磁粉探伤机可控硅充退磁装置设计毕业设计论文

1、安徽工业大学毕业设计（论文）说明书安徽工业大学毕业设计（论文）任务书课题名称磁粉探伤机可控硅充退磁装置设计学 院电气信息学院专业班级 姓 名学 号毕业设计（论文）的工作内容：1、介绍了课题的背景及研究意义，电力电子技术在磁粉检测中的应用2、可控硅调压的原理以及实现方法3、对可控硅调压主电路设计4、对可控硅门极触发电路设计5、对调压主电路进行MATLAB仿真起止时间：2009 年 2 月16 日至 2009 年 6 月 5 日共 15 周指导教师系主任院 长签 字 签字 签 字 摘要磁粉检测作为一种常用的对铁磁性材料工件表面和近表面进行无损检测的手段, 近年来得到广泛的应用。铁磁性材料工件被磁化

2、后，由于不连续性的存在， 使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变 而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁场，在合适的光照 下形成目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、大小、形状和严重程度。 这就是磁粉检测的基本原理。由磁粉检测的基本原理可以看出检测过程中对工件进行充退磁的磁化电源对整 个检测质量来说非常重要，对工件的磁化分为周向磁化和纵向磁化， 周向磁化一般需 要交流磁化电流，而纵向磁化需要直流磁化电流通过线圈的电磁感应对工件充磁。但不管是周向磁化的交流磁化电流还是纵向磁化的直流磁化电流，磁化电流都不能直接由工业电网提供。本次设计主要对周向磁化调压电路进行设计， 周向磁化的磁化电源 一般为低

3、电压大电流的交流电源， 需要对工业交流电进行调制来满足磁化需要， 对电 压电流的调制离不开电力电子技术，这就是本次设计的理论基础。本文正是基于移相控制的可控硅交流调压技术对磁粉检测的充退磁电源控制进 行了详细论述并设计出调压控制电路。通过调节触发电路的触发脉冲的相位来控制晶 闸管的通断，从而控制输出得到可人工调整的电压， 再经过降压变压器得到可用于磁 化的低压大电流磁化电源，它主要由可控硅调压主电路、 触发电路等组成，是一种具 有广阔应用前景的交流调压控制器。本文简要回顾了电力电子学和交流调压的发展过程， 着重分析了交流移相式调压 的理论，设计了调压的主电路以及触发电路。 并对设计出的电路系统

4、设定参数进行仿 真和实验，得出了一系列的波形，并进行了分析。结果证明本方案是有效可行的。关键词：磁粉检测可控硅调压触发电路电力电子移相控制 Matlab仿真AbstractMagnetic Particle Testing as a commonly means which used magnetic materials to the iron surface and n ear-surface non-destructive test ing, has a wide range of applicati ons in rece nt years.Magnetic materials are

5、magnetized iron work pieces, due to the existenee of disc on ti nuities, so that surface and n ear-surface occurre nee of the magn etic lines of local magnetic field distortion resulting from leakage, adsorption to exert the magnetic field in the work piece surface in appropriate visual form can be

6、seen under the light of the magn etic marks, which do not show the con ti nuity of the locati on, size, shape and exte nt of the problem. This is the basic prin ciple of magn etic particle test ing.From the basic principles of magnetic particle testing can be seen testing the process of filli ng of

7、the work piece to the magn etizatio n demag netizatio n detect ion of power quality on the whole is very important to the magnetization of the work piece is divided into weeks to the magnetization and Iongitudinal magnetization, magnetization usually takes weeks to the exchange of magnetization curr

8、ent , and the need for Iongitudinal magn etizati on DC curre nt through the electromag netic in duct ion coil to the work piece Magnetizing. However, whether the exchange of magnetization to the magnetization curre nt or the DC magn etizati on Ion gitudi nal magn etizati on curre nt, magn etizatio n

9、 curre nt can not be directly provided by the In dustrial Power.The design of the main regulator of the week to the magnetic circuit design, to the magn etizati on of the magn etizati on-week supply is gen erally of low-voltage high-curre nt AC power, the n eed for in dustrial AC magn etizati on mod

10、ulati on to meet the n eeds of the modulation of the voltage and current can not be separated from power electronic tech no logy, which is the theoretical basis for desig n.This article is based on thyristor-co ntrolled phase-shift ing tech no logy for the excha nge regulator's magn etic particl

11、e testi ng rechargeable power con trol demag netizati on discussed in detail and design a voltage control circuit. Trigger circuit by adjusting the phase of the trigger pulse to con trol the on-off thyristor, which can be manu ally con trolled to adjust the output voltage, and then, after step-down

12、transformer can be used to obtain the magn etizati on of the magn etic low-voltage high-curre nt power supply, mai nly by the SCR the main voltage regulator circuit, trigger circuit, such as composition, is a broad applicati on prospect of the excha nge regulator con troller.In this paper, a brief r

