整流電路驅(qū)動課程設(shè)計

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告 題 目：整流電路驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn) 學(xué) 院：機電與自動化學(xué)院 專業(yè)班級：電氣自動化技術(shù)1201班 學(xué)生姓名：xxxxxxx 學(xué) 號：20122822013 指導(dǎo)老師：xxxxxxxx 2014年6月3日至2014年6月13日 華中科技大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目整流電路驅(qū)動電路設(shè)計與實現(xiàn)二、設(shè)計主要內(nèi)容1、 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路簡化模型繪制與分析；2、 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路分立元器件電路設(shè)計；3、 KJ004，KJ041集成模塊介紹及驅(qū)動電路設(shè)計；4、 數(shù)字信號觸發(fā)電路設(shè)計；5、 同步電壓信號的選取方法。三、設(shè)計目的與要求1、 熟練掌握整流電路的

2、驅(qū)動電路的工作原理與設(shè)計；2、 熟練應(yīng)用Visio繪圖軟件和公式編輯器；3、 熟練應(yīng)用word軟件，課程設(shè)計報告排版規(guī)范；4、 能充分利用圖書館資源進行查閱資料和參考文獻；5、 要求目錄層次清晰，內(nèi)容充實且有創(chuàng)新與突破；6、 參考文獻不少于5篇。四、要求的設(shè)計成果1、課程設(shè)計說明書；2、電子檔資料（1份/組）。五、進程安排課程設(shè)計內(nèi)容學(xué)時分配課程設(shè)計選題；查閱及借閱參考資料；應(yīng)用軟件了解與學(xué)習(xí)；課程設(shè)計要點與難點學(xué)習(xí)。2.5天課程設(shè)計初步方案確定；電路繪制，元器件參數(shù)計算與選型；3.5天系統(tǒng)調(diào)試，方案改進與補充；2天整理資料，撰寫課程設(shè)計報告1天提交課程設(shè)計報告（或設(shè)計作品）并進行答辯考核。1

3、天合計10天六、主要參考資料【1】 王兆安.電力電子技術(shù).第五版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.8【2】 龔素文.電力電子技術(shù).第一版.北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.8【3】 廖冬初，聶漢平.電力電子技術(shù).第一版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007指導(dǎo)教師（簽名）： 2014 年 5 月 30日目錄1. 觸發(fā)電路的定義與功能11.1脈沖形成11.2 脈沖移相22. 同步鋸齒波觸發(fā)電路的設(shè)計32.1電路原理32.2電路圖的設(shè)計32.3脈沖的形成與放大環(huán)節(jié)42.4鋸齒波形成與移相環(huán)節(jié)42.5同步環(huán)節(jié)42.6強觸發(fā)環(huán)節(jié)82.7雙窄脈沖環(huán)節(jié)82.8觸發(fā)電路的工作狀態(tài)及波形圖103. 常用控制觸

4、發(fā)驅(qū)動器件113.1 KJ004晶閘管移相觸發(fā)器集成電路特點及應(yīng)用113.2 結(jié)構(gòu)及工作原理114.數(shù)字觸發(fā)電路13結(jié)論15參考文獻17附錄：組成員分工表181.觸發(fā)電路的定義與功能 在實際的生產(chǎn)與實踐中，當(dāng)采用晶閘管相控方式的時候，叫做相控電路。為了保證相控電路的正常工作，很重要的一點是應(yīng)保證按觸發(fā)角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖，這就是如何實現(xiàn)對相控電路電路的相位控制。由于相控電路都使用晶閘管器件，因此，習(xí)慣上也將相控電路相位控制的電路總稱為觸發(fā)電路。1.1脈沖形成 我們可以建模如下：如上圖，是一個簡單的晶體管控制開關(guān)。我們假設(shè)該晶體管壓降為0.7V，那么就是一個簡單

