220V／100A单相全波可控整流电路.doc

1、辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文）题目：220V100A单相全波可控整流电路院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2013.12.16-2013.12.27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220V100A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 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：1、交流电源：单相

2、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 100A。4、直流电动机负载。5、根据实际工作情况，最小控制角取 2030 0左右。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。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

3、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/

4、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 。

5、 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

6、 闸 管 ； 触 发 电 路 。本科生课程设计（论文）V目 录第 1 章 绪论 11.1 单相全波整流电路的发展 .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 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

7、）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

8、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

9、 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

10、 。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）21.2 本文研究内容将 220V

11、 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 0220V 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 2030 0左右本科生课程设计（论文）31.3 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

12、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）41.3.2 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

13、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

14、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）62.2 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）72.2.2 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

15、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。V

16、1V4 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。11216115143943578R23+15V +15V+15VRP1R24R2R20RP4 R5R1R3R4R6R7R8R12R10R1R14R19R13R2526R27 R28R20R2

17、R16R17R21R18R15V3V2V1 V18V19V20V4V5 V6V12V13V14V15V16V9V10V1V8V7V17VS5VS12VS3VS4 VS6VS7VS8VS9VD1VD2D3VDVD5 D6D7C1 C2ubucous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(+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

18、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 （+

19、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)

20、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

21、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本科生课程设计（论文）9引线脚号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1516表 2.2.2 KJ004 芯片引脚功能本科生课程设计（论文）102.2.3 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

22、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）112.3 总电路原理图图 2.3 总电路原理图本科生课程设计（论文）122.4 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

23、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 RMDNVTU,minUNVT （23）2 U2 UNVT ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 UNVT =2 U2=311.08V通过晶闸管的电流的平均值 IvT(AV) （2）额定电流 INVTIvt(AV)=Id/2=30AIm=I Vt(

24、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（1.52）倍的安全裕量。即INVT(1.52)I VT/1.57=（95.5127.4）AINVT =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

25、、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。本科生课程设计（论文）13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 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。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，KJ

26、004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。本科生课程设计（论文）14参考文献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, 2003.4