課程設(shè)計(jì)（論文）小功率晶閘管整流電路設(shè)計(jì)

1、題目：小功率晶閘管整流電路設(shè)計(jì)我用的是單片機(jī)觸發(fā)電路，一般是用集成芯片，額，這個(gè)可是得優(yōu)的設(shè)計(jì)。嘿嘿設(shè)計(jì)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(biāo)滿足系統(tǒng)要求。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(guò)壓和過(guò)流的抗干擾能力。觸發(fā)電路輸出滿足系統(tǒng)要求。4、負(fù)載為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為，電機(jī)參數(shù)為：型號(hào)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(duì)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(dòng)指標(biāo)在允許范圍內(nèi)。具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能和一定的穩(wěn)壓精度。 對(duì)調(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。2、 主電路的選擇一

2、般說(shuō)來(lái)，對(duì)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。方案一：三相零式整流電路優(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(jiǎn)單，用的晶閘管少，觸發(fā)器也少，對(duì)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(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(guò)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。方案二：三相橋式整流電路優(yōu)點(diǎn)：在輸出整流電壓相同時(shí)，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(méi)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。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。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。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(méi)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。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。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

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(hào)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(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(lái)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(gè)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(duì)于不同的主電路要求的移相范圍也不同。例如對(duì)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

5、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(duì)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(hào)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(gè)合格的器件換上去都能正常工作。在觸發(fā)信號(hào)為脈沖形式時(shí)，只要觸

6、發(fā)功率不超過(guò)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(guò)額定值。4不該觸發(fā)時(shí)，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(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， 脈沖前沿是指由0.1um上升到0.9um所需要的時(shí)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(kāi)通時(shí)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(duì)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。4、 保護(hù)電路的設(shè)置晶閘管有許多優(yōu)點(diǎn)，但是它承受過(guò)電

7、壓和過(guò)電流的能力很差，短時(shí)間過(guò)壓過(guò)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(guò)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(duì)過(guò)電壓和過(guò)電流采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。二、 主電路設(shè)計(jì)1、 系統(tǒng)框圖穩(wěn)壓電路變壓器負(fù)載電機(jī)三相全控橋整流阻容保護(hù) 2、 主電路圖 圖2 主電路圖三、 單元電路的設(shè)計(jì)1、 整流變壓器額定參數(shù)計(jì)算 變壓器二次側(cè)相電壓的計(jì)算由指導(dǎo)書中第14頁(yè)給出的計(jì)算過(guò)程可知：經(jīng)查表：，帶入計(jì)算得： ，取 二次側(cè)相電流和一次側(cè)相電流的計(jì)算首先求變比 由表可知：帶入計(jì)算得： 變壓器容量計(jì)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(jì)算得： 因此，選用晶閘管型號(hào)為3、 電抗器參數(shù)計(jì)算為了使直流負(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(guò)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。（1）求輸出電流連續(xù)的臨界電感量查表2-7可得： 計(jì)算得： （2） 限制輸出電流脈動(dòng)的電感量 查表2-7可得： 計(jì)算得： （3） 電動(dòng)機(jī)電感量ld和變壓器漏電感量由所給負(fù)載參數(shù)： 取 帶入計(jì)算得： 查表得： 帶入計(jì)算得：（4） 實(shí)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(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算（1）過(guò)電壓保護(hù)：以過(guò)電壓保護(hù)部位來(lái)分，有交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)、直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)和器件兩端的過(guò)電壓保護(hù)三種。（）交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)措施采用組容保護(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)。如圖所示參數(shù)計(jì)算：由于 變壓器對(duì)應(yīng)所以取 變壓器對(duì)應(yīng)的，這里取 u 取 （） 直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)措施直流側(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(guò)電壓保護(hù)，如下圖所示。壓敏電阻的標(biāo)稱電壓，一般用下面公式計(jì)算，

