晶闸管直流稳压电源的设计.doc

题 目：晶闸管直流稳压电源的设计（一）晶闸管直流稳压电源是通过三相全控桥式整流电路把交流电转化为稳定的直流电直接向负载供电的装置。它性能好、价格便宜、工作可靠，被广泛应用于精密电子测量仪器、自动控制装置和电子计算机中等。其设计重点是保证较高的电能转化效率和输出直流电压的稳定性。本文着重介绍了晶闸管直流稳压电源的主电路和触发电路，其主电路由整流变压器、三相全控桥式整流电路和滤波电路组成。其触发电路由同步变压器，KJ004、KJ041和ULN2003，以及六个脉冲变压器组成。产生六路双脉冲触发整流电路中的六个晶闸管。保护电路主要包括过电压保护和过电流保护，用于保证各元器件的可靠运行，和安全操作。 本文所设计的晶闸管直流稳压电源能够提供10V到100V连续可调的直流电压，有较大的调压范围，在电网电压波动或负载变化等干扰出现时，也能够输出较稳定的电压，从而能够满足电子设备对电源电压的要求。 关键词：晶闸管直流稳压电源；三相全控桥式整流电路；触发电路目 录引 言1第一章 绪 论21.1 晶闸管直流稳压电源的发展背景21.2 晶闸管直流稳压电源的发展意义21.3 晶闸管直流稳压电源的发展前景31.4 本课题工作内容及预期目标3第二章 晶闸管直流稳压电源的组成与原理42.1 晶闸管直流稳压电源的组成42.2 晶闸管直流稳压电源的基本原理42.3晶闸管直流稳压电源系统方案的制定5第三章 主电路的设计与实现63.1 整流变压器的设计与实现63.1.1副边相电压计算63.1.2副边相电流和原边相电流的计算73.1.3变压器容量计算73.1.4变压器的制作83.2 整流电路的设计与实现93.2.1三相桥式全控整流电路的特点103.2.2三相桥式全控整流电路带电阻负载的工作情况113.2.3三相桥式全控整流电路带阻感负载时的工作情况133.2.4 定量分析153.3 晶闸管元件的选择163.4 保护电路的设计173.4.1过电压保护173.4.2 压敏电阻的选择193.4.3 晶闸管的过电流保护203.5 L C滤波器的设计223.6 散热器的设计233.7 脉冲变压器的设计与实现243.8 同步变压器的设计与实现25第四章 触发电路的设计与实现274.1 触发电路的结构组成274.1.1 触发电路的构成274.1.2 芯片介绍284.2 触发电路工作原理304.3 触发电路的制作314.4 触发电路的调试32结 论33参考文献34附 录35致 谢37内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 引 言晶闸管直流稳压电源是一种常见的直流供电装置，它不仅性能好，而且价格便宜，工作可靠。广泛应用于许多电子设备，如精密的电子测量仪器，自动控制装置和电子计算机中。随着晶闸管、晶体管制造技术和应用技术的发展，晶闸管电源、晶体管电源、磁放大式交流稳压电源得到迅速发展。而且晶闸管的开发与应用技术比较成熟，因此利用晶闸管组成整流电路用来把交流电转换为直流电，从而满足生产生活需要会占有更大的优势。自晶闸管产生以来，电力电子技术开始广泛应用于现代电气传动技术之中。以此为基础开发的晶闸管整流装置，使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。随着电源在现代社会生产生活中的作用越来越重要，用量也越来越大，大功率的工业用电由工频交流发电机提供，但是一部分电能是以直流形式消费的，所以直流电源的应用领域进一步扩大。以此为背景产生了各种直流电源，本文根据生产要求设计了一种以晶闸管组成的三相全控桥式整流电路，用KJ004、KJ041和ULN2003组成的触发电路的晶闸管直流稳压电源。本文从主电路入手，分析了三相整流电路的输出特性和其所需的触发脉冲的特性确定了主电路和触发电路。从输出电压稳定性方面增加了电压、电流双闭环负反馈控制系统，以及滤波电路。从保护晶闸管元件方面入手增加了过电压、过电流保护装置。此晶闸管直流稳压电源能够从10V到100V连续可调，有较大的调压范围，在出现扰动时能够输出较稳定的电压，能够满足各种电子设备对电压稳定方面的要求。第一章 绪 论电源是各种电子设备的核心，电源系统出故障就会使整个电子设备不能正常工作，因此，电源系统质量的优劣和可靠性的高低直接决定着整个电子设备的质量。实际中，电子设备的故障约60%来自电源系统，所以电源越来越受到人们的重视，出现了一些新的电路理论、新的器件和新的电路方案。许多电子设备，如精密的电子测量仪器，自动控制装置和电子计算机等都需要由直流稳压电源供电，晶闸管直流稳压电源是最常用的一种，它不仅性能好，而且价格便宜，工作可靠。为此，我根据所学的相关知识和老师的指导，并参考了一些书籍和资料设计了一种晶闸管直流稳压电源。