毕业设计电力电子课程设计.doc

湖南石化职院机电工程系

课程设计报告书

09级电气自动化专业

科目：电力电子技术

题目：单相相控整流电路的应用

班级：高电气3091

学号：09311138

学生姓名：李华

指导教师：刘老师

设计周数：一周

成绩：

日期：2010年11月27日

目录

1.课程设计的目的 (3)

2.课程设计的任务、指标内容及要求 (3)

3.方案的设计 (3)

3.1主电路的设计………………………………………………………………………4～6 3.2触发电路的设计…………………………………………………………………·6～8 3.3绘制完整的主电路电气原理图和触发电路原理框图…………………………·9～10 3.4介绍电路工作原理，绘制电路各点电压波形图………………………………10～13

3.5编制论证本方案所需的仪器器材、元件和工具 (14)

4.方案论证 (15)

4.1元件的检测.................................................................................15～16 4.2安装元件 (16)

4.3通电调试 (16)

5.课程设计心得体会……………………………………………………………………16～17

6.讨论题…………………………………………………………………………………17～18

7.参考文献 (18)

附录………………………………………………………………………………………18～19

《单相相控整流电路的应用》

一. 课程设计的目的

在学习完《电力电子技术》相关课程之后进行的一个重要的实践性教学环节，是电气自动化专业学生在整个学习过程中一项综合性实践环节，是工程技术应用型人才培养目标的重要组成部分，是走向工作岗位、从事专业技术之前的一项综合性技能训练，对学生的职业能力培养和实践技能训练具有相当重要的意义。

1、通过课题设计，可提高学生综合运用知识的能力，能巩固课程知识，加深对理论知识的理解，巩固和扩展学生的知识领域、训练学生综合运用所学的理论知识，培养学生严谨的科学态度和提高独立工作的能力，提升学生发现问题和解决问题的能力，从而能初步解决一些实际问题。

2、通过设计，能初步掌握电力电子系统设计方法，培养学生查阅资料，文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。独立获取新知识、新信息的能力，熟悉国家有关技术和经济方面的方针政策和安全规程，训练使用设计手册的技术资料的能力；

3、提高学生课程设计报告撰写水平，为以后其它学科写课程设计实验报告积累经验。

4、培养学生设计和绘制电路图的能力。

二. 设计的任务、指标内容及要求。

（1）采用单相相控整流电路，主要由主电路、触发电路组成。

（2）触发电路不采用单结晶体管自激振荡触发电路。

（3）同步输入电源：单相交流工频电源，220V，50HZ。

（4）负载为40W白炽灯。

三.方案的设计

根据课题要求正确选择主电路形式；

单相相控整流电路主电路有单相半波、单相桥式全控、单相桥式半控等。

1、单相半波可控整流电路

单相半波可控整流电路的优点是线路简单、调整方便，其缺点是输出电压脉动大，负载电流脉动大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流电流分量，使铁心磁化，变压器容量不能充分利用。若不用变压器，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗。因此单相半波相控整流电路只适用于小容量，波形要求不高的的场合。

2、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。

3单项全破可控整流电路

此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，。不存在直流磁化的问题，适用于输出

低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。相同的负载下流过晶闸管的平单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在均电流减小一半；且功率因数提高了一半。但触发电路若采用分立元件触发电路，时间差问题难以解决，且根据两个晶闸管的接线方式有时可能则会导致电路短路。故也不用此电路。

4单相桥式半控整流电路

单相桥式半控整流电路用二只晶闸管和二只二极管，根据两个晶闸管的接线方式，可以使用分立元件触发电路，且触发电路相对简单，当两个晶闸管被同时导通时，由二极管在电源电压过零时自然换流其性能和单相桥式全控整流电路相同，具有同等优点。