5、的控制開關(guān)，即是：當(dāng)Ub0.7V時，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)Ub0.7V時，開關(guān)閉合。UbOUT0.7V“0”0.7V“1”由此可見脈沖形成，如下所示 脈沖寬度由導(dǎo)通時間決定，通過對巨星圖像的分析，可以直觀的表現(xiàn)出脈沖的導(dǎo)通時間，脈沖出現(xiàn)的劣頻率。1.2 脈沖移相因而達到一個簡單的控制作用，這是最簡單常見的控制開關(guān)。從數(shù)學(xué)的角度我們也可以通過圖像進行分析： 通過對函數(shù)y=x這個圖像進行分析，我們其實大致的可以總結(jié)出一個一次函數(shù)y=x+D1+D2對于簡單觸發(fā)電路的實現(xiàn)與控制。即是：我們可以當(dāng)鋸齒波的發(fā)射信號為y=x這個簡單正比例函數(shù)，通過D1的正負來調(diào)解鋸齒波的前移后移來達到移相的目的。而當(dāng)我們需要觸發(fā)電路

6、與主電路的信號輸出相位必須達到一致時，我們必須要將觸發(fā)電路的信號同步定相，這就是D2的用途所在，其實就是一個初始定相的功能。 以上對于簡單控制電路的分析來說，最開始的原理不外乎就是這些。而隨著時代的發(fā)展，我們有越來越多的手段，技術(shù)，跟創(chuàng)作思想在改進著這些觸發(fā)控制電路。比如，集成觸發(fā)器，單片機，等等。2.同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路的具體設(shè)計2.1.電路原理鋸齒波同步觸發(fā)電路由鋸齒波形成、同步移相、脈沖形成放大環(huán)節(jié)、雙脈沖、脈沖封鎖等環(huán)節(jié)和強觸發(fā)環(huán)節(jié)等組成，可觸發(fā)200A的晶閘管。由于同步電壓采取鋸齒波，不直接受電網(wǎng)波動與波形畸變的影響，移相范圍寬，在大中容量中得到廣泛的應(yīng)用。下面是一系列的環(huán)節(jié)電

7、路圖：2.2.電路圖的設(shè)計 脈沖形成環(huán)節(jié)由晶體管V4、V5組成，V7、V8起脈沖放大作用?？刂齐妷篣co加在V4基極上，電路的觸發(fā)脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。 當(dāng)控制電路中Uco=0時，V4截止。+E1電源通過R11供給V5一個足夠大的的基極電流，使V5飽和導(dǎo)通，所以V5的集電極電壓Uc5接近于-E1。V7、V8處于截止狀態(tài)，無脈沖輸出。另外，電源的+E1（15V）經(jīng)R9、V5發(fā)射結(jié)到-E1（-15V），對電容C3的充電，充滿后電容兩端電壓接近2E1（30V），極性如下圖2.2-12.2-1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路當(dāng)控制電壓UcoO.7V時，V4導(dǎo)通，A點電位由

8、+E1(+15V)迅速降低至1.0V左右，由于電容C3兩端電壓不能突變，所以V5基極電位迅速降至與-2E1（-30V），由于V5發(fā)射結(jié)反偏置，V5立即截止。它的集電極電壓-E1（-15V）迅速上升到+3.1V（VD6、V7、V8三個PN結(jié)正向壓降之和），于是V7、V8導(dǎo)通，輸出觸發(fā)脈沖。同時，電容C3經(jīng)電源+E1、R11、VD4、V4放電和反向充電，使V5基極電位又逐漸上升，直到Ub5-E1（-15V），V5又重新導(dǎo)通。這時Uc5又立即降到-E1，使V7、V8截止，輸出脈沖終止?？梢?，脈沖前沿由V4導(dǎo)通時刻確定，V5（或V6）截止持續(xù)時間即為脈沖寬度。所以脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù)R11C