1.1 晶闸管直流稳压电源的发展背景自本世纪五十年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台。以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的以此革命，使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。随着电源在现代社会生产生活中的作用越来越重要，用量也越来越大，大功率的工业用电由工频交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的。电力电子装置供给负载的是各种不同的直流电源、恒频率交流电源。随着晶闸管、晶体管技术和产品的发展，电子管直流电源，磁饱和式交流电源逐渐被淘汰，晶闸管电源、晶体管电源、磁放大式交流稳压电源得到迅速发展，占据了电源市场的统治地位。目前国内使用的电源主要还是磁放大式和晶闸管式的电源，虽然其具有很多缺点，例如：空载电流大、功率因数低、能耗高、可靠性差，而且工作电流过大时，主变压器便会产生较大的振动噪声。这些缺点是普通防腐电源所共有的。但是这些缺点并不是不可克服的，只要增加保护电路和其它附加电路就可以克服这些缺点。另外晶闸管式的电源与单片机控制系统为基础设计的电源在维修方面具有维修简单、费用低、技术要求较低等有点，所以晶闸管式的电源目前仍然具有十分广泛的应用。1.2 晶闸管直流稳压电源的发展意义随着经济全球化与人口的不断增长，能源需求日益增加，人类正面临着能源利用方面的巨大压力。在有限能源的基础上寻找更高效率的电源成为迫切需要。电子管直流电源，磁饱和式交流电源已经不能很好的满足人们生产、生活的要求而逐渐被淘汰。随着晶闸管、晶体管制造技术和应用技术的发展，晶闸管电源、晶体管电源、磁放大式交流稳压电源得到迅速发展。而且晶闸管的开发与应用技术比较成熟，因此利用晶闸管组成整流电路用来把交流电转换为直流电，从而满足生产生活需要会占有更大的优势，更加节省能源。1.3 晶闸管直流稳压电源的发展前景 稳压电源其输出电压相对稳定，它与人们的日常生活密切相关 , 也称为稳定电源、稳压器等。随着电子技术发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对稳压电源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本化，使稳压电源朝轻、薄、小和高效率的方向发展。设计上，稳压电源也从传统的晶体管串联调整稳压电源向高效率、体积小、重量轻的稳压电源迅速发展。目前市场上已经出现以PWM技术为基础和基于单片机为基础设计的稳压电源，相对于晶闸管式的稳压电源具有更多的有点，电路更加简单，工作效率更高，综合性能更强。随着社会需求的增长，电源技术有了长足发展，电源技术朝着小型化、绿色化发展。这类电源转化效率高、输出电压波动小、功能强大、运行也更加可靠。可以预测晶闸管式的稳压电源在将来的电源市场将很有可能会失去优势，被其它形式的电源所代替。1.4 本课题工作内容及预期目标工作内容：1、确定系统方案； 2、主电路设计与定额参数计算； 3、触发电路的设计； 4、电源结构和面板设计； 5、系统调试；预期目标：1、完成稳压电源的定额参数计算； 2、制作一套晶闸管直流稳压电源； 3、输出电压10100V，电流10A； 4、纹波系数2。第二章 晶闸管直流稳压电源的组成与原理2.1 晶闸管直流稳压电源的组成本文所设计的晶闸管直流稳压电源主要由三部分组成，包括：主电路、触发电路、控制电路。主电路包括：首先是整流变压器，它起到降压隔离的作用，即把380V的交流电降为合适的电压值。并使晶闸管主电路与电网隔离，减小电网与整流装置的相互干扰，限制高次谐波电流流入电网。其次是整流装置，本设计所采用的整流装置是由六个晶闸管构成的三相全控桥式整流，将三相交流电转换为单向脉动电压。再次是滤波装置，本设计采用LC滤波，把整流装置输出的单向脉动电压中的交流成分滤除掉，输出较平滑的直流电压。最后是保护装置，主要包括：晶闸管的过电压、过电流保护，以及交流侧的浪涌过电压保护和瞬时尖峰电压保护，从而保证元件的安全可靠运行。触发电路：本设计的触发电路采用移相触发，即改变晶闸管的控制角的大小，实现对输出电压的控制。触发电路主要由同步变压器、3片KJ004、1片KJ041、1片ULN2003和6个脉冲变压器组成。其中同步变压器使主电路与触发电路同步，3片KJ004产生六路单脉冲，经KJ041将六路单脉冲转换为六路双脉冲信号，再经ULN2003放大后由脉冲变压器降低脉冲电压幅值，增大输出电流，最终提供给晶闸管。控制电路：主要采用双闭环负反馈控制系统，通过改变控制电压的大小，来实现对输出电压的控制。