220V／50A單相全波可控整流電路

1、 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)（論文） 題目：220V50A單相全波可控整流電路院（系）： 工程技術(shù)學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：工程技術(shù)學(xué)院 教研室：電氣教研室學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 課程設(shè)計(jì)（論文）題目220V50A單相全波可控整流電路課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課題完成的設(shè)計(jì)任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能：設(shè)計(jì)1臺(tái)額定電壓220V、功率為10kW的直流電動(dòng)機(jī)提供直流可調(diào)電源，以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速設(shè)計(jì)任務(wù)1、方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、主電路設(shè)計(jì)。3、通過計(jì)算選擇整流器件的具體型號(hào)。4、

2、若采用整流變壓器，確定變壓器變比及容量。5、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)或選擇。6、繪制相關(guān)電路圖。7、完成4000字左右說明書。要求1、 1、文字在4000字左右。2、 2、文中的理論分析與計(jì)算要正確。3、 3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術(shù)參數(shù)1、交流電源：?jiǎn)蜗?20V。2、整流輸出電壓Ud在0220V連續(xù)可調(diào)。3、整流輸出電流最大值50A。4、直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載。5、根據(jù)實(shí)際工作情況，最小控制角取20300左右。進(jìn)度計(jì)劃第1天：集中學(xué)習(xí)；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：主電路設(shè)計(jì)；第5天：選擇器件；第6天：確定變壓器變比及容量；第7天：確定平波電抗器；第8天：觸發(fā)電路設(shè)計(jì)；

3、第9天：總結(jié)并撰寫說明書；第10天：答辯指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī) 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘 要本設(shè)計(jì)采用單相全波可控整流，從而實(shí)現(xiàn)為1臺(tái)額定電壓220V、功率為10kW的直流電動(dòng)機(jī)提供直流可調(diào)電源，以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。將交流電變換為直流電稱為AC/DC變換，這正變換的功率流向是由電源傳向負(fù)載，稱之為整流。 大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓

4、器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。整流電路的種類有很多，有單相半波整流電路、單相全波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。本設(shè)計(jì)采用單相全波可控整流，以便于低壓輸出。關(guān)鍵詞：整流電路；變壓器；晶閘管；觸發(fā)電路；MATLAB。目 錄第1章 緒論11.1 電力電子技術(shù)概括11.2 本文研究?jī)?nèi)容21.3 方案論證3 單相橋式全控整流電路3 單相全波可控整流電路4第2章 單相全波可控整流電路設(shè)計(jì)52.1 單相全波可控整流電路總體設(shè)計(jì)框圖52.2 具體電路設(shè)計(jì)62.2.1 單相全波可控整流電路

5、設(shè)計(jì)6 由KJ004構(gòu)成的控制電路設(shè)計(jì)7 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)92.3 總電路原理圖102.4 元器件型號(hào)選擇112.5 MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)12第3章課程設(shè)計(jì)總結(jié)15參考文獻(xiàn)16第1章 緒論1.1 電力電子技術(shù)概括所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)隔閡電力電子技術(shù)兩大分支。具體的說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。目前所用的電力電子器件均由半導(dǎo)體制成，故也稱電子半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)所變換的“電力”，功率可以大到數(shù)百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到數(shù)瓦甚至毫瓦級(jí)。結(jié)合設(shè)計(jì)概括發(fā)展技術(shù)電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和交流技術(shù)（整流，逆變

6、，斬波，變頻，變相等）兩個(gè)分支。它是建立在電子學(xué)、電工原理和自動(dòng)控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大功率的電技術(shù)，又大多是為應(yīng)用強(qiáng)電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術(shù)的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導(dǎo)體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué)；它的工藝技術(shù)為半導(dǎo)體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點(diǎn)和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護(hù)、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根

7、據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，組成了各種用途的整機(jī)，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負(fù)載、配套設(shè)備等組成一個(gè)系統(tǒng)。電子學(xué)、電工學(xué)、自動(dòng)控制、信號(hào)檢測(cè)處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。 整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。它的應(yīng)用十分廣泛，例如直流電動(dòng)機(jī)，電鍍，電解電源，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，通信系統(tǒng)電源等。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸，電力系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，新能源系統(tǒng)等，在照明，空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。1.2 本文研究?jī)?nèi)容將220V單相全波可控整流電路為1臺(tái)額定電壓為220V，功率為10KW的直流電動(dòng)機(jī)提供直流可調(diào)電