13、eview of power electronics and AC voltage regulation of the developme nt process, focus ing on an an alysis of phase-shift ing excha nge regulator theory, and design the main circuit voltage regulator and trigger circuit. Circuit and system design parameters set simulatio n and experime nt, to draw

14、a series of waveform, and an alyzed. The results prove that the program is feasible and effective. Circuit and system design parameters set simulatio n and experime nt, to draw a series of waveform, and an alyzed. The results prove that the program is feasible and effective.Key wordsMagn etic Partic

15、le Testi ngThyristor regulator TriggercircuitPower Electronics Phase-shift control Matlab simulation共 页 第6 页目录摘要1Abstract3.目录5.第一章绪论7.1.1 背景和意义7.1.2磁粉检测的原理及发展8.1.2.1 磁粉检测基本原理 .8.1.2.2磁粉检测的发展8.1.2.3磁粉检测现状8.1.3交流调压技术的发展91.4 可控硅调压在磁粉检测中的应用 1.01.5 本课题主要研究内容 1.1第二章主电路设计1.22.1 主电路设计的基本原理及框图 1.22.2磁化电流132.

16、3交流调压控制方式142.3.1 可控硅的结构及工作原理 1.42.3.2交流调压电路162.4.1 降压变压电路182.4.2 RC保护电路1.82.5 整体主电路图以及工作过程 202.6退磁原理212.6.1 剩磁的产生与影响 212.6.2退磁的原理21第三章 触发电路设计233.1 触发电路设计思路 233.2晶闸管移相触发集成电路 TCA785功能 233.2.1引脚排列、各引脚的功能及用法 243.2.2 基本设计特点和极限参数 263.3 以TCA785为核心的触发脉冲产生电路 273.3 脉冲信号放大电路 293.3.1 放大电路的工作原理 293.3.2放大电路的组成原则3

17、03.3.3脉冲放大电路设计及工作过程 303.4整体触发电路工作过程 31第四章 对主电路的MATLAB仿真.324.1 MATLAB仿真简介及在电力电子系统中的应用 324.2可控硅调压主电路MATLAB仿真324.3仿真模型建立及仿真结果分析33结论36致谢38参考文献39附图4.（0安徽工业大学毕业设计（论文）说明书第一章绪论1.1背景和意义随着工业技术的发展和时代的进步，无损检测技术在质量保证系统中发挥的作用越来越显示它的重要性和必要性，成为控制产品质量、保证在役设备安全运行的重要 手段。无损检测是指在不损伤被测材料的情况下，检查材料的内在或表面缺陷， 或测定材料的某些物理量、性能、

18、组织状态等的检测技术。广泛用于金属材料、 非金属材料、复合材料及其制品以及一些电子元器件的检测。常用的无损检测 技术有：射线探伤(radiographic testing)。利用X射线或丫射线在穿透被检物 各部分时强度衰减的不同，检测被检物的缺陷。若将受到不同程度吸收的射线 投射到X射线胶片上，经显影后可得到显示物体厚度变化和内部缺陷情况的照 片。如用荧光屏代替胶片，可直接观察被检物体的内部情况。超声检测 (ultrasonic testing)。利用物体自身或缺陷的声学特性对超声波传播的影响，来检 测物体的缺陷或某些物理特性。声发射检测(acoustic emission testing)。

19、通过接收和分析材料的声发射信号来评定材料的性能或结构完整性。材料中因裂缝 扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生应力波的现象称为声发射。 材料在外部因素作用下产生的声发射，被声传感器接收转换成电信号，经放大 后送至信号处理器，从而测量出声发射信号的各种特征参数。渗透探伤 (pe netra nt test in g)。利用某些液体对狭窄缝隙的渗透性来探测表面缺陷。常用的 渗透液为含有有色染料或荧光的液体。磁粉探伤(mag netic test in g)。通过磁粉在物体缺陷附近漏磁场中的堆积来检测物体表面或近表面处的缺陷，被检测物 体必须具有铁磁性。而对于铁磁性工件，尤其是工件的表面和

20、近表面，磁粉探伤有着非常高的灵敏度 和可靠性，因此得到了广泛的应用。对铁磁性材料进行检测首先要将材料磁化， 磁化 的原理就是电磁感应，离不开磁化电源的支持。磁化需要电源提供低电压大电流， 而 由工频电网提供的工业电源显然不能满足磁化要求，故要对工频电压进行调制，使之能为磁粉检测提供磁化电流。在电力电子技术出现以前，调压一般都是通过变压器来实现，但是变压器调压不 能改变电压频率，而且调压可靠性和灵敏度不高。随着电力电子技术的发展及电力电 子器件的发明和广泛应用，调压技术也发生了翻天覆地的变化， 出现了各种的调压方 式，不仅能够对电压和电流进行交直流变换， 而且也能够很轻松的改变其大小、频率、 相

