大功率可调直流压电源.docx
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大功率可调直流压电源
200届毕业设计（论文）
材料
系、部：
电气与信息工程系
学生姓名：
郭银军
指导教师：
陆秀令
职称：
教授
专业：
电气自动化技术
班级：
电气0701班
学号：
401070135
2010年5月
材料清单
1、毕业设计（论文）课题任务书
2、指导教师评阅表
3、答辩及最终成绩评定表
4、毕业设计说明书
5、附录材料
2010届毕业设计（论文）课题任务书
系：
电气与信息工程系专业：
电气自动化技术
指导教师
陆秀令
学生姓名
郭银军
课题名称
大功率可调直流稳压电源
内容及任务
基于晶闸管变流技术的发展和集成触发器的应用，本设计利用移相触发原理制作一台大功率可调直流稳压电源。
通过三相移相触发集成芯片TC787DS对触发脉冲的控制，实现输出电压可调的目的。
大功率可调直流电源具有输出电压25～150V可调、最大输出电流可达100A、过压过流保护、断相保护等特点，且电路简单、可靠性高。
拟达到的要求或技术指标
画出硬件电路图，计算出具体参数
进度安排
起止日期
工作内容
备注
2010.3.20~3.29
2010.3.30~4.02
2010.4.05~4.25
2010.425~5.01
2010.5.1~5.10
2010.5.15~5.21
2010.5.22~5.25
收集资料、熟悉毕业设计课题
总体方案的选择与论证
硬件系统的设计与实物的制作
软件系统的设计
系统调试
编写毕业设计说明书
毕业答辩
主要参考资料
[1]陆秀令.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2004.3
[2]方承远.工厂电气控制技术[M].北京:
机械工业出版社，2000.10
[3]陈国呈.新型电力电子技术变换技术[M].中国电力出版社，2004.9
[4]琬喜明.电力电子技术[M].高等教育出版社，2005.4
[5]吕家元.半导体变流技术[M].天津大学出版社，2002.9
[6]莫正康.半导体变流技术[M].机械工业出版社，2004.2
[7]许晓峰.电机及拖动[M].北京:
高等教育出版社，2000.8
教研室
意见
年月日
系主管领导意见
年月日
湖南工学院2010届毕业设计（论文）指导教师评阅表
系：
电气与信息工程系
学生姓名
郭银军
学号
401070135
班级
电气0701
专业
电气自动化
指导教师姓名
陆秀令
课题名称
大功率可调直流稳压电源
是否同意参加答辩：
是□否□
指导教师评定成绩
分值：
指导教师签字：
年月日
湖南工学院2010届毕业设计（论文）答辩及最终成绩
评定表
系（公章）：
学生姓名
郭银军
学号
401070135
班级
电气0701
答辩
日期
课题名称
直流电子负载
指导
教师
陆秀令
成绩评定
分值
评定
小计
教师1
教师2
教师3
教师4
教师5
课题介绍
思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。
30
答辩
表现
思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确大、深入,知识面宽。
必
答
题
40
自
由
提
问
30
合计
100
答辩评分
分值：
答辩小组长签名：
答辩成绩a：
×40％＝
指导教师评分
分值：
指导教师评定成绩b：
×60％＝
最终评定成绩：
分数：
等级：
答辩委员会主任签名：
年月日
说明：
最终评定成绩＝a+b，两个成绩的百分比由各系自己确定，但应控制在给定标准的10％左右。
200届毕业设计说明书
大功率可调直流稳压电源
系、部：
电气与信息工程系
学生姓名：
郭银军
指导教师：
陆秀令职称教授
专业：
电气自动化技术
班级：
电气0701
完成时间：
2010年5月
摘要
本设计提出了一种新型的没有电磁污染的三相大功率电源主电路方案。
随着晶闸管变流技术的发展，集成触发器的应用，提高了触发电路工作可靠性，缩小体积，大大简化了触发电路的生产与调试。
三相整流触发电路采用高性能移相触发电路TC787DS。
三相桥式全控整流输出电压波动小，输出功率大，具三相负载平衡。
大功率晶闸管能够高效率地把工频交流电转变为直流电，其功率因数可达到0.995以上。