8、源，以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。設(shè)計(jì)任務(wù)包括以下幾點(diǎn)：方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證主電路設(shè)計(jì)通過計(jì)算選擇整流器件的具體型號(hào)觸發(fā)電路設(shè)計(jì)或選擇繪制相關(guān)電路圖技術(shù)參數(shù)：交流電源：?jiǎn)蜗?20V整流輸出電壓在0220V連續(xù)可調(diào)整流輸出電流最大值50A直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載根據(jù)實(shí)際工作情況，最小控制角取20300左右1.3 方案論證1.3.1 單相橋式全控整流電路此電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會(huì)失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率也高。并且單相橋式全控整流電路具有

9、輸出電流脈動(dòng)小，功率因素高的特點(diǎn)。但是，電路中需要四只晶閘管，且觸發(fā)電路要分時(shí)觸發(fā)一對(duì)晶閘管，電路復(fù)雜，兩兩晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間差用分立元件電路難以控制。圖1.3.1 單相橋式整流電路1.3.2 單相全波可控整流電路單相全波可控整流電路又稱單相雙半波可控整流電路。此電路變壓器是帶中心抽頭的，在U2正半周T1工作，變壓器二次繞組上半部分流過電流。U2負(fù)半周，VT2工作，變壓器二次繞組下半部分流過反方向的電流。單相全波可控整流電路的Ud波形與單相全控橋的一樣，交流輸入端電流波形一樣，變壓器也不存在直流磁化的問題。當(dāng)接其他負(fù)載時(shí)，也有相同的結(jié)論。因此，單相全波與單相全控橋從直流輸入端或者從交流輸入端看均

10、是一致的，適用于輸出低壓的場(chǎng)合作電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)）。圖1.3.2 單相全波可控整流電路在比較兩者的電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以后決定選用單相全波可控整流電路作為主電路。第2章 單相全波可控整流電路設(shè)計(jì)2.1 單相全波可控整流電路總體設(shè)計(jì)框圖該電路主要由四部分構(gòu)成，分別為電源，過電保護(hù)電路，整流電路和觸發(fā)電路構(gòu)成。輸入的信號(hào)通過過電保護(hù)電路，保證電路出現(xiàn)過載或短路故障時(shí)，不至于傷害到晶閘管和負(fù)載，然后將經(jīng)保護(hù)后的信號(hào)輸入整流電路中。再通過整流之后，提供給負(fù)載。220單相交流電源整流電路負(fù)載電路觸發(fā)電路保護(hù)電路圖2.1 單相全波可控整流電路整體框圖 2.2 具體電路設(shè)計(jì)2.2.1 單相全波可控整流電

11、路設(shè)計(jì)單相全波整流電路如圖2.2.1（1）所示，波形圖如圖2.2.1（2）所示。圖2.2.1（1）單相全波可控整流電路總體電路圖圖2.2.1（2）單相全波可控整流電路波形圖2.2.2 由KJ004構(gòu)成的控制電路設(shè)計(jì)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間需要觸發(fā)脈沖，常用的觸發(fā)電路有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，設(shè)計(jì)利用KJ004構(gòu)成的集成觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及其分析，選擇模擬集成觸發(fā)電路KJ004，KJ004可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。一KJ004的工作原理KJ004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路

12、。KJ004電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬。對(duì)同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。原理圖如下圖2.2.2 KJ004的電路原理圖如圖 KJ004的電路原理圖所示，點(diǎn)劃框內(nèi)為KJ004的集成電路部分，它與分立元件的同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路類似。V1V4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓Us經(jīng)限流電阻R20加到V1、V2基極。在Us的正半周，V1導(dǎo)通，電流途徑為(+15VR3VD1V1地)；在Us負(fù)半周，V2、V3導(dǎo)通，電流途徑為(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、負(fù)半周期間。V4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)。只有在同步電壓|Us|0.7V

13、時(shí)，V1V3截止，V4從電源十15V經(jīng)R3、R4取得基極電流才能導(dǎo)通。電容C1接在V5的基極和集電極之間，組成電容負(fù)反饋的鋸齒波發(fā)生器。在V4導(dǎo)通時(shí)，C1經(jīng)V4、VD3迅速放電。當(dāng)V4截止時(shí)，電流經(jīng)(+15VR6C1R22RP1(15V)對(duì)C1充電，形成線性增長(zhǎng)的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過R22、RP1的充電電流和電容C1的大小。根據(jù)V4導(dǎo)通的情況可知，在同步電壓正、負(fù)半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關(guān)系。V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5（即4#端電壓）、偏移電壓Ub、移相控制電壓UC分別經(jīng)R24、R23、R26在V6基極上疊加。當(dāng)Ube6>+0.7V時(shí)，V

