110V200A单相全波可控整流电路.docx
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110V200A单相全波可控整流电路
业大学
电力电子技术课程设计（论文）
题目：
110VZ200A单相全波可控整流电路
专业班级:
学号:
学生姓名:
指导教师:
起止时间:
2013.12.30-2013.12.27
院（系）：
电气工程学院
课程设计（论文）任务及评语
教研室：
电气
学生姓名
专业班级
课程设计
（论文）
题目
110V/200A单相全波可控整流电路
课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数
实现功能
为1台额定电压110V、功率为21kW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。
本设计采用单相全波可控整流，从而实现为1台额定电压110V功率为21kW
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电路，以便于低压输出。
关键词：
整流电路；变压器；晶闸管；触发电路。
第1章绪论
1.1
1.2
1.3
单相全波整流电路的发展....本文研究内容
方案论证
1.3.1单相桥式全控整流电路
1.3.2单相全波可控整流电路
第2章单相全波可控整流电路设计
2.1
2.2
2.3
2.4
单相全波可控整流电路总体设计框图具体电路设计
2.2.1单相全波可控整流电路设计.
2.2.2由KJ004构成的控制电路设计
2.2.3保护电路的设计
总电路原理图
元器件型号选择
10
11
12
第3章课程设计总结
13
参考文献
14
第1章绪论
1.1电力电子技术的发展
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。
电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新技术。
可以预见，在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。
以计算机为核心的信息科学将是21世
纪起主导作用的科学技术之一，这是毫无疑问的。
有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。
由此可见，电力电子技术在21世纪中将会起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。
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110V单相全波可控整流电路为1台额定电压为110V,功率为21KW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Ud在0〜110V连续可调
整流输出电流最大值200A
直流电动机负载
根据实际工作情况，最小控制角取20〜30°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。
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
单相全波可控整流电路（SinglePhaseFullWaveControlledRectifier）又称单相双半波可控整流电路。
单相全波可控整流电路相当于两个单项半波可控整流电路的并联，电路由整流变压器、负载和两只晶闸管组成。
工作期间两个晶闸管轮流导通改变控制角可使两个晶闸管的导通角改变，输出电压大小也随之改变，负载上得到的直流平均电压是半波可控整流电路的两倍，导通的平均电流为负载平均电流的两倍。
单相全波可控整流电路，较单相半波可控整流电路输出电压的脉动小，输出电压高，其变压器利用率较低，每只晶闸管承受的反向电压较高。
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电路图
KWA-
2it
2tc
3兀讪
3t
3兀
y’y、丿
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222KJ004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。
V1〜V4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（+15V—RAVD1-V1-地）；在Us负半周，V2、V3导通，电流途径为（+15V-RAVD2—V3-R5-R21-（—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，V1〜V3截止，V4从电源十15V经R3R4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（+15V—R6-C1-R22—RP—（-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R22RP1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偏移电压Ub移相控制电压UC分别经R24R23R26在V6基极上叠加。
当Ube6>+0.7V时，V6导通。
设uC5Ub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、VD5V7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（+15V—R25-V6-
R25C2决定。
V7集电极输出两个相位如在us正半周V1导
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
V8V12为脉冲分选环节。
在同步电压一个周期内，
V12导通，V12把来自V7的正脉冲箝位在零电位。
同时，V7正脉冲VD7经V9〜V11放大后输出脉冲。
在同步电压负半周，情况刚好相V12截止，V7正脉冲经V13〜V15放大后输出负相脉冲。
说明：
中稳压管VSAVS9可提高V&V9、V12、V13的门限电压，从而提
差为180°的脉冲。
脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。
通，V8截止，又通过二极管反，V8导通，
1）KJ004
高了电路的抗干扰能力。
二极管VD1VD2VD6-VD8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VD〜VD12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管V1〜V6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UsaUsbUsc分别与同步变压器的UsaUsbUsc相接RP1〜RP3为锯齿波斜率电位器，RP4RP6为同步相位。
表222KJ004芯片引脚功能
功能
输
出
空
锯齿波
形成
-Vee（1kQ）
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
2
3
4
5
6
7
8
9
1011
12
13
14
15
6
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。
R3
r-VA
C1
T1
X1
3D1
R5
2X2
D2,
-
pjC2
--_IP
图223保护电路
2.3总电路原理图
即【
0
dflin■-
图2.3总电路原理图
厂s
n
0厂e
Er
d
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
1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。
2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（2〜3）倍，以保证电路的工作安全。
晶闸管的额定电压UNVT=齢inUDRM,URRM
UNvt＞（2〜3）2血Ub
UNvt:
工作电路中加在管子上的最大瞬时电压
UNvt=2、耳U2=311.08V
通过晶闸管的电流的平均值IVT（AV）
（2）额定电流INVT
Ivt（AV）=Id/2=30Alm=nIvt（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（1.5〜2）倍的安全裕量。
即
INVT>（1.5〜2）1V1/1.57=（95.5〜127.4）A
INVT=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
KJ004
，作可
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，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
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。
第3章课程设计总结
经过努力，我终于完成这次彩灯控制课程设计110V/200A单相全波可控整流电路课程设计任务。
我首先查阅了大量的书本资料，接着又上网搜集了许多有用信息。
将方案的大致方向确定了下来。
方案确定下来之后我便开始计算一些器件的参数。
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0〜110V连续可调的直流电，为额定电压110V额定功率21KW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。
通过这次课程设计，我增强了对整流电路、晶闸管、触发电路等知识的理解，；进一步提高分析解决实际问题的能力。
通过典型程序的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强了实践能力。
由于我的能力和水平有限，实验经验尚浅，错误之处在所难免，恳请老师加以纠正，以后不断学习改进！
参考文献
王兆安主编.电力电子技术.第四版.机械工业出版社.2007黄家善主编.电力电子技术.第二版.机械工业出版社.2005曾方主编.电力电子技术.第一版.西安电子科技大学出版社.2004魏连荣主编.
张庆双主编.方大平主编.
郑忠杰主编.电力电子变流技术.机械工业出版社.2011
威庆信主编.交、直流调压电路原理图解与实用维修.机械工业出版社.2010李宏主编.常用晶闸管触发器集成电路及应用.科学出版社.2011
I李宏主编.现代电力电子技术基础.机械工业出版社.2009
I周渊深主编.电力电子技术与MATLA仿真.中国电力出版社.2005
I谭维瑜主编.电路与电子技术应用基础.机械工业出版社.2007
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I王晶主编.电力系系统MATLAB/SIMULIN仿真与应用.西安电子科技大学出版社.2008
I孟志强主编.晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方法
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