9、3有關(guān)。2.3 脈沖的形成與放大環(huán)節(jié)2.3-1脈沖形成和放大環(huán)節(jié)2.4 鋸齒波形成與移相環(huán)節(jié) 鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等。圖2.2-1所示為恒流源電路方案，由V1、V2、V3和C2等元件組成，其中V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路。 當(dāng)V2截止時，恒流源電源I1c對電容C2充電，所以C2兩端電壓Uc為 Uc按線性增長，即V3的基極電位按線性增長。調(diào)節(jié)電位器的RP2，即改變C2的恒定充電電流I1c，可見RP2是用來調(diào)節(jié)鋸齒波的斜率的。 當(dāng)V2截止時，由于R4的阻值較小，所以C2迅速放電，使電位迅速降到零附近。當(dāng)V2周期性的導(dǎo)通個關(guān)段時，便形成一個鋸齒波，同樣也是

10、一個鋸齒波電壓。射極跟隨器V3的作用是減小控制回路的電流對鋸齒波電壓的影響。 V4管的基極電位由鋸齒波電壓、直流控制電壓、直流偏移電壓Up三個電壓作用的疊加值所確定，它們分別通過電阻R6、R7、和R8與基極相接。 設(shè)Uh為鋸齒波電壓單獨作用在V4基極b4時的電壓，其值為 可見Uh仍為一鋸齒波，但斜率比Ue3低。同理偏移電壓Up單獨作用時b4的電壓Up為 可見Uco仍為一條與Up平行的直線，但絕對值比Uco小。 直流控制電壓uco單獨作用時b4的電壓為 可見Uco仍為與Uco平行的一直線，但絕對值比Uco小。 如果Uco=0，Up為負值時，b4點的波形由Ub+Up確定。當(dāng)Uco為正值的時候，b4

11、點的波形由確定。由于V4的存在，上述電壓波形與實際波形有出入，當(dāng)b4點電壓等于0.7V時，V4導(dǎo)通。由前面分析可知，V4經(jīng)過M點使電路輸出脈沖。因此當(dāng)Up為為某固定值的時候，改變u便可改變M的時間坐標，即改變了脈沖產(chǎn)生的時刻，脈沖被移相。可見加Up的目的時為了確定控制電壓Uco=0時脈沖的初始相位。當(dāng)接感性負載電流連續(xù)時，三相全控橋的脈沖初始相位應(yīng)該定在；如果是可逆系統(tǒng)，需要在整流和逆變的狀態(tài)下工作，這時要求脈沖的移相范圍為180度，由于鋸齒波波形兩端非線性，因而要求鋸齒波的寬度大于180度。2.4-1鋸齒波的形成和脈沖移相2.5 觸發(fā)電路的同步環(huán)節(jié)2.5-1同步環(huán)節(jié) 在鋸齒波的觸發(fā)電路中，觸

12、發(fā)電路與主電路的同步是指在要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。從圖2.2-1可知，鋸齒波是由開關(guān)V2來控制的。V2由導(dǎo)通變成截止期間產(chǎn)生鋸齒波，V2截止狀態(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度，V2開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率。 要使觸發(fā)脈沖與主電路電源同步，使V2的開關(guān)頻率與主電路頻率同步就可達到。圖4-1中的同步環(huán)節(jié)，是由同步變壓器TS和作同步開關(guān)用的晶體管V2組成的。同步變壓器和整流變壓器接在同一電源上，用同步變壓器的二次電壓來控制V2的通斷作用，這就保證了觸發(fā)脈沖與主電路同步。 同步變壓器二次電壓Uts經(jīng)過二極管VD1間接加在V2的基極上。當(dāng)二次電壓波形在負半周的下降段時，VD1

13、導(dǎo)通，電容C1被迅速充電。因O點接地為零電位，R點為負電位，Q點電位與R點相近，故在這一階段V2基極為反向偏置，V2截止。在負半周的上升段，+E1電源通過R1給C1反向充電，Uq為電容反向充電波形，其上升速度比Uts波形慢，故VD1截止，如圖4-1.當(dāng)Q點電位達1.4V時，V2導(dǎo)通，Q點電位被鉗位在1.4V。直到TS二次電壓的下一個負半周到來時，VD1重新導(dǎo)通，C1迅速放電后又被充電，V2截止。如此周而復(fù)始。在一個正弦波周期內(nèi)，V2包括導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)，對應(yīng)鋸齒波波形恰好是一個周期，與主電路電源頻率與相位完全相同，達到同步的目的?？梢钥闯?，Q點電位沖同步電壓負半周上升段開始時刻到達1.4V的

