說來，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。由于本設計方案的負載直流電機的額定功率為遠大，故選擇三相整流電路。方案一：三相零式整流電路優(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22

4、0V 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。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。方案二：三相橋式整流電路優(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。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。綜合比較可知，應用本此設計的電路應

5、選擇為三相橋式整流電路作為整流電路。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。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。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。3、 觸發(fā)電路的選擇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)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：1觸

6、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。2觸發(fā)脈沖應能在一定的范圍內(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；三相半控橋式電路，移相范圍

7、為0° 180°。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(nèi)可大大超過額定值。4不該觸發(fā)時，觸發(fā)電路的漏電壓應小于0.150.2V，以防誤觸發(fā)。5

8、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， 脈沖前沿是指由0.1Um上升到0.9Um所需要的時間，一般要在10s以內(nèi)為宜。6觸發(fā)脈沖應有一定的寬度。一般晶閘管的開通時間為6s左右， 故觸發(fā)脈沖的寬度至少應在6s以上，最好應有2050s。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。4、 保護電路的設置晶閘管有許多優(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

9、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。一、 主電路設計1、 系統(tǒng)框圖穩(wěn)壓電路變壓器負載電機三相全控橋整流阻容保護 2、 主電路圖 圖2 主電路圖二、單元電路的設計1、 整流變壓器額定參數(shù)計算 變壓器二次側(cè)相電壓的計算由指導書中第14頁給出的計算過程可知：經(jīng)查表：，帶入計算得： ，取 二次側(cè)相電流和一次側(cè)相電流的計算首先求變比 由表可知：帶入計算得： 變壓器容量計算：2、 整流元件的選擇 晶閘管額定電壓： 系數(shù)取為 晶閘管的額定電流：由表可知： 計算得： 因此，選用晶閘管型號為3、 電抗器參數(shù)計算為了使直流負

10、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。（1）求輸出電流連續(xù)的臨界電感量查表2-7可得： 計算得： （2） 限制輸出電流脈動的電感量 查表2-7可得： 計算得： （3） 電動機電感量LD和變壓器漏電感量由所給負載參數(shù)： 取 帶入計算得： 查表得： 帶入計算得：（4） 實際串入電抗器電感量故選用作為串入半波電抗器的電感值。4、 晶閘管保護環(huán)節(jié)的設計與計算（1）過電壓保護：以過電壓保護部位來分，有交流側(cè)過電壓保護、直流側(cè)過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。（）交流側(cè)過電

11、壓保護措施采用組容保護。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(cè) Y 聯(lián)結(jié)，阻容保護 Y 聯(lián)結(jié)。如圖所示參數(shù)計算：由于 變壓器對應所以取 變壓器對應的，這里取 U 取 （） 直流側(cè)過電壓保護措施直流側(cè)保護可采用與交流側(cè)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。壓敏電阻的標稱電壓，一般用下面公式計算，即：由于，則故選用（） 晶閘管兩端過電壓保護措施由于晶閘管型號為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

12、右所示。（2）過電流保護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(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。電路圖如下。 二、 觸發(fā)電路選擇與設計本裝置所用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)生電路用以將從電網(wǎng)獲得的220 V交流電壓轉(zhuǎn)換成6個在相位上相差60°的同步?jīng)_。AT89C52用作接收同步信號和角，并將角轉(zhuǎn)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??；驅(qū)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

13、電流、過電壓。1 AT89C52主控制電路 主控制電路(圖1)充分利用AT89C52內(nèi)部資源，通過外接12 M晶振和電容來實現(xiàn)時鐘電路。如圖1所示，同步信號通過P00P02口輸入，單片機通過內(nèi)部軟件實現(xiàn)計時和向P12P17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(jié)構(gòu)非常簡單，易于實現(xiàn)。 2. 三相全控橋式整流電路經(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(qū)動電路出來的帶觸發(fā)角的六路脈沖信號控制門級UT1UT6。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

14、，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。3. 同步電路設計傳統(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。為克服傳統(tǒng)的同步變壓器接法復雜，調(diào)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步信號，這樣使得誤差更小，精度更高。這三個一樣的電路分別接入單片機的P00P02。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

15、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。這樣一個周期內(nèi)，三相電源輸出6個同步脈沖，這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P00PO24 .觸發(fā)脈沖驅(qū)動電路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(qū)動晶閘管，此時采用如圖所示的光電耦合集成運放驅(qū)動電路。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(jié)構(gòu)更簡化。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

16、，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。以60度的時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)。雙脈沖觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)較為復雜，但要求的觸發(fā)

17、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。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。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。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

18、#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)。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CPU內(nèi)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?nèi)部定時器(110、T1)中斷服務程序，程序流程圖如下：定時器1中斷4#=1？6#=1？發(fā)1、2#脈沖發(fā)3、4#脈沖發(fā)5、6#脈沖2#=1？中斷返回主程序有鍵按下INT0中斷服務程序關一切中斷返回定時器0中斷清4、6、2#標志1#=1？3#=1？5#=1？Set 4#送1、6#標志Set 6#Set 2#送3、2#脈沖送5、4#脈沖固定60度，開T1中斷中斷返回INT0中斷清楚1、3、5#標志A相？B相？Se