21、位等。本次设计正是以电力电子技术中的相控式交流调压为理论基础， 设计出以可控硅 模块为核心的交流调压电路和以 TCA785芯片为核心的可控硅门极触发电路，对工频 电源进行调制，使之达到工业应用的要求。；1.2磁粉检测的原理及发展1.2.1磁粉检测基本原理丨磁粉检测（Magnetic Particle Testing,缩写符号为MT）是五种应用较为广泛的常规I无损检测方法之一，它是利用磁现象来检测工件的缺陷的。将铁磁性工件置于外加磁|场中，工件被磁场磁化，磁力线在工件的表面和近表面形成一定的走向，如果工件表1面和近表面有裂纹或缺陷，并与磁力线交叉一定角度时，则会引起磁通密度的改变，I部分磁力线被

22、扭曲，泄漏到空气当中去形成漏磁通， 在缺陷处形成磁极。将一定粘度装和导磁性的磁粉（如磁悬液），喷洒在工件表面，工件被磁化后，则缺陷的两侧磁极1吸附磁粉，磁粉的堆积形成磁痕，磁痕的外观显示出缺陷的长度、 走向等一系列轮廓I图像，从而达到无损检测的目的。I1.2.2磁粉检测的发展订I关于磁粉检测的设想是美国人霍克与 1922年提出的。他在切削钢件的时候，发I现铁末聚集在工件上的裂纹区域。 于是，他第一个提出可利用磁铁吸引铁屑的物理现I象来进行检测。1928年，Forest为解决油井钻杆断裂，研制了周向磁化，使用了尺寸I和形状受控的并具有磁性的磁粉， 获得了可靠的检测结果，为磁粉检测的应用和发展线起

23、了很大的推动作用。1938年德国发表了无损检测论文集，对刺儿服你检测的基I本原理和装置进行了描述。1941年荧光磁粉投入使用。磁粉检测从理论到实践，已I初步形成为一种无损检测方法。在20世纪60年代工业竞争时期，由于可控硅等半导I体器件的进步，磁粉检测设备也得以完善和提高。I1.2.3磁粉检测现状I国外很重视磁粉检测设备的开发，因为只有检测设备的进步，才能给磁粉I检测带来成功的应用。现在国内磁粉探伤设备从固定式磁粉探伤机、移动式磁I粉探伤机、到便携式磁粉探伤机，从半自动磁粉探伤机、全自动磁粉探伤机到I专用磁粉探伤设备，从单向磁化到多向磁化，设备已系列化和商品化。由于晶I闸管等电子元器件用于磁粉

24、检测设备，使智能化设备大量涌现，这些设备可以预置磁化规范和合理的工艺参数。进行荧光磁粉检测和自动化操作，国外还成 功第御用电视光电探测器荧光磁粉扫查和激光飞点扫描系统，实现了磁粉检测 观察阶段的自动化，将检测到的信息在微机和其他电子装置中进行处理，鉴别可剔除的不连续性，并进行自动标记和分选，完全改变了传统磁粉检测手脚并 用眼睛看”的面貌。大大提高了检测的灵敏度和可靠性。代表了当代磁粉检测的 新成就。我国近年来磁粉检测设备发展也很快，已实现了系列化，三项全波直流探 伤超低频退磁设备的性能已打到国外同类设备的水平。交流探伤就机用于剩磁 法检验时加装断电相位控制器保证剩磁稳定。是我国的特色。断电相位

25、控制器 利用可控硅技术，可以代替自藕变压器无级调节磁化电流，还未我国磁粉检测 设备的电子化和小型化奠基了基础。智能化设备已生产应用。光电扫描图像识 别的磁粉探伤机已研制成功。用电脑处理磁痕现实的试验研究有很大的进展， 自动化和半自动化设备有不少应用。磁粉检测的质量控制，是对影响磁粉检测 灵敏度和检测可靠性的诸因素逐个地加以控制。国外非常重视，不仅制定了具 体控制项目，校验周期和技术要求，并设有质量监督检查机制。保证贯彻执行。 同时对质量控制技术要求，通过实践不断进行修正。我国对磁粉检测的基础理 论研究比较重视，已取得较大的进展，断裂力学在无损检测领域的应用。为制 定更合理的产品磁粉检测验收标准

26、提供了依据。磁粉检测方法日臻完善。1.3交流调压技术的发展自从1956年世界上第一只可控硅问世以来，电力电子已走过半个世纪，由于它 对工业技术及国防建设有着重要作用， 世界各国都很重视这一学科的发展。 可控硅是 一种利用半导体PN结原理开发的固体可控开关，它可以用小电流控制开关的导通， 从而控制高电压大电流的电路。 可控硅不仅可以应用于整流，并且可以应用于逆变和 交直流的调压。由于可控硅具有体积小、无污染、功耗低等优点，因而大量运用在工 业工程中变流等技术上，促进了控制理论和计算机技术在工业上的应用，使生产效率、 产品质量不断提高。由于普通可控硅只具有控制导通的能力， 它不能自主关断，它的 关