14、時間越長，V2截止時間就越長，鋸齒波就越寬?？芍忼X波的寬度是由充電時間常數(shù)R1C1決定的。2.6 觸發(fā)電路的強觸發(fā)環(huán)節(jié)2.6-1強觸發(fā)環(huán)節(jié)2.7 觸發(fā)電路的雙窄脈沖環(huán)節(jié)2.7-1雙窄脈沖環(huán)節(jié)本方案是采用性能價格比優(yōu)越、每個觸發(fā)單元的一個周期內(nèi)輸出兩個間隔 60°的脈沖的電路，稱內(nèi)雙脈沖電路。 圖61中V5、V6兩個晶體管構(gòu)成一個“或”門。當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時，Uc5約為-15V，使V7、V8都截止，沒有脈沖輸出。但只要V5、V6中有一個截止，都會使Uc5變?yōu)檎妷海筕7、V8導(dǎo)通，就有脈沖輸出。所以只要用適當(dāng)?shù)男盘杹砜刂芕5或V6的截止（前后間隔60°），就可以產(chǎn)生符合

15、要求的雙脈沖。其中，第一個脈沖由本相觸發(fā)單元的Uco對應(yīng)的控制角使V4由截止變?yōu)閷?dǎo)通造成V5瞬時截止，于是V8輸出脈沖，隔60°的第二個脈沖由滯后60°相位的后一相觸發(fā)單元在產(chǎn)生第一個脈沖時刻將其信號引至本相觸發(fā)單元V6的基極使V6瞬時截止，于是本相觸發(fā)單元的V8管又導(dǎo)通，第二次輸出一個脈沖，因而得到間隔60°的雙脈沖。其中VD4和R17的作用，主要是防止雙脈沖信號互相干擾。在三相橋式全控整流電路中，器件的導(dǎo)通次序為VT1VT2VT3VT4VT5VT6,彼此間隔60度，相鄰器件成雙接通。因此觸發(fā)電路中雙脈沖環(huán)節(jié)的接線方式為：以VT1的觸發(fā)器件的觸發(fā)單元而言，圖6-

16、1電路中的Y端應(yīng)該接VT2器件的觸發(fā)單元的X端，因為VT2器件的第一個脈沖比VT1器件的第一個脈沖滯后60度。所以當(dāng)VT2觸發(fā)單元電路的V4由截止變成導(dǎo)通時，本身輸出一個脈沖，同時使VT1器件觸發(fā)單元的V6截止，給VT1器件補送一個脈沖。同理，VT1器件觸發(fā)單元的X端應(yīng)該接VT6器件觸發(fā)電路的Y端。以此類推，可以確定6個元器件相應(yīng)觸發(fā)單元電路的雙脈沖環(huán)節(jié)間的互相接線。2.8 觸發(fā)電路的工作狀態(tài)及波形圖2.8-1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路的工作波形3.常用控制觸發(fā)驅(qū)動器件 電力半導(dǎo)體分為不控型、半控型和全控型三類，其中后兩類都需要用觸發(fā)信號來控制其導(dǎo)通（或關(guān)斷）。晶閘管屬半控型器件，它需要觸發(fā)脈

17、沖來控制其導(dǎo)通，但無法用觸發(fā)脈沖來關(guān)斷。全控器件又分為電壓型和電流型兩類，功率MOSFET、IGBT、MCT等屬電壓型全控器件，其共同點是：對觸發(fā)電壓有一定要求，而對觸發(fā)電流要求卻特別少，其中功率MOSFET、IGBT和MCT對觸發(fā)信號又有所不同，前者要求觸發(fā)電壓在器件導(dǎo)通期間一直加入，后者則需要觸發(fā)電壓脈沖將其觸發(fā)導(dǎo)通就行。GTR、GTO等屬電流型全控器件，他們的共同點是，對觸發(fā)電流有一定要求，故要求觸發(fā)電流輸出功率較大，同樣的，GTR和GTO對觸發(fā)信號也要求不同，GTR要求在器件在導(dǎo)通期間一直加入觸發(fā)電流，而GTO則只需觸發(fā)電流脈沖就可實行通斷控制。由于器件結(jié)構(gòu)不同，對觸發(fā)信號及器件檢測措