它由一个电压环和一个电流环构成一个双闭环系统。2.2 晶闸管直流稳压电源的基本原理 本设计采用电压、电流双闭环负反馈控制系统，实现对输出电压的稳定控制。电路工作时，调节给定电压的大小，改变双脉冲触发相位，进而改变晶闸管触发角的大小，从而控制晶闸管三相桥式整流电路的输出电压值的大小，整流输出电压经过滤波电路后，电压变的平滑。若电网电压出现波动或负载变化时引起整流电路输出电压的不稳定。此时可由电压、电流双闭环负反馈控制系统，把电压互感器和电流互感器检测到的电压电流信号反馈到电压环和电流环。经过电压调节器与电流调节器，及时准确的调节触发角的大小，最终使整流电路输出电压达到稳定，实现本设计所要求的晶闸管直流稳压电源。2.3晶闸管直流稳压电源系统方案的制定根据设计技术条件与技术参数可知，电源电网电压为三相380V交流电，输出直流电压为10100V连续可调，直流输出电流为10A，纹波系数小于2%。本设计内容包括主电路设计与实现，触发电路的设计与实现，电源结构和面板设计与实现。因此根据上述条件与要求，本设计侧重于晶闸管直流稳压电源的主电路与触发电路的设计，由此制定相应的设计方案：1、主电路的设计，首先是整流变压器的设计与制作，使其输出电压满足要求；其次是三相桥式整流电路的设计与制作，根据题目要求，整流电路采用晶闸管三相全控桥式整流，把交流电转换为直流电输出；再次是对整流电路输出的单向脉动电压进行滤波，提高输出直流电压的质量；最后，为了保证各元器件能够安全、可靠的工作，还需增加各种保护装置。2、触发电路的设计，首先是为保证触发电路与主电路的同步，需设计制作一台同步变压器；其次，本设计对晶闸管的触发采用双脉冲触发，因此选用KJ004、KJ041和ULN2003来构成触发电路，产生六路双脉冲为整流电路提供六路双脉冲触发信号。3、电源装置的布局及控制面板的设计。 第三章 主电路的设计与实现3.1 整流变压器的设计与实现 根据设计要求输出直流电压=（10100）V连续可调和电流=10A，可选择晶闸管整流主电路的型式。在输出电压和主电路型式已定的情况下，晶闸管交流侧的电源相电压有效值只能在一定的范围内变化。因为选的过高，则晶闸管装置运行时的控制角过大，造成功率因数变坏，无功功率增大，并在电源回路的电感上产生很大的电压降；但若电压选的过低，则有可能在晶闸管控制角=0时仍不能达到要求输出的电压。在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致，另外为了尽可能减小电网与晶闸管装置的相互干扰，限制高次谐波电流流入电网，要求晶闸管主电路与电网隔离，所以通常需配用整流变压器。 本设计中的整流变压器采用-Y形接法，为得到10100V连续可调的输出电压，变压器采取降压方式。3.1.1副边相电压计算根据不同的接线方式和负载性质，并考虑到电网电压的波动，整流电压平均值的表达式如下：=式中 A= 控制角=时整流电压平均值与副边相电压有效值之比，根据整流电路为三相全控桥式的接线方式决定A=2.34。 B= 控制角为时和=时整流电压平均值之比，根据整流电路的接线方式决定，感性负载时B=0.985。 电网电压波动系数，根据规定，允许电压波动+5%-10%即=1.050.9。本设计取=0.9。故副边相电压 =(11.2) =（11.2） =48.257.8 (V)式中为输出直流额定电压最大值，取=100V。取=50V 则变压器的变比K=7.6。3.1.2副边相电流和原边相电流的计算根据要求知负载电流为=10A,则：=式中电流系数、根据整流变压器和整流电路三相全控桥式的接法知 =0.816则 = =1.1 A =0.81610=8.16 A3.1.3变压器容量计算变压器的容量包括原边容量、副边容量和平均计算容量S其中 = = S=(+)式中 和 变压器原边和副边绕组的相数，根据本设计中整流变压器与整流电路的接线方式知 =3 。 和 变压器原边和副边绕组的相电压有效值，=380V =50V 。 和 变压器原边和副边绕组的相电压电流有效值，=1.1A =8.16A 。则可得： =33801.1=1254 VA =3508.16=1224 VA S=(+)=( 1254+1224)=1239 VA3.1.4变压器的制作1、铁心面积已知为 S=28.5。2、计算线圈绕组的匝数根据变压器的铁心面积，采用下列公式计算每伏电压所需绕组的匝数 =式中 S 变压器铁心面积（），S=28.5。 B 铁心磁感应强度，取B=1.6T 。则可得 =0.987 。根据 可计算变压器原边、副边线圈绕组的匝数 和 。 = =由于存在损耗，值需要取大5%10% 即=（1.051.1）。经计算得 =0.987380=375 （匝） （匝） 取=52（匝）。