27、断需要依靠外部电路创造一定的条件，应用于斩波控制时，需要有辅助关断电路， 这使电路的结构变得很复杂，也降低了装置的可靠性。因而，进入80年代，又逐渐出现了能自主控制导通和关断的电力电子器件，如电力晶体管、可关断晶闸管、电力场效应管、IGBT等一系列可以控制导通和关断的器件，称为全控型器件，随着这些 电力电子器件的相继问世，有人称之为第二次工业革命。电力电子器件未来的发展方 向是高耐压、大电流、高频、低损耗、易驱动的器件，并且电力电子器件的模块化、 集成化和智能化也成为未来发展趋势。 模块化是将由多个电力电子器件组成的电路封 装到一个模块中，集成化将功率模块和驱动、检测、保护等功能集而为一，使器

28、件的 使用更方便更安全。在电力电子技术出现以前交流调压常用变压器，变压器工作原理就是电磁感应。一次侧电流通过原边线圈产生感应磁场， 原副边线圈绕在同一个铁芯上，这样原边线圈产生的磁场的磁感应线同样穿过副边线圈， 在二次侧感应出感应电动势，接上负载 就产生电流。原边绕组与副边绕组匝数不等所以能够改变电压。改变交流电频率则很困难。普通变压器只有固定的变比，自耦变压器可以连续调压，但是有滑动触点维 护不方便，这些铁磁结构调压设备笨重、体积大，消耗铜铁材料多。现在采用电力电 子器件的交流调压器不仅可以实现电压的连续调节， 并且装置轻巧，在各种交流调压 场合得到了广泛应用。电力电子变流技术是利用电力电子

29、器件组成的电路来改变电能形式的一项技术， 交流调压属于电力电子技术的一个分支，电力电子技术的发展尽管只有几十年的历 史，但发展速度却非常快，它集电力、电子及控制于一身，是其显示出强大的生命力， 尤其对工业技术革新起到了巨大的推动作用，磁粉检测技术的发展正是这一受益者。在工业生产中，有很多不少由交流供电的设备需要进行调压，以适应设备的工 作状态，因而交流调压器运用十分广泛。 在电力电子变流技术的发展中，各种调压方 式也得到大量运用。交流调压方式主要有斩控式和相控式两种，在磁粉检测技术中， 纵向磁化所需要的磁化电流可以由工频交流整流后再通过斩波调压得到可控的磁化 电流，也可以先进行交流调压，然后再

30、对交流进行整流得到所需电流； 周向磁化需要 的磁化电流为低电压大电流，不需要整流环节，运用最为广泛的是移相控制的交流调 压技术。1.4 可控硅调压在磁粉检测中的应用磁粉检测的基础是缺陷处漏磁场与磁粉间的相互作用。在铁磁性工件被磁化后， 由于材料不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线在材料不连续处发生局部畴 变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，形成了在合适光照下目视可见的碰痕， 从而显示出材料不连续性的位置、 形状和大小，通过对这些磁痕的观察和分析，就能 得出对影响制品使用性能的缺陷的评价。 磁粉检测设备是产生磁场、对工件实施磁化 并完成检测工作的专用装置，是磁粉检测中不可缺少的。磁粉

31、检测设备通常称为磁粉 探伤机。由于磁粉探伤机充退磁的电源不能直接用工业电源， 所以要进行调压。在周向磁 化主电路和纵向磁化主电路中都广泛运用电力电子技术， 尤其是交流调压技术和整流 技术。基于电力电子技术的可控硅调压主要运用在磁粉检测的磁化电源装置。磁化需要低电压大电流的供电电源，由普通电源输入的交流电通过可控硅调压后供给降压变压 器，降压变压器将其变为磁化所需要的低电压大电流输出，可直接对工件进行交流磁化，也可以再通过整流器变成直流电对工件磁化。1.5本课题主要研究内容本文通过对磁粉检测充退磁控制的研究， 以电力电子技术为基础，运用可控硅调 压原理设计出交流调压主电路以及以芯片 TCA 78

32、5为核心的触发电路应用于磁粉探 伤设备充退磁控制系统。通过调节可控硅触发脉冲的相位控制可控硅的通断，从而调节输出电压。再通过降压变压器将调压后的电能变成可作为磁化电源的低电压大电流 对工件进行磁化。课题研究的控制系统通过Matlab仿真以及实验得到了成功验证，证明了该项研究的实用性、有效性。为企业广泛运用磁粉检测提供了可靠而有效的技 术保证，具有广泛的社会效益和经济效益。共 页 第24 页第二章主电路设计2.1主电路设计的基本原理及框图磁粉检测的主要对象是钢铁，它是强磁性物质，众多的钢铁材料是铁磁材料的一 部分。当把没有磁性的铁磁性材料及其制品直接通电或置于外加磁场中时，其磁感应强度将明显地增