18、施也有所不同，因而各類器件都有各自的專用控制觸發(fā)驅(qū)動集成電路。 3.1 KJ004晶閘管移相觸發(fā)器集成電路特點及應(yīng)用 KJ004主要用于單相。三相全控橋式晶閘管電力電子設(shè)備中，作晶閘管的雙路脈沖移相觸發(fā)，它與國產(chǎn)的KC04晶閘管集成移相觸發(fā)器引腳及性能完全相同，是目前國內(nèi)晶閘管控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的集成電路之一。KJ004具有輸出負載能力大，移相性能好，正負半周脈沖相位值均衡性好，移向范圍寬，對同步電壓要求小，有脈沖列調(diào)制輸入端等特點。3.2結(jié)構(gòu)及工作原理 KJ004為標準雙列直插式16引腳集成電路，其引腳排列如圖8.1-1所示，各引腳名稱、功能及用法見表8.1-2.圖2.2-1為KJ004的內(nèi)

19、部原理圖，該電路由同步檢測，鋸齒波形成，偏移電路，移相比較，脈沖形成及雙路脈沖輸出放大等環(huán)節(jié)組成。3.2-1引腳排列圖表8.2-2 KJ004的引腳名稱、功能和用法引腳名 符號名稱功能和用法1P+同相脈沖輸出端接正半周導(dǎo)通晶閘管的脈沖功率放大器及脈沖變壓器2NC空端使用中懸空3Ct鋸齒波電容連接端通過電容接引腳44Vt同步鋸齒波電壓輸出端通過電阻接移相綜合端（引腳9）5V-工作負電源輸出端接用戶系統(tǒng)電源6NC空端使用中懸空7GND地端為整個電路的工作提供參考地端，使用中，接用戶電源地端8Vt同步電源輸入端使用中，分別通過一個電阻接用戶同步變壓器的2次測，同步電壓為30V9Vz移相、偏置及同步信

20、號綜合端使用中，分別通過3個等值電阻接鋸齒波、偏置電壓及移相電壓10NC空端使用中，懸空11Vp方波脈沖輸出端該端的輸出信號反應(yīng)了移相脈沖的相位，使用中，通過一個電容接引腳1212Vw脈寬信號輸入端該端與引腳11所接電容的大小反映了輸出脈沖的寬度，使用中，分別通過一個電阻和電容接正電容與引腳1113Vc-負脈沖調(diào)制及封鎖控制端通過該端輸入信號的不同，可對負輸出脈沖進行調(diào)制或封鎖，使用中，接調(diào)制脈沖源輸出或保護電路輸出14Vc+正脈沖調(diào)制及封鎖控制端通過該端輸入信號的不同，可對正輸出脈沖進行調(diào)制或封鎖，使用中，接調(diào)制脈沖源輸出或保護電路輸出15P-反相脈沖輸出端接負半周導(dǎo)通晶閘管的脈沖功率放大器

21、及脈沖變壓器16Vcc系統(tǒng)工作正電源輸入端使用中，接控制電路電源 4.數(shù)字觸發(fā)電路上述各種觸發(fā)電路都屬于模擬量控制電路，其缺點是易受電網(wǎng)影響，以及由于元件參數(shù)分散，同步電壓波形畸變等原因，會導(dǎo)致各觸發(fā)器的移相特性不一致。例如，當(dāng)同步電壓不對稱度為1°時，輸出脈沖的不對稱度可達3°5°，這會導(dǎo)致整流輸出諧波電壓增大，并使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)附加畸變，三相電壓中性點偏移。這種影響對于大型相控整流裝置來說是不可忽視的。數(shù)字式移相觸發(fā)裝置輸出脈沖不對稱度僅為1.5°，精度可提高23倍，因而使上述影響大為減輕。 數(shù)字式移相觸發(fā)電路的工作原理框圖如圖41所示?，F(xiàn)簡述如下：圖