10、即：由于，則故選用（） 晶閘管兩端過(guò)電壓保護(hù)措施由于晶閘管型號(hào)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。（2）過(guò)電流保護(hù)快速熔斷器簡(jiǎn)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?？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(jì)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(hào)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(gè)在相位上相差60的同步?jīng)_。at89c52用作接收同步信號(hào)和角，并將角轉(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(jí)，控制輸出電流

11、的大小；驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)將從單片機(jī)出來(lái)的脈沖信號(hào)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(duì)輸出電流大小的控制并接收過(guò)電流、過(guò)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(guò)外接12 m晶振和電容來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘電路。如圖1所示，同步信號(hào)通過(guò)p00p02口輸入，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)和向p12p17口輸出六路脈沖控制信號(hào)。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(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。 2. 三相全控橋式整流電路經(jīng)變壓器出來(lái)的直流電壓接通六個(gè)晶閘管。同時(shí)經(jīng)過(guò)脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路出來(lái)的帶觸發(fā)角的六路脈沖信號(hào)控制門級(jí)ut1ut6。為了避免產(chǎn)生過(guò)電壓

12、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(lái)吸收過(guò)電壓，將引起過(guò)電壓的磁場(chǎng)能量變成電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在變壓器中，然后電容通過(guò)電阻放電，將能量釋放在電阻上。3. 同步電路設(shè)計(jì)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(hào)，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(guò)零點(diǎn)同步。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)電路采集一相同步信號(hào)，這樣使得誤差更小，精度更高。這三個(gè)一樣的電路分別接入單片機(jī)的p00p02。同步電路主要由過(guò)零檢

13、測(cè)器sf339和光耦隔離組成。由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)，再經(jīng)過(guò)光耦隔離，形成觸發(fā)電路所需的同步信號(hào)，其中每個(gè)電源周期的過(guò)零點(diǎn)輸出兩個(gè)同步脈沖，如圖4所示。這樣一個(gè)周期內(nèi)，三相電源輸出6個(gè)同步脈沖，這6個(gè)同步脈沖信號(hào)在相位上相差60。同步信號(hào)再經(jīng)過(guò)整形輸出分別送到at89c52的三個(gè)輸入端口p00po24 .觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路六路脈沖控制信號(hào)在送入晶閘管控制級(jí)之前，必須對(duì)其進(jìn)行放大，因?yàn)閺腶t89c52輸出的脈沖信號(hào)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。從單片機(jī)來(lái)的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)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

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(jiǎn)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(shí)刻共陰極組(vt1、vri13、vt5)與共陽(yáng)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。以60度的時(shí)間間隔依次導(dǎo)通的順序?yàn)椋簐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(hào)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

15、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)。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(duì)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(lái)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。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(guò)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

16、哪相電壓出現(xiàn)低電平。如果是a相，將1#晶閘管標(biāo)志位置1，然后開(kāi)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#脈沖，中斷返回。以后中斷查詢會(huì)查到b相電壓過(guò)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)。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(guò)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(guò)cpu

17、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?、外部中斷服務(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：定時(shí)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(shí)器0中斷清4、6、2#標(biāo)志1#=1？3#=1？5#=1？set 4#送1、6#標(biāo)志set 6#set 2#送3、2#脈沖送5、4#脈沖固定60度，開(kāi)t1中斷中斷返回int0中斷清楚1、3、5#標(biāo)志a相？b相？set 1#set 3#set5#c相？根據(jù)設(shè)定t0參數(shù)、開(kāi)t0中斷中斷返回參考資料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 2電力電子技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，王兆安 編 2006.23半導(dǎo)體變流技術(shù)，機(jī)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(jì)指導(dǎo)，石玉、栗書賢、王文郁編，機(jī)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(guó)電力出版社 9電力電子技術(shù)實(shí)踐教程，潘孟春、胡媛媛主編，國(guó)防科技大學(xué)出版社五、 設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)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