33、大，产生比原来磁化场大的多的磁场， 对外显示出磁性。虽然磁铁等 磁体也能产生磁场，但这类磁场跟磁体性质有关，是不可控制的，不能作为外加磁场 对钢铁材料进行磁化。根据电磁感应我们知道，电可以产生磁，通过调节电流的大小， 就可以调节其产生磁场的强度，得到可调的磁场。磁粉探伤中对工件的磁化需要的就 是这样的可控磁场。所以对磁化电源的调节对磁粉检测来说非常重要。对工件的磁化有周向磁化检测和纵向磁化检测两种， 周向磁化检测采用通电磁化 方法，即直接给铁磁性工件通入电流进行磁化； 纵向磁化采用大型磁轭外加磁场磁化 方法，即给线圈通入电流，由通电线圈产生的磁场对工件进行磁化。 对磁化强度的调 节就通过调节通

34、入电流的大小来实现， 这就是对磁化电源的调制。磁化电源装置核心 就是交流调压电路，调压电路由调压主电路和触发电路组成。 这里先对主电路部分进 行设计，主电路其实是一个低电压大电流产生装置， 工作原理是：利用半导体器件的 通断先对工频的交流输入进行调压，通过控制半导体器件的通断来改变输出的电压和 电流的大小，然后将输出的电压和电流作为一次侧输入接入降压变压器，将其转换成低电压大电流的输出，实现对工件的周向磁化，也可以通过线圈实现对工件的纵向磁 化。可以进行交流电磁化，也可以经过整流后实现直流电磁化。 本设计采用交流磁化 电源，故可以省略掉整流部分。基本框图为图 2-1所示。图2-1磁化电源主电路

35、工作框图2.2磁化电流在磁粉检测中是用电流来产生磁场的， 常用不同的电流对工件进行磁化。 这种在 工件上形成磁化磁场的电流叫做磁化电流。由于不同电流随时间变化的特性不同， 在磁化时所表现出来的性质也不一样， 常用的磁化电流有交流电流、 直流电流（整流电 流），在一些特殊的地方，还使用高压脉冲电流。在这次设计中，考虑到主要设计周 向磁化，以及交流磁化电流的趋肤效应和退磁时非常方便，因此使用交流磁化电流。交流电具有大小和方向的周期变化， 在磁场特性上也是随时间作有规律变化。 磁 粉检测磁化电流用交流电的优点是： 、由图2-1所示，输入的工频电经过调压和降压后的交流电流可以直接作为磁化电流使用，而如

36、果使用直流电流磁化，还需要对交流输出进行整流，过程相对于交流磁 化较为复杂。交流磁化省掉整流这一环节，降低了磁化电源的复杂程度。 、用交流磁化时，电流的方向和大小不断发生变化，它所产生的磁场方向和大小也 不断地沿一直线方向来回的变化。这种变化能够搅动磁粉，有助于磁粉的迁移，提高 检测的灵敏度。同时，由于交流电存在着相位变化，当两个或多个不同相位的磁场在 不同的方向上叠加时，容易实现复合磁化或感应磁化。 、交流电具有趋肤效应，即交流电通过导体时，导体横截面上各处的电流密度（单位面积中通过的电流）不相同。在导体中心，电流密度最小，而在导体表面及近表面 的电流密度却很大。这是由于导体在变化着的磁场里

37、因电磁感应而产生涡流，在导体表面附近，涡流方向与原电流方向相同，使电流密度增大；而在导体轴线附近，涡流 方向与原电流方向相反，是导体内部电流密度减弱。这种导体表面及近表面的电流密 度增大的现象叫做交流电的趋肤效应。由于交流电的趋肤效应使得工件表面附近的磁 场较为显著，可以提高工件表面缺陷检查的灵敏度。 、交流磁化电流退磁方便。交流退磁一般有两种方式：交流线圈退磁和交流降压衰减退磁。交流线圈退磁是利用交流电的自动换向， 离开线圈后磁场强度逐渐衰减的原 理进行退磁。而交流降压衰减退磁是将通电磁化时的电流由幅值逐渐降到零。由于交流电本身不断地变换方向，再衰减电流改变磁场的大小，从而达到退磁的目的。而

38、直 流电由于是单一方向，所以衰减退磁时要加入换向装置， 使直流电不断换向，电流值 逐渐减小，相当于一个衰减的方波电流，才能达到退磁目的。所以交流电本身的换向 特性不需要换向装置。交流磁化电流同样也有缺点:交流电方向变化时大小也发生变化， 因此存在着剩磁不稳定的现象。若采用交流 电进行剩磁法检测时，可能造成漏检。为了克服这一不足，可以在交流磁粉探伤机上 配备断电相位控制装置。另外，由于交流电的趋肤效应，对工件表面下的缺陷检测灵敏度随缺陷埋藏深度增加而显著降低，因而对距工件便面较深的缺陷就很难检查出 来。交流磁化电流的大小是有调压环节和降压环节控制，因而交流调压电路以及降压电路是磁粉检测磁化电源设