TC787DS是采用先进IC工艺设计制作的单片集成电路，其触发脉冲为锯齿波，可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相半控全控桥可控硅整流触发和三相交流调压反并联可控硅触发（也可以双向可控硅触发），可构成多种调压调速和变流装置。
关键词：
晶闸管、三相桥式全控整流、钟点法、TC787DS、过压过流保护
ABSTRACT
Thisdesignproposedonekindnewdoesnothavetheelectromagneticpollutionthree-phasehighefficiencypowersourcemaincircuitplan.Alongwiththethyristorvariablecurrenttechnologydevelopment,integratesthetriggertheapplication,enhancedthetriggeringelectriccircuitoperationalreliability,reducesthevolume,simplifiedgreatlyhastriggeredtheelectriccircuittheproductionandthedebugging.Thethree-phaserectificationtriggeringelectriccircuituseshighperformancephaseshiftingtriggeringelectriccircuitTC787DS.
Thethree-phasebridgetypeallcontrolstherectifiedoutputvoltagetoundulateslightly,theoutputisbig,hasthethree-phaseloadtobebalanced.Thehighefficiencythyristorcanthehighefficiencybecomethepowerfrequencyexchangephonographthedirectcurrent,itspowerfactormayachieveabove0.995.
TC787DSisusestheadvancedICtechnologicaldesignmanufacturethemonolithicintegratedcircuit,itstriggerpulseisthesaw-toothwave,butthesinglepowersourcework,alsomaythedoublepowersourcework,mainlybesuitableforthree-phasepartlycontrolsallcontrolsbridgesilicon-controlledrectifierrectificationtriggeringandthethree-phaseACaccentpressescounter-parallelsilicon-controlledrectifiertriggering（alsotobepossiblebidirectionalsilicon-controlledrectifiertriggering）,mayconstitutemanykindsofaccentstopressthevelocitymodulationandthevariablecurrentinstallment.
KeywordsThethyristor；Thethree-phasebridgetypeallcontroltherectification；Thehourlaw；TC787DS；Havepressedtheoverflowprotection
第1章绪论11
1.1电力电子与电源技术发展现状11
1.2本设计任务12
第2章大功率直流稳压电源主电路设计13
2.1直流稳压电源的结构13
2.2主电路设计方案14
2.3三相桥式全控整流电路14
2.3工作原理15
2.4晶闸管参数计算及选择17
2.5平波电抗器18
第3章触发电路的设计19
3.1主电路对触发电路的要求19
3.2同步电路设计20
3.2.1同步的概念20
3.2.2同步变压器22
3.2.3实现同步有如下步骤：
23
3.3触发电路的设计23
3.3.1方案设计23
3.3.2TC787DS简介25
3.3.3TC787DS内部电路框图25
3.3.4TC787DS工作原理26
3.3.5TC787DS管脚功能表28
3.3.6脉冲放大电路29
第4章保护电路设计30
4.1过电压保护30
4.2过电流保护33