故采用此电路作为本次课程设计的主电路。

b 触发电路的选择和设计

可供选择的触发电路有同步信号为锯齿波的触发电路，同步信号为正弦波的触发电路，KC04集成移相触发器，六路双脉冲发生器。 1、 同步信号为锯齿波的触发电路

基本环节：

①脉冲形成与放大环节 ②锯齿波形成和脉冲移相环节 ③同步环节

④强触发脉冲形成环节 ⑤双窄脉冲形成环节

2、同步信号为正弦波的触发电路

（1）三个基本环节：

①同步移相

②脉冲形成整形

③脉冲功放输出

（2）工作原理

晶体管V1左边部分为同步移相环节，在V1的基极上综合了同步信号U T，偏移电压Ub及控制电压Uc。利用垂直控制原理，将几条支路进行并联电流叠

加。本电路中RP2可调节Ub，也可调节Uc改变晶体管V1从截止到导通的翻转

时刻，来产生触发电路不同的控制角。

脉冲形成放大环节是一集基耦合单稳态脉冲电路，V2的集电极通过VD5耦合到V3的基极，V3的集电极通过C4、RP3耦合到V2的基极。当同步移相

环节送出负脉冲时，使单稳态电路翻转，从而输出脉宽可调的、幅值足够的触

发脉冲，起到脉冲整形与放大作用。

3. KC04集成移相触发器

它

可分为同步、

锯齿波形成、

移相、

脉冲形成

脉冲输出等几部分电路

c：绘制完整的主电路电气原理图和触发电路原理框图；

1.主电路电气原理图

2.触发电路电气原理图

d.介绍主电路各元件功能和整体电路工作原理，绘制电路各点电压波形图； （1）分别说明主电路和触发电路的工作原理。其中要说明主电路的基本计算关系。

①主电路工作原理：

在2u 的正半周，控制角为α时，触发晶闸管1T ，则1T 和2D 导电，此时整流桥输出电压d u =2u 。当2u 下降到零并开始变负时，由于电感的作用，1T 将继续导通，但此时b 点点位高于a 点点位使1D 正偏导通，而2D 反偏截止，电流从2D 转换到1D ，负载电流d i 从a 点经1D 、1T 继续流通回到a 点，形成不经过变压器的自然续流，此时整流桥输出电压为1T 和1D 的正向压降，接近于零，所以d u 没有负半波。

在2u 的负半周，具有与正半周相似的情况。在απω+=t 时触发2T ，2T 、1D 导通，1T 受反压而关断，此时整流桥输出电压d u =2u 。后面同理。

②同步信号为正弦波的触发电路工作原理：

同步信号为正弦波U T ，由同步变压器副边提供。 同步移相环节：

晶体管V 1左边部分为同步移相环节，在V 1的基极上综合了同步信号U T ，偏移电压Ub 及控制电压Uc 。利用垂直控制原理，将几条支路进行并联电流叠加。本电路中RP2可调节Ub ，也可调节Uc 改变晶体管从截止到导通的翻转时刻，来产生触发电路不同的控制角。

脉冲形成放大环节是一集基耦单稳态脉冲电路，V2的集电极通过VD5耦合到V3的基极，V3的集电极通过C4、RP3耦合到V2的基极。当同步移相环节送出负脉冲时，使单稳态电路翻转，从而输出脉宽可调的、幅值足够的触发脉冲，起到脉冲整形与放大作用。

1) 整流输出电压平均值：

2）整流输出电压的有效值为

3）输出电流的平均值和有效值分别为

4）流过晶闸管的电流有效值为

2

cos 19.0)cos 1(2

)(sin 21

2

22ααπ

ωωπ

π

α

+=+=

=

?U U t td U U d π

α

ππαωωπ

π

α

-+==

?22sin )()sin 2(1

2

22U t d t U U 2

cos 19.02α

+==

d d d d R U R U I π

α

ππα-+==

22sin 2d

d R U R U I

（2）电路中各处电压波形的分析。

①主电路各点波形

②触发电路各点波形

（3）说明所用晶闸管元器件型号选择方法。

额定电压：晶闸管T 可能承受的正反向峰值电压2U 2。 TM U =2U 2

额定电流： 晶闸管的额定电流为(AV)I T (正弦半波电流平均值)，它的额定电流有效值为 (AV)57.1T T I I

e: 编制论证本方案所需的仪器器材、元件和工具；

a)工具：电烙铁、测电笔、旋具、尖嘴钳、镊子、剥线钳、小刀、针头等。 b)仪

表： F47万用表一个。 c) 器材：导线、焊接板、面包板。 d) 仪器：示波器

e): 元器件清单:

