220V／100A单相全波可控整流电路.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术课程设计 论文 电力电子技术课程设计 论文 题目 题目 220V 100A单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路 院 系 院 系 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 2013 12 16 2013 12 272013 12 16 2013 12 27 本科生课程设计 论文 II 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电子与信息工程学院 教研室 电子信息工 程 学 号 学生姓名 专业班级 课程设计 论文 题目 220V 100A单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路 课程设计 论文 任务 课题完成的设计任务及功能 要求 技术参数课题完成的设计任务及功能 要求 技术参数 实现功能 实现功能 设计 1 台额定电压 220V 功率为 20kW 的直流电动机提供直流可调电源 以实现直流电动机的调速 技术参数 技术参数 1 交流电源 单相 220V 2 整流输出电压 Ud在 0 220V 连续可调 3 整流输出电流最大值 100A 4 直流电动机负载 5 根据实际工作情况 最小 控制角取 20 300左右 设计任务 设计任务 1 方案的经济技术论证 2 主电路设计 3 通过计算选择整流器件的具 体型号 4 若采用整流变压器 确定变压器变比及容量 5 触发电路设计或 选择 6 绘制相关电路图 7 完成 4000 字左右说明书 要求 要求 1 1 文字在 4000 字左右 2 2 文中的理论分析与计算要正确 3 3 文中的图表工整 规范 4 元器件的选择符合要求 进度计划 第 1 天 集中学习 第 2 天 收集资料 第 3 天 方案论证 第 4 天 主 电路设计 第 5 天 选择器件 第 6 天 确定变压器变比及容量 第 7 天 确 定平波电抗器 第 8 天 触发电路设计 第 9 天 总结并撰写说明书 第 10 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 III 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 本科生课程设计 论文 IV 摘 要 本设计采用单相全波可控整流 从而实现 为 1 台额定电压 220V 功率为 20kW 的直流电动机提供直流可调电源 以实现直流电动机的调速 将交流电变 换为直流电称为 AC DC 变换 这正变换的 功率流向是由电源传向负载 称之 为整流 大多数整流电路由变压器 整流主电路和滤波器等组成 它在直流电 动机的调速 发电机的励磁调节 电解 电镀等领域得到广泛应用 主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成 滤波器接在主电路与负载之间 用于滤除脉动直流电压中的交流成分 变压器设置与否视具体情况而定 变压 器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电 路之间的电隔离 整流电路的种类有很多 有 单相半波整流电路 单相全波 整流电路 单相桥式半控整流 电路 单相桥式全控整流 电路 三相桥式半控 整流电路 三相桥式全控整流 电路等 本设计采用 单相全波可控整流 以便 于低压输出 关键词 整流电路 变压器 晶闸管 触发电路 本科生课程设计 论文 V 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 单相全波整流电路的发展 1 1 2 本文研究内容 2 1 3 方案论证 3 1 3 1 单相桥式全控整流电路 3 1 3 2 单相全波可控整流电路 4 第 2 章 单相全波可控整流电路设计 5 2 1 单相全波可控整流电路总体设计框图 5 2 2 具体电路设计 6 2 2 1 单相全波可控整流电路设计 6 2 2 2 由 KJ004 构成的控制电路设计 7 2 2 3 保护电路的设计 9 2 3 总电路原理图 10 2 4 元器件型号选择 