3、变压器原、副边线圈直径的计算变压器线圈直径d的大小与变压器的电流大小有关，即 (mm)式中 I 电流强度（A） J 导线电流密度，一般取23A/mm，本设计取2.1A 。则 原边导线直径 =0.8 mm 副边导线直径 =2.2 mm 。3.2 整流电路的设计与实现整流电路是将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。可从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次测电流方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。 当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路。本设计的整流电路采用的就是三相桥式全控整流电路，它由六个晶闸管组成。目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，将六个晶闸管中的三个晶闸管（、）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管（、）称为共阳极组。此外习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管共阴极组中与a、b、c三相电源连接的三个晶闸管、；共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为、。晶闸管的导通顺序为，如图3-1。图3-1 三相桥式全控整流电路3.2.1三相桥式全控整流电路的特点 （1）两管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个管子导通，且不能为同一相的上下两个器件。（2）对触发脉冲的要求：按VT的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相位相差180。（3）一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法： 一种是宽脉冲触发 一种是双脉冲触发（常用） 本设计采用的是双脉冲触发方式。 (5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。3.2.2三相桥式全控整流电路带电阻负载的工作情况 当=时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负的最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图3-2所示。 =时，各晶闸管均在自然换相点处换相。各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析波形时，即可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。 从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压为相电压在正半周的包络线；共阳极导通时，整流输出电压为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压=-是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。 图3-2 三相全控整流电路带电阻负载时的波形当时，如图3-3所示，波形中每段线电压的波形继续向后移，平均值继续降低。时出现了为零的点。图3-3 三相全控整流电路带电阻负载时的波形当时，如时电阻负载情况下的工作波形如图3-4所示，此时的波形每中有为零，这是因为电阻负载时波形一致，一旦降至零，也降至零，流过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压为零，因此波形不能出现负值。图3-4还给出了晶闸管电流和变压器二次侧电流的波形。如果继续增大至，整流输出电压波形将全为零，其平均值也为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是120度。 图3-4 三相全控整流电路带电阻负载时的波形3.2.3三相桥式全控整流电路带阻感负载时的工作情况三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，对于带反电动势阻感负载的情况，只需在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。当时， 波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流波形与的波形形状一样。