課程設(shè)計（論文）小功率晶閘管整流電路設(shè)計

1、題目：小功率晶閘管整流電路設(shè)計我用的是單片機觸發(fā)電路，一般是用集成芯片，額，這個可是得優(yōu)的設(shè)計。嘿嘿設(shè)計技術(shù)數(shù)據(jù)及要求：1、交流供電電源；2、電路輸出的直流電壓和電流的技術(shù)指標滿足系統(tǒng)要求。3、電路應(yīng)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流額定轉(zhuǎn)速電樞回路電感一、 總體方案論證及選擇1、 對電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)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(yīng)有靜態(tài)技術(shù)指標和動態(tài)技術(shù)指標的要求。2、 主電路的選擇一

2、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(shè)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。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(shè)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

3、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(shè)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(yīng)用本此設(shè)計的電路應(yīng)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(shè)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(yīng)用本此設(shè)計的電路應(yīng)選擇為三相橋式整流電路作為整流

4、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(shè)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(dǎo)通晶閘管。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

5、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(yīng)加以限制；三相半控橋式電路，移相范圍為0 180。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

6、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(yīng)小于0.150.2v，以防誤觸發(fā)。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(shè)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(yīng)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(yīng)在6s以上，最好應(yīng)有2050s。對于電感負載，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)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(guān)斷。4、 保護電路的設(shè)置晶閘管有許多優(yōu)點，但是它承受過電

7、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(dāng)電流上升率過大時，會使器件局部燒穿而損壞。當(dāng)電壓上升率太大時，又會導(dǎo)致晶閘管誤導(dǎo)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(dāng)?shù)谋Ｗo措施。二、 主電路設(shè)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 主電路圖三、 單元電路的設(shè)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(dǎo)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、

8、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

9、保護環(huán)節(jié)的設(shè)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(yīng)所以取 變壓器對應(yīng)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，

10、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(yīng)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。 四、 觸發(fā)電路選擇與設(shè)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

11、的大?。或?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(fù)位或人工復(fù)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

12、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。3. 同步電路設(shè)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(fù)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

13、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

14、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，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(dǎo)通，方可形成導(dǎo)電回路。以60度的時間間隔依次導(dǎo)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

15、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(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。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)脈沖的時間即窄脈沖的寬度由定時器1、2設(shè)定。根據(jù)脈沖觸發(fā)的順序，利用中斷查詢，當(dāng)查詢到低電平的時候，即電壓過零的時刻，此時進入外部中斷服務(wù)程序，清1#，3#，5#標志位，查詢是a、b、c三相中的

16、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#標志位為1，發(fā)1#、6#晶閘管脈沖。然后啟動定時器t1，當(dāng)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

17、內(nèi)部的定時器11d計算產(chǎn)生?？刂瞥绦虬ㄈ糠郑褐鞒绦?、外部中斷服務(wù)程序和內(nèi)部定時器(110、t1)中斷服務(wù)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(wù)程序關(guān)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？set 1#set 3#set5#c相？根據(jù)設(shè)定t0參數(shù)、開t0中斷中斷返回參考資料1電力電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書，王世榮等 編 2008.12 2電力電子技術(shù)，機械工業(yè)出版社，王兆安 編 2006.23半導(dǎo)體變流技術(shù)，機械工業(yè)出版社 黃俊 編 1980年 4電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計指導(dǎo)，石玉、栗書賢、王文郁編，機械工業(yè)出版社 5電力電子技術(shù)，林輝、王輝主編，武漢理工大學(xué)出版社 6電力電子技術(shù)，蘇玉剛、陳渝光主編，重慶大學(xué)出版社 7電力電子技術(shù)，浣喜明、姚為正編著，高等教育出版社 8電力電子技術(shù)，石新春、楊京燕等編，中國電力出版社 9電力電子技術(shù)實踐教程，潘孟春、胡媛媛主編，國防科技大學(xué)出版社五、 設(shè)計總結(jié)通過本課程設(shè)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)