11 第 3 章 课程设计总结 12 参考文献 13 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 单相全波整流电路的发展 顾名思义 所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术 电子技术包 括信息电子技术隔阂电力电子技术两大分支 具体的说 电力电子技术就是使用 电力电子器件对电能进行变换和控制的技术 目前所用的电力电子器件均由半导 体制成 故也称电子半导体器件 电力电子技术所变换的 电力 功率可以大 到数百兆瓦甚至吉瓦 也可以小到数瓦甚至毫瓦级 结合设计概括发展技术电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技 术 整流 逆变 斩波 变频 变相等 两个分支 它是建立在电子学 电 工原理和自动控制三大学科上的新兴学科 因它本身是大功率的电技术 又大 多是为应用强电的工业服务的 故常将它归属于 电工类 电力电子技术的内 容主要包括电力电子器件 电力电子电路 和电力电子装置 及其系统 电力电 子器件以半导体为基本材料 最常用的材料为单晶硅 它的理论基础为半导 体物理学 它的工艺技术为半导体器件工艺 近代新型电力电子器件中大量应 用了微电子学的技术 电力电子电路吸收了电子学的理论基础 根据器件的特 点和电能转换的要求 又开发出许多电能转换电路 这些电路中还包括各种控 制 触发 保护 显示 信息处理 继电接触等二次回路及外围电路 利用这 些电路 根据应用对象的不同 组成了各种用途的整机 称为电力电子装置 这些装置常与负载 配套设备等组成一个系统 电子学 电工学 自动控制 信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用 整流电路是电力电子电路中出现最早的一种 它的作用是将交流电能变为直 流电能供给直流用电设备 它的应用十分广泛 例如直流电动机 电镀 电解电 源 同步发电机励磁 通信系统电源等 它不仅用于一般工业 也广泛用于交通 运输 电力系统 通信系统 计算机系统 新能源系统等 在照明 空调等家用 电器及其他领域也有着广泛应用 本科生课程设计 论文 2 1 2 本文研究内容 将 220V 单相全波可控整流电路为 1 台额定电压为 220V 功率为 20KW 的直流 电动机提供直流可调电源 以实现直流电动机的调速 设计任务包括以下几点 方案的经济技术论证 主电路设计 通过计算选择整流器件的具体型号 触发电路设计或选择 绘制相关电路图 技术参数 交流电源 单相 220V 整流输出电压在 0 220V 连续可调 整流输出电流最大值 100A 直流电动机负载 根据实际工作情况 最小控制角取 20 300左右 本科生课程设计 论文 3 1 3 方案论证 1 3 1 单相桥式全控整流电路 此电路对每个导电回路进行控制 无须用续流二极管 也不会失控现象 负 载形式多样 整流效果好 波形平稳 应用广泛 变压器二次绕组中 正负两个 半周电流方向相反且波形对称 平均值为零 即直流分量为零 不存在变压器直 流磁化问题 变压器的利用率也高 并且单相桥式全控整流电路具有输出电流脉 动小 功率因素高的特点 但是 电路中需要四只晶闸管 且触发电路要分时触 发一对晶闸管 电路复杂 两两晶闸管导通的时间差用分立元件电路难以控制 图 1 3 1 单相桥式整流电路 本科生课程设计 论文 4 1 3 2 单相全波可控整流电路 单相全波可控整流电路又称单相双半波可控整流电路 此电路变压器是带中 心抽头的 在 U2 正半周 T1 工作 变压器二次绕组上半部分流过电流 U2 负半周 VT2 工作 变压器二次绕组下半部分流过反方向的电流 单相全波可控整流电路 的 Ud 波形与单相全控桥的一样 交流输入端电流波形一样 变压器也不存在直 流磁化的问题 当接其他负载时 也有相同的结论 因此 单相全波与单相全控 桥从直流输入端或者从交流输入端看均是一致的 适用于输出低压的场合作电流 脉冲大 电阻性负载时 图 1 3 2 单相全波可控整流电路 在比较两者的电路结构的优缺点以后决定选用单相全波可控整流电路作为主 电路 本科生课程设计 论文 5 第 2 章 单相全波可控整流电路设计 2 1 单相全波可控整流电路总体设计框图 该电路主要由四部分构成 分别为电源 过电保护电路 整流电路和触发电 