而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。如图3-5和图3-6分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 0 和a= 30 时的波形。图3-5中给出了波形和波形，还给出了晶闸管VT电流的波形。由波形图可见，在晶闸管VT导通段，波形由负载电流波形决定，和波形不同。图3-5 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 0 时的波形图3-6 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 30 时的波形当时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，波形会出现负的部分。图3-7给出了时的波形。若电感L值足够大，中正负面积将基本相等，平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为。图3-7 三相桥式全控整流电路带阻感负载时的波形3.2.4 定量分析 在以上的分析中已经说明，整流输出电压的波形在一个周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉动波（1/6周期）进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为：带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为： 输出电流平均值为 ： 当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图3-3所示，为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为： 3.3 晶闸管元件的选择晶闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器，以前被简称为可控硅为了正确的使用晶闸管，最重要的是定量的掌握晶闸管的主要参数，下面介绍晶闸管的一些主要参数。1、 晶闸管的额定电压由于瞬时过电压会使晶闸管遭到破坏，因此应选用晶闸管的额定电压为其正常工作峰值电压的23倍，作为安全裕量。 = (23) 式中 晶闸管在电路中实际承受的峰值电压，本设计中整流电路采用三相桥式，故= 。(23) 考虑操作过电压等因素的安全系数。 则 = (23) 50=245367.5 V 取 = 400V 。2、晶闸管的额定电流为使元件不因过热而损坏，在实际计算中要考虑安全系数（1.52）则元件的额定电流为： =(1.52) 式中 通态平均电流计算系数，三相桥式中=0.367 。 过载电流，= 其中为过载倍数，取=1.5，为负载电流，即=10A 。则计算得 ： =（1.52）0.367（1.510） =8.2511 A 取晶闸管额定电流： =10 A 。晶闸管型号为：KP10-4 。3.4 保护电路的设计3.4.1过电压保护 晶闸管在正常工作时承受的最大峰值电压，凡是超过这个峰值电压的都算过电压。过电压有两种，其中一种称操作过电压，由晶闸管装置的拉闸、合闸和元件关断等电磁过程引起过电压。这些操作过程是经常发生的，而且是不可避免的。另一种过电压是由于雷击等原因从电网侵入的偶然性的浪涌电压，它可能比操作过电压还要高。 过电压的保护原则：首先使操作过电压限制在晶闸管额定电压以下，其次使浪涌过电压限制在晶闸管的断态和反向不重复峰值电压和以下。1、 交流侧过电压保护 交流侧时选用的保护方法为阻容吸收保护，即在变压器副边并联电阻R和电容C，如图3-8所示。利用电容两端电压不能突变的特性，可有效控制变压器绕组中的过电压，串联电阻能消耗这部分过电压能量，同时抑制LC回路的振荡。图3-8 交流侧过电压保护阻容吸收保护电路若为Y型接法，电容值的计算公式如下： %式中 S 变压器单相容量，即S=413 W 。 整流变压器副边电压，即 =50 V 。% 变压器励磁电流百分数，本设计取%=10 。计算得 610=9.8 若为型接法，则 =3.3 本设计的阻容吸收保护采取型接法，故电容=3.3 。电容耐压1.5 （是正常工作时，阻容两端交流电压有效值，=）。即： 1.5=1.550 =106 V取电容耐压=110 V 。电阻值的计算是根据允许的衰减振荡，计算公式为： 式中 为变压器短路电压比，本设计取 =5 。 为变压器励磁电流百分数，本设计取 =10 。则 2.3 =10 而阻容吸收为型接法时，=3=30 。