4.3短路保护33
结束语35
参考文献36
致谢37
附录38
第1章绪论
1.1电力电子与电源技术发展现状
电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技技术，电源技术属于电力电子技术的范畴。
电源技术主要是为信息产业服务的，信息技术的发展又对电源技术提出了更高的要求，从而促进了电源技术的发展，两者相辅相成才有了现今蓬勃发展的信息产业和电源产业。
从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重的作用。
在这方面我国与世界先进国家的差距很大，作为一个电源设计者，不仅应该完成当前的本职工作，还必须通过各种信息渠道及时掌握电源技术最新发展方向与相关的元器件、原材料的最新发展动态，国内外先进的薄膜工艺、厚膜工艺、集成化工艺等。
只有这样才能设计出功能齐备、性能优良的电源产品。
电源设备用以实现电能变换和功率传递，是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品。
电力电子技术的发展带动了电源技术的发展，而电源技术的发展有效地促进了电源产业的发展。
迄今为止电源已成为非常重要的基础科技和产业，并广泛应用于各行业，其发展趋势为高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化。
同时，封装结构、外形尺寸日趋国际标准化，以适应全球一体化市场的要求。
电源是位于市电（单相或三相）与负载之间，向负载提供优质电能的供电设备,是工业的基础。
电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。
随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。
目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。
他对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键作用。
当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位、和波形等基本参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。
因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础。
电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。
由上述可见，电源技术的创新，促进电源技术迅速发展，将为生产和科技进步做出更大的贡献。
可以预言，电源技术和电源设备将成为新世纪的主导技术和主流产品。
1.2本设计任务
基于晶闸管变流技术的发展和集成触发器的应用，本设计利用移相触发原理制作一台大功率可调直流稳压电源。
通过三相移相触发集成芯片TC787DS对触发脉冲的控制，实现输出电压可调的目的。
大功率可调直流电源具有输出电压25～150V可调、最大输出电流可达100A、过压过流保护、断相保护等特点，且电路简单、可靠性高。
第2章大功率直流稳压电源主电路设计
2.1直流稳压电源的结构
电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机（微处理器）技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。
在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具体应用。
在越来越发达的现代电子行业，对电源的电气性能指标、可靠性、安全性、齐全的保护功能等要求越来越高。
本设计内容为一台输出电压可调的大功率直流电源。
是利用晶闸管和其他的电子器件，设计的一台输出直流电压可以在25~150V之间可调，输出最大电流可达100A的直流电源。
具有短路、过电流和过压保护功能。
系统主要包括以下五个部分：
主回路、同步电路、触发电路、脉冲放大电路、过压过流保护等。
系统框图如下：
图2.1系统总原理框图
根据设计要求：
可调直流电源输出电压为25V～150V可调，最大输出电流为100A。
最大输出功率为15kW。
一般负载容量超过为4kW以上，要求直流电压脉动较小的场合，因此设计主电路采用三相桥式全控整流电路。