路构成 输入的信号通过过电保护电路 保证电路出现过载或短路故障时 不至 于伤害到晶闸管和负载 然后将经保护后的信号输入整流电路中 再通过整流之 后 提供给负载 图 2 1 单相全波可控整流电路整体框图 220 单相交流 电源 整流电路负载电路 触发电路 保护电路 本科生课程设计 论文 6 2 2 具体电路设计 2 2 1 单相全波可控整流电路设计 单相全波整流电路如图 2 2 1 1 所示 波形图如图 2 2 1 2 所示 图 2 2 1 1 单相全波可控整流电路总体电路图 图 2 2 1 2 单相全波可控整流电路波形图 本科生课程设计 论文 7 2 2 2 由 KJ004 构成的控制电路设计 控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲 常用的触发电路有单结晶体管触发电 路 设计利用 KJ004 构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路 根据设计要求及其分析 选择模拟集成触发电路 KJ004 KJ004 可控硅移相触发 电路适用于单相 三相全控桥式供电装置中 作可控硅的双路脉冲移相触发 一 KJ004 的工作原理 KJ004 器件输出两路相差 180 度的移相脉冲 可以方便地构成全控桥式触发 器线路 KJ004 电路具有输出负载能力大 移相性能好 正负半周脉冲相位均衡 性好 移相范围宽 对同步电压要求低 有脉冲列调制输出端等功能与特点 原理图如下 图 2 2 2 KJ004 的电路原理图 如图 KJ004 的电路原理图所示 点划框内为 KJ004 的集成电路部分 它与分 立元件的同步信号为锯齿波的触发电路类似 V1 V4 等组成同步环节 同步电压 Us 经限流电阻 R20 加到 V1 V2 基极 在 Us 的正半周 V1 导通 电流途径为 15V R3 VD1 V1 地 在 Us 负半周 V2 V3 导通 电流途径为 15V R3 VD2 V3 R5 R21 15V 因此 在正 负半周期间 V4 基本 上处于截止状态 只有在同步电压 Us 0 7V 时 V1 V3 截止 V4 从电源十 15V 经 R3 R4 取得基极电流才能导通 1112 16 1 15 1413943 5 7 8 R23 15V 15V 15V RP1R24 R2 R20 RP4 R5 R1R3R4R6R7R8 R12 R10R11R14 R19 R13 R25 R26 R27 R28 R20R22 R16 R17 R21 R18 R15 V3 V2 V1 V18 V19 V20 V4V5V6 V12 V13 V14 V15 V16 V9 V10 V11 V8 V7 V17 VS5 VS1 VS2 VS3 VS4 VS6 VS7 VS8 VS9 VD1 VD2 VD3 VD4VD5 VD6 VD7 C1 C2 ubuco us 本科生课程设计 论文 8 电容 C1 接在 V5 的基极和集电极之间 组成电容负反馈的锯齿波发生器 在 V4 导通时 C1 经 V4 VD3 迅速放电 当 V4 截止时 电流经 15V R6 C1 R22 RP1 15V 对 C1 充电 形成线性增长的锯齿波 锯齿 波的斜率取决于流过 R22 RP1 的充电电流和电容 C1 的大小 根据 V4 导通的情 况可知 在同步电压正 负半周均有相同的锯齿波产生 并且两者有固定的相位 关系 V6 及外接元件组成移相环节 锯齿波电压 uC5 即 4 端电压 偏移电压 Ub 移相控制电压 UC 分别经 R24 R23 R26 在 V6 基极上叠加 当 Ube6 0 7V 时 V6 导通 设 uC5 Ub 为定值 改变 UC 则改变了 V6 导通的时刻 从而调节 脉冲的相位 V7 等组成了脉冲形成环节 V7 经电阻 R25 获得基极电流而导通 电容 C2 由 电源 15V 经电阻 R7 VD5 V7 基射结充电 当 V6 由截止转为导通时 C2 所充电 压通过 V6 成为 V7 基极反向偏压 使 V7 截止 此后 C2 经 15V R25 V6 地 放电并反向充电 当其充电电压 Uc2 1 4V 时 V7 又恢复导通 这样 在 V7 集电极就得到固定宽度的移相脉冲 其宽度由充电时间常数 R25C2 决定 V8 V12 为脉冲分选环节 在同步电压一个周期内 V7 集电极输出两个相位 差为 180 的脉冲 