39、计的主要环节。2.3交流调压控制方式231可控硅的结构及工作原理在电力电子技术出现以前交流调压常用变压器，改变交流电频率则很困难。普通 变压器只有固定的变比，自耦变压器可以连续调压，但是有滑动触点维护不方便，这 些铁磁结构调压设备笨重、体积大，消耗铜铁材料多。现在采用电力电子器件的交流 调压器不仅可以实现电压的连续调节， 并且装置轻巧，在各种交流调压场合得到了广 泛应用。以电力电子技术为基础的交流调压电路离不开电力电子器件，在交流调压中，电力电子器件组成交流无触点开关， 能控制交流电路的通断，利用电力电子器件的可 控性对交流电进行控制，交流无触点开关也称固体开关。可控硅交流无触点开关由可控硅模

40、块组成，可控硅1956年在美国贝尔实验室诞生，1958年开始商品化，并迅速在工业上得到广泛应用，它的出现标志了电子革命 在强电领域的开始。可控硅的特点是可以用小功率信号控制高电压大电流。可控硅有三个极，分别是阴极、阳极和门极，其中门极也叫控制极。可控硅内部的四层PNPN半导体形成三个PN结，在门极开路无控制信号时，给可控硅加正向电压，由于中间 PN结反偏，不会有正向电流通过；给可控硅加反向电压，另两个PN结反偏，也不会有反向电流通过，因此在门极无控制信号时，无论给可控硅加正向电压或反向电压， 可控硅都不会导通而处于关断状态。 但是若在可控硅受正向电压时，在门极和阴极之 间加正的控制信号或脉冲，

41、由于可控 硅内部正反馈作用，可控硅就会迅速 从关断状态转向导通状态。故门极触 发脉冲是对可控硅的导通进行控制的 。其工作原理和过程如图2-2中电路 所示。如果外电路向门极注入电流Ig， 也就是驱动电流，则Ig流入晶体管 V2的基极，即产生集电极电流Ic2， 它构成晶体管V,的基极电流，放大 成集电极电流lei，又进一步增大 VVi|C2Eg|GleiEa|K图2-2可控硅工作原理的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后V1和V2进入完全饱和状态，即可控硅导通。 此时如果撤掉外电路注入门极的电流 Ig ,可控硅由于内部已形成了强烈的正反馈会 仍然维持导通态。而若要使可控硅关断必须去掉阳极所加的正向

42、电压，或者给阳极施加反向电压，或者设法使流过可控硅的电流降低到接近于零的某一数值以下，可控硅才能关断。所以，对可控硅的驱动过程更多的是成为触发，产生注入门极的触发电流 Ig的电路成为门极触发电路。也正是由于通过其门极只能控制其开通，不能控制其关断，可控硅才被称为半控型器件。IC1按照可控硅工作原理，可列出如下方程：- 1 111 A1CBO1（式 2-1）1 C2= 1 12' K1CBO2（式 2-2）Ik二 1iAG（式 2-3）Ia=IC IC2（式 2-4）式中，和2分别是可控硅V和V2的共基极电流增益；Icboi和Icb°2分别是V和V2的 共基极漏电流。由式（2-

43、1）式（2-4）可得I I' II = _2 GCBO 1 CBO 2（式 2_5）I A -1 - C 1 ： 2）可控硅的特性是：在低发射极电流下:是很小的，而当发射极电流建立起来之后， :-迅速增大。因此，在可控硅阻断状态下，Ig =0，而S *2是很小的。由上式可看出，此时流过可控硅的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致趋近于1的话，流过可控硅的电流IA （阳 极电流）将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。当然，由于外电路负载的限制， Ia实际上会维持有限值。可控硅在以下几种情况下也可能被触发导通： 阳极电压升高至相当高的数值造

44、成 雪崩效应；阳极电压上升率du/dt过高；结温较高；光直接照射硅片，即光触发。这 些情况下除了光触发由于可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压 电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有门极触发是最精确、迅 速而可靠的手段。门极触发电流是从门极流入可控硅，从阴极流出的。阴极是可控硅 主电路与控制电路的公共端。门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间 施加触发电压而产生的。总结前面的工作原理，可以归纳出可控硅正常工作时的特性如下:1当可控硅承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，可控硅都不会导通。2当可控硅承受正向电压时，仅在门极有触发电流情况下可控硅才能导通。