22、中A/D為，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它將控制電壓Uc轉(zhuǎn)換為頻率與Uc成正比的計數(shù)脈沖。當(dāng)Uc=0時，計數(shù)脈沖頻率f1為1314kHz，Uc=10V時，f1為130140kHz，將此頻率的脈沖分別送到3個分頻器f1/f2（7位二進制計數(shù)器）。分頻器每輸入128個脈沖后輸出第一個脈沖至脈沖發(fā)生器，發(fā)生器將此脈沖轉(zhuǎn)換為觸發(fā)脈沖。脈沖發(fā)生器平時處于封鎖狀態(tài)，由正弦波同步電壓濾波經(jīng)移相器補償移相后削波限幅，形成梯形同步電壓Ut，Ut過零時對分頻計數(shù)器清零同時使脈沖發(fā)生器解除封鎖，使A/D輸入計數(shù)器的脈沖開始計數(shù)，在計至128個脈沖時脈沖發(fā)生器輸出觸發(fā)脈沖。Uc升高，脈沖頻率f1、f2增大，同樣出現(xiàn)128個脈沖的時間

23、縮短，使產(chǎn)生第一脈沖的時間提前，即減小。發(fā)生器每半周輸出脈沖經(jīng)脈沖選擇整形放大。4-1數(shù)字觸發(fā)電路結(jié)論 1.我們組做的是整流電路的驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)，對于這個比較陌生的電路設(shè)計我們首先展開了全面的考察與分析，對于觸發(fā)電路的每一個環(huán)節(jié)與過程我們都對自己說，必須吃透徹。所以，對于這個課題本身我們陌生但是并不畏懼。 觸發(fā)電路說到底，就是那么幾個環(huán)節(jié)，主要是脈沖形成、脈沖移相、同步等這幾大環(huán)節(jié)，通過這幾個環(huán)節(jié)的運作組成一個完整有穩(wěn)定工作能力的觸發(fā)電路。我們研究了許多關(guān)于觸發(fā)電路的書籍，總體上說來也是這幾個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，所以我們成員之間不僅僅在一本本的查閱關(guān)于這些觸發(fā)電路的書籍，更是在每個環(huán)節(jié)上下工夫，爭取能

24、找到最容易理解，簡單以及穩(wěn)定有效的設(shè)計方案。每一個環(huán)節(jié)都是一個新的領(lǐng)域，我們分工合作，各自把各自的每一部分都力爭到最簡潔易懂的地步，為的就是方便我們對驅(qū)動電路更加簡潔的設(shè)計與實現(xiàn)。所以，我們做這個課題并不是為了要做的多么高端，而是為了做得讓更多人理解，懂得如何設(shè)計觸發(fā)電路。在此，我們用了四個方案來闡述我們的設(shè)計思路，通過這四個方案，由淺到深得分別闡述了每一個方案的優(yōu)點以及弊端，我們也是為了便于對比這些方案的優(yōu)劣，當(dāng)然，這些設(shè)計方案都是因人而異，因地制宜罷了。這個課題帶給我們自身不僅僅是知識的突破，也是自身能力的突破。任何事不僅僅是做的讓人感覺很高端而已，而最起碼的是要讓大家能理解，應(yīng)用以及自我創(chuàng)新。 2.社會在進步，我們所需要掌握的東西與技能也不僅僅只是書本上的東西了，更多的是隨著社會的發(fā)展而對自身能力的提升。在沒有開這個課題之前，我對于這次我們課題中有些需要用到的軟件聽都沒聽說過，這就是我自身能力的不足了，所以通過這次課題的開設(shè)，我下定決心在這個過程中不僅僅是完成這個課題而已，而是要對我自身軟件應(yīng)用方面的能力要有要求。所以我盡力在word,visio軟件應(yīng)用方面下大工夫，不懂的我去問老師，問同學(xué)，問