R C正常工作时，电流、电压有效值为、 ： =2 =23.14503.350 =0.9 A2 、晶闸管两端的过电压保护晶闸管虽然优点很多，但是它承受过电压的能力较差，很短时间的过电压就会把元件损坏。为了使原件能够可靠的长期运行，除了充分留有余地合理选择晶闸管元件外，还必须针对过电压发生的原因采取恰当的保护措施。图3-9 晶闸管两端的过电压保护晶闸管的过电压保护，也采用阻容吸收方式，如图3-9所示。此时的阻容吸收电路要尽量靠近晶闸管，引线要短。最好采用无感电阻，这样保护效果较好。阻容吸收电路参数可参考变流技术基础及应用中所提供的经验数值，当晶闸管的额定电流为10A时，电容C=0.1uF，电阻R=100。且电容耐压一般选取晶闸管电压的1.5倍以上，即 1.5=183.7V取 =200V。3.4.2 压敏电阻的选择 为了抑制交流侧浪涌过电压，所以选用金属氧化物压敏电阻，如图3-10所示。它是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件。图3-10 交流侧浪涌过电压保护压敏电阻的选用主要考虑额定电压和通流容量。额定电压的下限是线路工作电压峰值，考虑到电网电压的波动以及多次承受冲击电流以后值可能下降，因此额定电压的取值应适当加大，通常建议以30%的裕量计算。即： 1.3式中 U 压敏电阻两端正常工作的电压有效值，U=1.550=110V。则 1.3 =202 V取=220 V ，参考晶闸管变流技术，可知通流容量取5KA，故选用MY31-220/5型号的压敏电阻作为交流侧浪涌过电压保护。3.4.3 晶闸管的过电流保护晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类：一类是由于整流电路内部原因，如整流晶闸管损坏，触发电路或控制系统由故障等；其中整流桥晶闸管损坏类较为严重，一般是由于晶闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流。另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发生，因为整流桥的负载实质是逆变桥，逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。对于整流桥内部原因引起的过电流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔断器的方式，快速熔断器的接入方式共有三种，如图3-11所示。图3-11 快速熔断器的接入方法 晶闸管在短时间内能够承受一定的过电流而不损坏。但是，如果短路或过载时过电流数值较大，而切断的时间稍慢，就会造成晶闸管的损坏。因此必须选择一种能够防止因过电流而导致晶闸管损坏的保护元件。本电路利用快速熔断器来实现晶闸管的过电流保护，如上图所示的A型连接，熔断器与每一个元件串联，能可靠地保护每一个晶闸管，所以本设计采用的是A型连接方式。 快速熔断器，是一种简单有效的过电流保护器件，其分断时间短（=70.7V。故选用RLS-10型号的快速熔断器。3.5 L C滤波器的设计 根据设计要求，输出电压的纹波系数2%，所以直流输出需要采取滤波，本设计采用L C滤波，如图3-12所示。图3-12 LC滤波电路及波形图1、 计算L C滤波器应保证的滤波倍数 = 式中 滤波倍数。 整流后的波纹因数，三相全波整流时，=0.04。 滤波后的波纹因数，要求2 取=3 。2、 一节L C滤波器LC= 式中 m 整流器相数，三相全波整流时 m=6。 f 电源频率（Hz）,f =50 Hz 。 L 滤波电感量（H）。 C 滤波电容量（）。 则计算得 LC=1.133、 L的设计与计算本设计中滤波电感L的铁心已经给出，其面积为=3.25。输出电流为I=10A，磁密B=8000（线性），线圈匝数为N=51，气隙为=0.8mm。 L= = =1.33 mH由于已知LC=1.13，且L=1.33mH。则电容C的计算值为： C=850 电容耐压为： V本设计取电容C=1000，耐压V。3.6 散热器的设计在散热器设计中，一般是根据具体情况，选择适当的途径将热量散发出去，达到元件降温的目的。同时根据发热元器件的功率密度和要求的热阻来考虑冷却方式，具体要求是：1、 通过散热设计在满足性能指标的前提下，尽量减少稳压电源内部产生的热量。2、 通过散热设计来减少热阻。3、 通过散热设计来保障稳压电源的能在较低的温度条件下工作，以保证性能稳定，提高可靠性。本设计中采用的散热器主要针对晶闸管散热，其设计计算公式如下： KP-10型晶闸管的结温：=100，环境温度：=25。