220v--50a单相全波可控整流电路--课程设计论文--大学毕业设计论文.doc

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 辽 宁 工 业 大 学 电力电子技术课程设计（论文） 题目：220V50A单相全波可控整流电路院（系）： 工程技术学院 专业班级：电气工程及其自动化学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：工程技术学院 教研室：电气教研室学 号学生姓名 专业班级 课程设计（论文）题目220V50A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、技术参数实现功能：设计1台额定电压220V、功率为10kW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。技术参数1、交流电源：单相220V。2、整流输出电压Ud在0220V连续可调。3、整流输出电流最大值50A。4、直流电动机负载。5、根据实际工作情况，最小控制角取20300左右。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10kW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；MATLAB。目 录第1章 绪论11.1 电力电子技术概括11.2 本文研究内容21.3 方案论证31.3.1 单相桥式全控整流电路31.3.2 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52.1 单相全波可控整流电路总体设计框图52.2 具体电路设计62.2.1 单相全波可控整流电路设计62.2.2 由KJ004构成的控制电路设计72.2.3 保护电路的设计92.3 总电路原理图102.4 元器件型号选择112.5 MATLAB仿真实验12第3章课程设计总结15参考文献16IV第1章 绪论1.1 电力电子技术概括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。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10KW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0220V连续可调整流输出电流最大值50A直流电动机负载根据实际工作情况，最小控制角取20300左右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。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。220单相交流电源整流电路负载电路触发电路保护电路图2.1 单相全波可控整流电路整体框图 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。V1V4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(+15VR3VD1V1地)；在Us负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15VR3VD2V3R5R21(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，V1V3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。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(+15VR6C1R22RP1(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（+15VR25V6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V9V11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 V13V15放大后输出负相脉冲。说明：1) KJ004中稳压管VS6VS9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、VD6VD8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VD1VD12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管V1V6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 RP1RP3为锯齿波斜率电位器，RP4RP6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引线脚号1 23 45 678910111213141516表2.2.2 KJ004芯片引脚功能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2.3 总电路原理图图2.3 总电路原理图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23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 UNVT （23）2U2 UNVT ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 UNVT =2U2=311.08V通过晶闸管的电流的平均值IvT(AV) （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（1.52）倍的安全裕量。即这里取2倍安全电流储备，并考虑晶闸管元件的额定电流，所以选择额定电流为100A的晶闸管。 所以选用kp100型晶闸管。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,作可控硅的双路脉冲移相触发。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。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。2.5 MATLAB仿真实验启动MATLAB，打开Simulink，新建文件，根据单相桥式半控整流电路所需的元器件添加相应的控件并连线，完成仿真图的绘制。绘制完成后的仿真图如图2.4所示。图2.4 单相全波可控整流电路的MATLAB仿真图 电源参数设置如图2.5所示图2.5 电源参数由前面的计算我们已经知道，当触发角从0连续变化到1800时，对应的直流输出电压逐渐变小。图2.5.1、2.5.2、2.5.3、2.5.4分别给出了控制角 为0、450、900、1800时的仿真波形图。所产生的波形与理论波形相同，符合设计要求。图2.5.1 触发角=0时的仿真波形图2.5.2触发角=450时的仿真波形 图2.5.3 触发角=900时的仿真波形图2.5.4触发角=1800时的仿真波形第3章 课程设计总结 本设计通过单相全波可控制整流电路，将220V的单相交流电转换成0220V连续可调的直流电，为额定电压220V、额定功率10KW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。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。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,作可控硅的双路脉冲移相触发。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。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。所以本设计中，单相全波可控整流电路比较适合应用。参考文献1 邱关主编. 电路.第五版. 高等教育出版社2 郝万新主编.电力电子技术.化学工业出版社. 20023 王兆安主编.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,20034 吕宏主编.电力电子技术.感应加热电源的PWM-PFM控制方法. 2003.15 吴雷主编.电力电子技术.基于DSP大功率中频感应焊机的研究. 2003.416