45、3可控硅一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，可控 硅都保持导通。4若要是已导通的可控硅关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过可控硅 的电流降到接近于零的某一数值以下。2.3.2交流调压电路交流调压电路主要有三种控制方式，分别是：移相控制的交流调压器、通断控 制交流调压器以及斩控式交流调压器。 除了这三种常用的交流调压方式外， 还有几种 调压器是将功率器件与变压器相结合来实现交流调压，电压的调节归根到底是通过控制功率器件来实现的。由于磁粉检测周向磁化所需要的磁化电源的电压和电流为零至U0图2-3移相控制的交流调压电路原理图最高输出连续可调，并且触发电路 的核心TCA78

46、5芯片的功能是对 输出触发脉冲的相位进行调制， 故对于主电路的交流调压选择移 相控制的交流调压电路。移相控制的交流调压电路 原理图如图2-3所示。负载性质 的不同，输出与输入的关系也不 同，负载的性质大致分阻性负载 和感性负载两种。在磁粉探伤的 磁化过程中，纵向磁化主要是通过给大型磁轭线圈通电产生的磁场对工件磁化， 所以负载一般为感性负载，电感较大 而电阻较小；周向磁化主要是直接给工件通电产生磁场，所以负载一般为阻性负载， 电阻较大而电感较小。本设计主要设计周向磁化的磁化电源调制， 所以重点研究阻性 负载情况下调压电路的工作情况。对于阻性负载情况下，工频交流电输入后，在输入电压的正半周和负半周

47、，分别 对可控硅VT1和VT2的触发相位角进行调制，就可以控制 VT1和VT2的通断，从 而来调节输出电压的大小。从理论上分析：正负半周的起始时刻（=0）均为电压过零时刻。在稳态情况下，正负半周 的值一般相等，即可控硅VT1的触发脉冲相位角：!和VT2的触发脉冲相位角：2互 差180°。负载电压波形是输入电源电压波形的一部分，负载电流和负载电压波形相 同。设输入电压为（见式2-1）:u = U m sin t 二 v 2 U sin t（式 2-6）在输入电压u . 0时，可控硅VT1和VT2的端电压分别为uVT1 = u 0，UVT2 = _u : 0，VT1具备触发导通的条件。在

48、时，触发VT1，VT1导通，输出电压u。= u，两 可控硅的端电压uvt1 uvT2=0，由于负载为纯电阻性，t 时，负载电流下降为零，VT1自然关断。当u ：0时， 可控硅VT1和VT2的端电压UVT1 = U : 0， UVT2 = _U - 0，VT2具备触发导通的条件。在 t -时，触发 VT2，VT2导通，输出电压为u。二u , 两可控硅端电压 U/口 =UVT2 =0。 当7 =2二时，负载电流下降 为零，VT2自然关断。这是一个周期的电压变化过程。通过分析可以得到阻性负载交流调压电路波形，波形如图2-4所示。则输出电压有效 值U。（见式2-7）、输出电 流有效值I。（式2-8）、

49、可控 硅电流有效值Ivt （式2-9）和电路功率因数（式2-10） 分别为：UoIvtuV1/Nco t输l0r出输图2-4阻性负载移相交流调压波形in t）2d（ t） =U. 1 sin2：-（式 2-7）IoUo（式 2-8）”2Usin血小八仆厂- R利2sin 2）（式 2-9）UoIoUIUoUn -asin 2：ji（式 2-10）由图2-4及以上各式可以看出，:-的移相范围为0_。= 0时，相当于可控硅 一直接通，输出电压为最大值，Uo二U。随着的增大，Uo逐渐降低。直到:二二时, Uo =0。所以移相控制的交流调压电路调压范围为 0乞Uo冬U。此外，-0时，功率 因数，=1，

50、随着的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，也逐渐降低。2.4降压变压器及RC保护电路 2.4.1降压变压电路经过可控硅调压后得到的输出电压显然不适合直接作为磁化电源，考虑到磁粉检测比较潮湿的工作环境下人体的安全电压，磁化电源一般不宜超过24伏特，而对工件磁化需要强磁场，强磁场的产生需要很大的电流，一般为04000A有效值，连续可调。而降压变压器正好能满足这一需要， 降压变压器原理是根据电磁感应原理实 现的，降压变压器二次侧线圈的匝数要比一次侧线圈的匝数低，这样一次侧的电压经过降压变压器到二次侧就会变为低电压，电压比值跟线圈匝数比成正比关系。 而由于变压器只改变一次侧和二次侧的电压和电流大小，不

51、改变功率大小，所以一次侧电流图2-5降压变压器与可控硅调压电路连接图经过降压变压器转换后会增大，电流比值与线圈匝数比成反比关系。 一般降压变压器 式磁化装置电流调节有三种方式： 变压器分级抽头转换方式、感应电压调节（自耦变 压器）方式以及晶闸管控制方式。 第一种是通过转换降压变压 器输入端抽头的位置，改变 变压器匝数比来调节磁化电 流大小。本设计采用第二种 方式是将电压调节器与降压 变压器串联，当改变它的电 压时，便能改变降压变压器 的一次电压，从而获得可调 的低压大电流。晶闸管控制 是在降压变压器一次侧接入晶闸管元件，利用调整晶闸管导通角大小来调节磁化电流 大小。调节方式的电路原理图见图 2