热阻=2.5/W则根据公式 =30 W 式中 A 散热器面积（） P 流入散热器功率（W）由公式得 2.5=295 =21.5计算得散热器面积为： A=80 3.7 脉冲变压器的设计与实现触发电路的输出脉冲经脉冲变压器后送至晶闸管，其中脉冲变压器的作用为：1、起阻抗匹配作用，降低脉冲电压幅值增大输出电流，更好触发晶闸管；2、可改变脉冲正负极性或同时送出两组独立脉冲；3、将低电压的触发电路与高电压主电路在电气上加以隔离，有利于防干扰与保证安全，且可使触发器间在电气上实现隔离。脉冲变压器与一般变压器的主要区别在于，一般变压器传递的是交流正弦电压，而脉冲变压器传递的是前沿陡峭的单方向脉冲电压。脉冲变压器的设计式中 变压器初级绕组磁通链的最大变化值，单位为Wb； 变压器铁芯磁通密度的变化值，单位为T； 脉宽（S）； 初级绕组匝数；S 铁芯截面积（）；由上式得 式中视初级脉冲波形，幅值和宽度不同而变更，对于矩形波：。绕组匝数 式中 传热系数； 铁芯填充系数；导线直径 其中 j=5 。铁芯面积 脉冲变压器中最常用的是同轴圆筒式绕组，这种绕组漏感小，结构简单，加工方便。并且同轴圆筒式绕组可以应用在脉冲电压从数伏到数百千伏，脉冲功率从若干几毫瓦到几百兆瓦的脉冲变压器中，因此是最常用的绕组结构。故本设计也选用了同轴圆筒式脉冲变压器。3.8 同步变压器的设计与实现 向晶闸管整流电路供电的交流侧电源来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在容许范围内有一定的波动。触发电路除了保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。为了保证触发电路与主电路电源频率一致，必须在触发电路加入同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，其二次侧接入触发电路。这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。在保证触发脉冲与主电路电源频率相同时，还起到降压的作用，为KJ004提供标准的30V电压。本设计选用的同步变压器为380V/30V。同步变压器的设计已知铁芯面积为 S=3.6；=7.9 =7.9380=3000 匝=7.930=237 匝变压器接法：主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结，如图3-13所示。 图3-13 同步变压器接线方法及矢量图第四章 触发电路的设计与实现4.1 触发电路的结构组成4.1.1 触发电路的构成本文所设计的触发电路主要由同步变压器、KJ004、KJ041、ULN2003与脉冲变压器组成。 触发电路的作用是产生符合要求的、相位可调的触发脉冲。由于晶闸管电路种类很多，负载性质又各不相同，所以对触发电路的要求也不尽相同。下面归纳出晶闸管电路对触发电路提出的共同要求：（1）触发脉冲必须与主电路电源电压同步，并有一定的移相范围。晶闸管在每一周波的相同相位上得到触发，且触发脉冲的移相范围应满足主电路的要求，称为触发脉冲与主电路电源电压同步。若不能满足以上条件则称触发脉冲与主电路电源电压不同步。（2）触发脉冲应有一定的宽度，保证被触发的晶闸管可靠导通。如大电感，反电势等负载，要求脉冲宽度较宽，否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的挚住电流以上，则晶闸管又重新关断。对于三相全控桥电路，则要求双窄脉冲或宽度大于60的宽脉冲。（3）触发脉冲前沿应尽量陡（如图4-1），有助于串并联工作的晶闸管导通时间趋于一致，为此宜采用强触发脉冲。 IIMt1t2t3t4图4-1理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1ms）t1t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）本文所设计的三相全控桥的集成触发电路由3片KJ004、1片KJ041和1片ULN2003组成。此集成触发电路可形成六路放大的双脉冲，并将双脉冲信号接入脉冲变压器，最终提供给整流电路中的六个晶闸管。其结构图如图4-2所示。交流电源 图4-2 触发电路结构框图同步变压 器脉冲变压 器 移相环 节单脉冲形 成双脉冲形 成功率放 大4.1.2 芯片介绍 本设计所采用的触发电路的芯片主要包括KJ004、KJ041和ULN2003三种。首先选择芯片KJ004是因为其适用于三相全控桥式整流装置，且该电路移相范围宽，对同步电压要求低等优点。其次选择芯片KJ041是因为其是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。最后选择芯片ULN2003是为了放大输出脉冲，使其能够更好的触发晶闸管。