14、6導(dǎo)通。設(shè)uC5、Ub為定值，改變UC，則改變了V6導(dǎo)通的時(shí)刻，從而調(diào)節(jié)脈沖的相位。V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。V7經(jīng)電阻R25獲得基極電流而導(dǎo)通，電容C2由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5、V7基射結(jié)充電。當(dāng) V6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，C2所充電壓通過 V6成為 V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經(jīng) （+15VR25V6地）放電并反向充電，當(dāng)其充電電壓Uc2+1.4V時(shí)，V7又恢復(fù)導(dǎo)通。這樣，在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充電時(shí)間常數(shù)R25C2決定。V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個(gè)周期內(nèi)，V7集電極輸出兩個(gè)相位差為180°的脈沖。脈沖分選通過同步電壓

15、的正負(fù)半周進(jìn)行。如在us正半周V1導(dǎo)通，V8截止，V12導(dǎo)通，V12把來自V7的正脈沖箝位在零電位。同時(shí)，V7正脈沖又通過二極管VD7，經(jīng)V9V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負(fù)半周，情況剛好相反，V8導(dǎo)通，V12截止，V7正脈沖經(jīng) V13V15放大后輸出負(fù)相脈沖。說明：1) KJ004中穩(wěn)壓管VS6VS9可提高V8、V9、V12、V13的門限電壓，從而提高了電路的抗干擾能力。二極管VD1、VD2、VD6VD8為隔離二極管。2) 采用KJ004元件組裝的六脈沖觸發(fā)電路，二極管VD1VD12組成六個(gè)或門形成六路脈沖，并由三極管V1V6進(jìn)行脈沖功率放大。3) 由于 V8、V12的脈沖分選作用，使得同

16、步電壓在一周內(nèi)有兩個(gè)相位上相差180°的脈沖產(chǎn)生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，只需要三個(gè)與主電路同相的同步電壓就行了。因此主變壓器接成D，yn11及同步變壓器也接成D，yn11情況下，集成觸發(fā)電路的同步電壓Usa、Usb、Usc分別與同步變壓器的Usa、Usb、Usc相接 RP1RP3為鋸齒波斜率電位器，RP4RP6為同步相位。功能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調(diào)制輸出+Vcc引線腳號(hào)1 23 45 678910111213141516表2.2.2 KJ004芯片引腳功能2.2.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)1)過電流保護(hù)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)

17、生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流。過電流分過載和短路兩種情況。變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動(dòng)、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負(fù)載過載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生逆變失敗；以及交流電源電壓過高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。2)過電壓保護(hù)電力電子裝置在運(yùn)行中可能發(fā)生過電壓，過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電壓保護(hù)。圖2.2.3 保護(hù)電路2.3 總電路原理圖圖2.3 總電路原理圖2.4 元器件型號(hào)選擇晶閘管的主要參

18、數(shù)如下： （1）額定電壓UNVT 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM 反向重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通常取UDRM和URRM中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓要留有一定裕量，應(yīng)為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 UNVT （23）2U2 UNVT ：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓 UNVT =2U2=311.08V通過晶閘管的電流的平均值IvT(AV) （3）所

19、選晶閘管電流有效值IVT大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。選擇時(shí)考慮（1.52）倍的安全裕量。即這里取2倍安全電流儲(chǔ)備，并考慮晶閘管元件的額定電流，所以選擇額定電流為100A的晶閘管。 所以選用kp100型晶閘管。相控觸發(fā)電路芯片的選擇相控觸發(fā)電路芯片選擇KJ004集成觸發(fā)電路芯片構(gòu)成的集成觸發(fā)器，KJ004可控硅移相電路可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中,作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。器件輸出兩路相差180度的移相脈沖,可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低,有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。2.5 MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)MATLAB，打開Simulink，新建文件，根據(jù)單相橋式半控整流電路所需的元器件添加相應(yīng)的控件并連線，完成仿真圖的繪制。繪制完成后的仿真圖如圖2.4所示。圖2.4 單相全波可控整流電路的MATLAB仿真圖 電源參數(shù)設(shè)置如圖2.5所示圖2.5 電源參數(shù)由前面的計(jì)算我們已經(jīng)知道，當(dāng)觸發(fā)角從0連續(xù)變化到1800時(shí)，對(duì)應(yīng)的直流輸出電壓逐漸變小。圖2.5.1、2.5.2、2.5.3、2.5.4分別給出了控制角 為0、450、900、1800時(shí)的仿真波形圖。