元器件清单列表

四、方案论证

1、检验元件

（1）晶闸管管脚判别

根据普通晶闸管的结构可知，其门极G与阴极K极之间为一个PN结，具有单向导电特性，而阳极A与门极之间有两个反极性串联的PN结。因此，通过用

万用表R×100A或R×1k档测量普通晶闸管各引脚之间的电阻值，即能确定三个

电极。

具体方法是：将万用表黑表笔任接晶闸管某一极，红表笔依次去触碰另外两个电极。若测量结果有一次阻值为几千欧姆（kΩ），而另一次阻值为几百欧姆（Ω），

则可判定黑表笔接的是门极G。在阻值为几百欧姆的测量中，红表笔接的是阴极

K，而在阻值为几千欧姆的那次测量中，红表笔接的是阳极A，若两次测出的阻

值均很大，则说明黑表笔接的不是门极G，应用同样方法改测其它电极，直到找

出三个电极为止。

也可以测任两脚之间的正、反向电阻，若正、反向电阻均接近无穷大，则两极即为阳极A和阴极K，而另一脚即为门极G。

螺栓形普通晶闸管的螺栓一端为阳极A，较细的引线端为门极G，较粗的引线端为阴极K。

（2）单节晶体管管脚的判断

判别单节晶体管发射极E的方法：把万用表转换开关置于R*100档，黑表笔接假设的发射极，红表笔接另外的两极，当出现两次低阻时，黑表笔接的就是单

节晶体管的发射极。

单节晶体管B1和B2的判断方法：把万用表置于R*100档，用黑表笔姐发射极E，

红表笔分别接触另外两极，两次测量中，电阻大的一次，红表笔接的就是B1极。

特别提示：

上述判别B1和B2的方法，不一定对所有的单节晶体管都适用，有个别管子的

E-B1间的正向电阻值较小，不过准确的判断哪极是B1，哪极是B2在实际使用

中并不特别重要。即使B1、B2用颠倒了，也不会使管子损坏，只影响输出脉冲

的幅度（单节晶体管多作脉冲发生器使用），当发现输出的脉冲幅度偏小时，只

要将原来假设的B1和B2对调过来就可以了。

（3）三极管管脚的判断

①基极的确定

将万用表打在R*1K档。将黑表笔接假设的基极，红表笔分别接触另外两个引脚，

直到测出两个电阻都很小，黑表笔接的就是基极。

②c、e极的确定

将万用表打在R*10K档，以三极管基本放大电路为基础，假设其中一个引脚为c

极，另外一个为e极，用黑表笔接假设的c极，红表笔接触假设的e极，同时通

过人体电阻连接b、c两极，得到一个数据R1；再把假设情况互换，方法一样，

得到另一个数据R2.比较R1、R2,以阻值小的假设正确，即此时黑表笔接的是c极，

红表笔接的是e极。

2、安装元件

按照电路图中元件的位置，将各元件安装到焊接板上。仔细检查是否有位置错误或元件弄错的，确认一切无误后。将元件焊接到焊接板上，注意不要有未焊，虚焊，假焊的。并且焊点要美观。

3、通电调试

将焊接好的电路正确连接到电源箱上，插好插座。看到灯亮，且调节电位器可以改变灯的亮度，则证明实验成功了。

五．本次课程设计心得体会

心得体会

终于要做实验了，学了好久理论总是盼望着自己动手做，心理无比的激动和期待，把理论应用于实践是我们的难点也是重中之重，所以我尽最大的努力完成了这次实验。

这周，老师组织我们进行实验设计，有关于电力电子技术的单相相控整流电路的应用，我感触很多！

毕竟也学了一年，总要学点东西，今天就是见证的时候了，开始摩拳擦掌，做好充足的准备。

因为没有经常动手实践，所以很生疏！希望以后能多点这样实践的机会！

经过这次的实践我真的学到了很多，动手能力比以前好多了，检查问题的能力也增强了，而且耐心也比以前好多，希望以后能有更多这样的机会，学习更多的东西，我会更努力的学习电力电子这门功课，为以后而努力！

我是和秦进一组的，总是把二极管的管脚搞反，现在我知道了，当我们理论部足的时候做的就只能叫做体力活了，也使我们花了更多的时间去了解这些电路和电子元件，避免在以后犯同一种错误。

一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培

养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学共同分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，虽然我们实验所需电源都是经过降压的，但刘老师又给我们深刻的上了一次怎么安全用电，对我们以后的工作很有教诲。

在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

通过这次实验，我增强自己的能力，累积了经验，在以后的职业生涯中可以更好的定位我自己，感谢同学和老师对我的帮助和支持，我会在今后的道路上更加努力的。

六.思考题：

1.如果有一个晶闸管短路或开路，会出现什么情况？

答：⑴ 晶闸管开路时，只有正半周或是负半周一个半周不导通，所以它输出的平均电压也要减半。

⑵ 若有一晶闸管因为过流而烧成断路，则单相桥式半控制流电路变为单相半波可控整流电路，如果这只晶闸管被烧成短路，会引起其他晶闸管因对电源短路而烧毁，严重时使输入变压器因过流而损坏。因此在设计电路时，在变压器二次侧与晶闸管之间应串联快速熔断丝，起到过流保护的作用。

2.各晶闸管承受的正、反向电压是多少？ 答：正向最大电压Ut=

22

2

U 反向最大电压Ut=22U 3.整流电路可实现什么功能？ 答：将交流变为直流

4.说明本电路白炽灯为什么可调光？ 答：本电路为桥式半控整流电路

当电位器调节时，α改变，则Ud 改变。故灯的亮度可调。

七．参考文献

[1] 浣喜明 姚为正 《电力电子技术》（第2版） 高等教育出版社。2000年 [2] 莫正康 《晶闸管变流技术》机械工业出版社。1985年6月 附录

1、15V 电源的制作原理图

2

cos 19.0)cos 1(2

)(sin 21

2

22ααπ

ωωπ

π

α

+=+=

=

?U U t td U U d