52、-5.2.4.2 RC保护电路交流调压中采用的可控硅，它具有体积小、重量轻、效率高和使用方便等优点，对提高生产效率和降低成本等都有显著效果，但它也具有过载和抗干扰能力差， 且在控制大电感负载时会干扰电网和自干扰等缺点，尤其是过电压过电流问题在设计中一定要考虑到。可控硅元件控制大电感负载时会有干扰电网和自干扰的现象，其原因是当可控 硅元件控制一个连接电感性负载的电路断开或闭合时，其线圈中的电流通路被切断， 其变化率极大，因此在电感上产生一个高电压，这个电压通过电源的内阻加在开关触 点的两端，感应电压一次次放电直到感应电压低于放电所必须电压为止，在这一过程中将产生极大的脉冲束。这些脉冲束叠加在供电

53、电压上，并且把干扰传给供电线或以 辐射形式传向周围空间，这种脉冲具有很高的幅度，很宽的频率，因而具有感性负载 的开关点是一个很强的噪声源。可控硅元件优点很多，但是它过载能力差，短时间的过流，过压都会造成元件 损坏，因此为保证元件正常工作，需有条件：（1）外加电压下允许超过正向转折电压， 否则控制极将不起作用；（2）可控硅的通态平均电流从安全角度考虑一般按最大电流 的1.52倍来取；（3）为保证控制极可靠触发，加到控制极的触发电流一般取大于其 额值，除此以外，还必须采取保护措施，一般对过流的保护措施是在电路中串入快速 熔断器，其额定电流取可控硅电流平均值的 1.5倍左右，其接入的位置可在交流侧或

54、 直流侧，当在交流侧时额定电流取大些， 一般多采用前者，过电压保护常发生在存在 电感的电路上，或交流侧出现干扰的浪涌电压或交流侧的暂态过程产生的过压。由于，过电压的尖峰高，作用时间短，常采用电阻和电容吸收电路加以抑制。另外，还常在主电路中采用快速熔断器来防止系统过电流，可控硅耐过电压的能力是有限的，在遭受过电压时，即使超过元件反向击穿电压数值不大，时间不长，都 有可能使元件反向击穿，造成损坏。不可能从根本上消除过电压的根源， 只能设法将 过电压的幅值抑制到安全限度以内， 这是过电压保护的基本思想。抑制过电压的方法 有三种:用非线性元件限制过电压的幅度；用电阻消耗产生过电压的能量；用储能元件 吸

55、收产生过电压的能量。其中利用储能元件电容的一个基本特性 两端的电压不能 突变可以克服尖峰状过电压是可控硅过电压保护的最基本的方法。串接电阻是在可控硅阻断时防止电容和电感振荡，起阻尼作用，阻容电路还具有加速可控硅导通的作用。本次设计采用阻容装置与可控硅元件并联的方式防止过电压（如图2-6），电容C是作为储能元件使晶闸管两端的电压不能发生突变，防止尖峰过电压。此外，电容C还需要串联电阻R,电阻的主要作用是限制电流上升率。因为当可控硅元件未导通时， 电容是充着电的，当元件受到触发导通时，电容立即经可控硅形成短路的放电回路， 若没有电阻限流，这放电电流瞬时值很大，由于可控硅的电流上升率是有限制的。 超

56、 过允许值有可能使硅元件损坏，故必须串入电阻限制放电电流。VT1图2-6对可控硅元件的RC保护与可控硅元件并联的阻容保护一般尽量靠近被保护的元件，引线要短些，以提高保护效果。2.5整体主电路图以及工作过程对以上各个电路部分的设计， 磁化主电路主要由可控硅VT1和VT2、 快速熔断器FA、降压变压器T、电 阻R、电容C、电流互感器TA、电流 表等构成。主电路图如图2-7所示。主电路的输入为工频电压，由 可控硅模块VT1、VT2构成移相控制 的交流调压对工频电压调压，通过调 节触发电路的触发脉冲的相位对可控 硅通断进行控制，从而调节输出电压 的大小，随着触发脉冲相位的变化， 相控调压的范围为零至输入电压最大 值，调压后输出为可调交流输出；快 速熔断器FA为磁化主电路保护快熔， 防止过载使用或其他原因导致电流过 大而损坏磁化主电路；电容 C、电阻220vFAVT1VT2TA图2-7磁化主电路图R构成RC保护电路与可控硅模块并联，保护可控硅模块，防止可控硅通断过程中瞬 时尖峰过电压