三相整流输出电压波动小，输出功率大，具三相负载平衡。
由于集成触发器的应用和完善，提高了触发电路工作可靠性，缩小体积，大大简化了触发电路的生产与调试。
因此本设计采用了三相触发集成芯片TC787DS，内部触发脉冲为锯齿波，可触发200A以下的晶闸管，锯齿波移相可以不直接受电网波动和波形畸变的影响，能够可靠地产生触发信号，因此在大、中容量中广泛应用。
该芯片具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽，外接元件少等优点。
同步变压器采用D/Y-11的接法，得到二次侧电压超前相对应的一次侧电压的300。
为了增大输出电流，更好地触发晶闸管，触发电路的输出级采用脉冲变压器。
本设计中采用晶闸管型号规格为KP100-1，由于晶闸管过电压、过电流能力差，为使晶闸管装置正常工作而不损坏，因此在晶闸管装置中，必须采取合适的保护措施。
设计中交、直流侧过电压保护采用压敏电阻，能够有效抑制过电压，是一种理想的过电压的措施。
由于三相触发芯片TC787DS中带有输出控制端，在主电路中串入采样电阻，芯片根据采样信号对电路作出控制，起过流保护作用，同时交流侧加有快速熔断器。
2.2主电路设计方案
根据设计内容要求：
大功率直流电源输出电压可调，最大输出电流达100A，因此可采取由晶闸管所组成的整流电路，通过对晶闸管导通角a的控制，来实现输出电压的可调。
由于三相整流输出电压波动小，输出功率大，具三相负载平衡。
在大容量负载中应用广泛，因此设计中采用三相整流电路。
三相可控整流电路形式很多，有三相半波整流、三相半控桥式整流、三相全控桥式整流，但三相半波可控整流电路是最基本的组成形式。
三相半波可控整流电路由三只晶闸管组成，单相电路比较，对于220V直流电动机负载，可省去整流变压器直接由380V三相四线电源供电。
三相半波电路的不足之处是晶闸管电流即变压器二次电流在一个周期内只有1/3时间有电流流过，变压器利用率低，此外由于变压器二次电流为单向脉动电流动，其直流分量在磁路中形成直流不平衡磁动势，在三相变压器中产生较大的漏磁通，引起附加损耗；如用三只单相变压器组成时，每相直流磁动势都会严重地使铁心饱和，这在实际应用上是不充许的。
三相全控整流电路则克服了以上缺点，因此本设计中主电路采用三相全控整流。
2.3三相桥式全控整流电路
三相全控整流输出电压波动小，输出功率大，且三相负载平衡。
由于六个晶闸管轮流导通，各项指标好，主要用于要求较高或要求逆变的大功率场合。
下图为三相全控桥式整流电路：
图2.2三相全控整流电路
2.3工作原理
图2.2为三相全控桥式整流电路在a=00、带大电感负载时的电压电流波形。
由三相半波电路分析可知，共阴极组的自然换流点（a=00）在ｗt1、ｗt3、ｗt5时刻，分别触发VT1、VT3、VT5晶闸管，共阳极组的自然换流点在ｗt2、ｗt4、ｗt6时刻，分别触发VT2、VT4、VT6晶闸管。
两组的自然换流点对应相差600，电路各自在本组内换流，即VT1→VT3→VT5→VT1……，VT2→VT4→VT6→VT2……，每个管轮流导通1200。
如图2-3（a）图所示。
由于电路中中性线断开，要使电流流通，负载端有输出电压，必须在共阴极组中各有一个晶闸管同时导通。
在ｗt1→ｗt2期间，U相电压较正，V相电压较负，在触发脉冲作用下，VT6、VT1管同时导通，电流从U相流出，经VT1→负载→VT6流回V相，负载上得U、V相电压。
从ｗt2开始，U相电压仍然保持电位最高,但W相电压开始比V想更负了，此时脉冲Ug2触发VT2导通，迫使VT6承受反压而关断，负载电流从VT6中换到VT2。
在ｗt2→ｗt3期间，电流路径为U相→VT1→负载→VT2流回W相，负载上得到U、W相线电压。
在ｗt3时刻，由于V相电压比U相电压高，故触发VT3导通后，能迫使VT1管关断，电流从VT1换到VT3。
u2uuuvuwuuuvuw
（a）
ｗt
ｗt1ｗt2ｗt3ｗt4ｗt5ｗt6ｗt7ｗt8
VT1VT3VT5VT1VT3
VT6VT2VT4VT6VT2
Ug1
Ug2
Ug3
Ug4
Ug5
Ug6
ｗt
（b）
ｗt
Uu
ｗt
iu
iv
（c）ｗt
iv1
ｗt
图2.3三相桥式全控整流电路电流、电压波形
依此类推，ｗt3→ｗt4期间是V、W相供电，VT4、VT5导通；ｗt4→ｗt5期间是V、U相供电，VT3、VT4导通；ｗt5→ｗt6期间是W、U相供电，VT4、VT5导通；ｗt6→ｗt7期间是W、V相供电，VT5、VT6导通。