脉冲分选通过同步电压的正负半周进行 如在 us 正半周 V1 导通 V8 截止 V12 导通 V12 把来自 V7 的正脉冲箝位在零电位 同时 V7 正 脉冲又通过二极管 VD7 经 V9 V11 放大后输出脉冲 在同步电压负半周 情况 刚好相反 V8 导通 V12 截止 V7 正脉冲经 V13 V15 放大后输出负相脉冲 说 明 1 KJ004 中稳压管 VS6 VS9 可提高 V8 V9 V12 V13 的门限电压 从而提 高了电路的抗干扰能力 二极管 VD1 VD2 VD6 VD8 为隔离二极管 2 采用 KJ004 元件组装的六脉冲触发电路 二极管 VD1 VD12 组成六个或 门形成六路脉冲 并由三极管 V1 V6 进行脉冲功率放大 3 由于 V8 V12 的脉冲分选作用 使得同步电压在一周内有两个相位上相 差 180 的脉冲产生 这样 要获得三相全控桥式整流电路脉冲 只需要三个与 主电路同相的同步电压就行了 因此主变压器接成 D yn11 及同步变压器也接成 D yn11 情况下 集成触发电路的同步电压 Usa Usb Usc 分别与同步变压器的 Usa Usb Usc 相接 RP1 RP3 为锯齿波斜率电位器 RP4 RP6 为同步相位 功能 输 出 空 锯齿 波 形成 Vee 1k 空地同步输入 综合比 较 空 微分阻 容 封锁调 制 输 出 Vcc 本科生课程设计 论文 9 引线脚 号 1 2 3 45 678910 1112131415 1 6 表 2 2 2 KJ004 芯片引脚功能 本科生课程设计 论文 10 2 2 3 保护电路的设计 1 过电流保护 电力电子电路运行不正常或者发生故障时 可能会发生过电流 过电流分过 载和短路两种情况 变流装置内部某些器件被击穿或短路 驱动 触发电路或控 制电路发生故障 外部出现负载过载 直流侧短路 可逆传动系统产生逆变失败 以及交流电源电压过高或过低 均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电 流 即出现过电流 因此 必须对电力电子装置进行适当的过电流保护 2 过电压保护 电力电子装置在运行中可能发生过电压 过电压分为外因过电压和内因过电 压两类 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因 因此 必须 对电力电子装置进行适当的过电压保护 图 2 2 3 保护电路 本科生课程设计 论文 11 2 3 总电路原理图 图 2 3 总电路原理图 本科生课程设计 论文 12 2 4 元器件型号选择 晶闸管的主要参数如下 1 额定电压 UNVT 断态重复峰值电压 UDRM 断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时 允许重复加在器件上的 峰值电压 反向重复峰值电压 URRM 反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时 允许重复加在器件上的 反向峰值电压 通常取 UDRM和 URRM中较小的 再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定 电压 在选用管子时 额定电压要留有一定裕量 应为正常工作时晶闸管所承受 峰值电压的 2 3 倍 以保证电路的工作安全 晶闸管的额定电压 RRMDRMNVT UUU min UNVT 2 3 2U2 2 UNVT 工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 UNVT 2U2 311 08V2 通过晶闸管的电流的平均值 IvT AV 2 额定电流 INVT Ivt AV Id 2 30A Im IVt AV 94 2A 3 所选晶闸管电流有效值IVT大于元件在电路中可能流过的最大电流有效 值 选择时考虑 1 5 2 倍的安全裕量 即 INVT 1 5 2 IVT 1 57 95 5 127 4 A INVT 127 4A 则晶闸管的额定电流为 INVT 127 4A 相控触发电路芯片的选择 相控触发电路芯片选择 KJ004 集成触发电路芯片构成的集成触发器 KJ004 可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相 三相全控桥式供电装置中 作可 控