其中：一、芯片KJ004简介：KJ004晶闸管移相触发电路适用于单相、三相全控桥式整流装置中，作为晶闸管的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便的构成全控桥式触发器线路。该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，有脉冲输出端等功能与特点。KJ004芯片图（图4-3），此芯片与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。图4-3 芯片KJ004 1、封装形式：该电路采用双列直插C-16白瓷和黒瓷两种外壳封装。 2、技术参数： （1）电源电压：直流+15V，-15V。允许波动（时功能正常）。 （2）电源电流：正电流，负电流。 （3）同步电压：任意值。 （4）同步输入端允许最大同步电流：（有效值）。 （5）移相范围（同步电压30V，同步输入电阻15）。 （6）锯齿波幅度：（幅度以锯齿波平顶为准）。 （7）输出脉冲： 宽度：4002（通过改变脉宽阻容元件达到）。 幅度：。 KJ004最大输出能力100mA（输出脉冲电流）。 输出管反压：（测试条件）。 （8）正负半周脉冲相位不均衡。 （9）使用环境温度为四级：C：070；R：-5385；E：-4085；M：-55125。二、芯片KJ041简介：KJ041六路双脉冲形成器是三相全控桥式触发线路中必备的电路具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。使用两块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。芯片图如图4-4所示。图44 芯片KJ0411、装形式：该电路采用双列直插C-16白瓷和黒瓷两种外壳封装。2、技术参数：（1）电源电压：直流+15V，允许波动（时功能正常）。（2）电源电流： mA。（3）输出脉冲： 最大输出能力：20mA（流出脉冲电流）。 幅度：13V（负载电阻50）。（4）输入端二极管反压：30V。（5）控制端正向电流：8mA。三、芯片ULN2003简介：ULN2003是一种常见的芯片，应用广泛，工作可靠，价格便宜。它的内部结构是达林顿的，专门用来驱动继电器的芯片，在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003极限参数见表4-3所示，其输出端允许通过IC 电流200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，可与脉冲变压器直接相连。项 目符 号数 值最 大 输出 电 压30Vc-e电 压50V最 大 输入 电 流25mA输出电流050mA输入电压最小0.2V 最大15V集电极电流最大350mA表4-3 ULN2003极限参数表ULN2003各管脚中8号管脚接地，9号管脚和1号管脚悬空，2至7号管脚与KJ041的六路输出端相连接。ULN2003的输出为10至16号管脚，经六个脉冲变压器后提供给整流电路中的六个晶闸管。4.2 触发电路工作原理触发电路主要用于产生整流电路所需要的六路双脉冲。首先由同步变压器输出30V的同步电压，经RC移相30度后，接入芯片KJ004，产生单脉冲。将产生的单脉冲直接送入芯片KJ041，由KJ041将单脉冲转换为双脉冲。将双脉冲接入芯片ULN2003进行放大，将放大后的双脉冲信号送至脉冲变压器，由脉冲变压器输出双脉冲提供给整流电路中的晶闸管，如图4-5所示。图4-5 触发电路原理图4.3 触发电路的制作在触发电路的制作过程中要注意各连接线不能交叉，各焊接点之间要相互隔离，不能出现短路，各焊接点要焊实。同时要保证地线与电源线之间的距离要远一些，弱电与强电之间要相互隔离，防止强电与弱电相互干扰。当导线出现接头时，要将连接处焊接实，并用绝缘套管套住，防止与其它连线发生短路。并且注意板面上的元器件，应按电路原理图顺序成直线排列，并力求电路安排紧凑、密集、整齐，各级走线尽可能近，且输入输出走线不宜并列平行，防止相互干扰。一些功耗大的集成块，电阻等元件，要布置在容易散热的地方，并与其它元件隔开一定的距离。布线时，一般将公共地线布置在面板的最边缘，便于与外部设备的地相连。导线与面板的边缘应留有一定的距离，提高绝缘性能。4.4 触发电路的调试首先是在未接入电源的情况下对触发电路板上所有焊接元件进行检测，检查其是否完全接入电路中。并用万用表检测各焊接点是否焊实，以及各相互连接的器件之间接触是否良好。其次是对地线与电源线之间的检测，要保证地线与电源线之间保持一定的距离。在未接入芯片的情况下，接通电源检测各连线之间是否发生短路或断路现象。同时要保证各芯片插座的