如图a所示，这时，对共阴极组而言，其输出电压波形是三相电压波形正半周期的包络线；对共阳极组而言，是负半周期的包络线。
三相桥式全控整流的输出电压为两组输出电压之和，是相电压波形正负包络线下的面积，其平均直流电压ud=2×1.17Ud2Φ。
在三相线电压波形上下是正半部分的包络线。
如图2-3（b）所示：
整流变压器二次电流iu、iv及电源电流iv1=iu－iv的波形如d图所示，其它两相电流波形相同，只是相位上依次相差1200，K为变压器一、二次侧匝数之比。
由于变压器采用D/Y联结使电源电流有二个阶梯，更接近正弦波，谐波影响小，因此本设计主电路整流装置中，三相变压器大采用用D/Y联结。
2.4晶闸管参数计算及选择
选择晶闸管元件主要根据是晶闸管整流装置的工作条件，计算管子电压、电流值，正确确定晶闸管型号规格，以得到满意的技术经济效果。
在整流装置中选择KP型普通晶闸管，通过对额定电压、电流值的计算，在晶闸管参数表选择合适的型号。
晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压。
考虑电源电压的波动与抑制后的过电压，晶闸管的额定电压必须大于线路实际承受最大压的2～3倍。
晶闸管额定电流的计算原则是必须使管子的额定电流有效值IT=1.57IT（AV）＞IT（实际流过管子电流的最大的效值）。
对于不同电路型式、不同控制角及不同性质的负载，流过晶闸管的电流的波形系数KfT=IT/IdT和流过晶闸管的平均电流IdT与负载平均电流Id之比，都可通过数学方法求得，因此，有
IT=1.57IT（AV）＞IT=KfT=（IT/IdT）Id…………………………2.1
K=
…………………………………………………2.2
IT（AV）＞kId…………………………………………………2.2
KfT、k均可以在晶闸管参数表中查得，根据不同电路、不同控制角与负载的性质，已知Id值即可确定晶闸管的额定电流；反之，已知IT（AV）亦可确定允许的负载电流Id。
由于晶闸管电流过载能力很差，在带电阻性负载时，要考虑电阻在冷态时阻值小，故有较大的启动电流；在带电动机负载时，最大输出电流Id要考虑启动电流过载倍数与电动机允许的过载能力。
考虑以上因素，晶闸管的额定电流IT（AV）还要比查表计算值1.5～2倍。
本设计中整流输出电压为125V，允许电最大电流为100A，通过计算：
通过公式计算：
Ud=2.34U2φ…………………………………2.3
∴U2φ=53V
整流电路中元件承受的峰值电压UTM=
×53V=130V
晶闸管额定电压为
UTn=（2～3）UTM……………………………………2.4
=（2～3）×130V
取UTn=400V
负载额定电流为IdT=57A
负载平均电流Id为Id=
×100=173A
晶闸管的额定电流查表
IT（AV）=（1.5～2）kId………………………………2.5
=（1.5～2）×1.367×173A
取IT（AV）=400A
因此，本设计中采用晶闸管型号规格为KP400-4，其参数如下：
其通态平均电流400A左右，
断态重复峰值电压100～3000V，
额定结温1150C，
门极触发电流为10～150mA，
门极触发电压4V左右。
目前越来越多地采用电力半导体组件结构形式。
较多使用的有二个元件串联、四个元件组成的单相桥、六个元件组成的三相桥等。
在某些大功率场合，将晶闸管及其并联RC、触发装置的功率级、脉冲变压器等都装在用工程塑料压制成的框架上，组成一个功率组件，这样使用将为简便。
2.5平波电抗器
为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路串入带有气隙的铁芯电抗器Ld称为平波电抗。
晶闸管整流装置的输出电压可分解为了一个恒定直流分量与一个交流分量，通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁芯损耗增大而引起电动机过热。
抑制交流分量的有效办法是串联平波电抗器，使交流分量基本降落在电抗器上，而负载上能够得到比较恒定的直流分压与电流。
第3章触发电路的设计
3.1主电路对触发电路的要求
根据通常的习惯，希望三相全控桥式整流电路六个晶闸管触发导通的顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6。
在三相电源正序情况下，编号为VT1、VT4管接U相（U相可
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