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
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
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）：
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
This design proposed one kind new does not have the electromagnetic pollution three-phase high efficiency power source main circuit plan.Along with the thyristor variable current technology development, integrates the trigger the application, enhanced the triggering electric circuit operational reliability, reduces the volume, simplified greatly has triggered the electric circuit the production and the debugging.The three-phase rectification triggering electric circuit uses high performance phase shifting triggering electric circuit TC787DS.
The three-phase bridge type all controls the rectified output voltage
to undulate slightly, the output is big, has the three-phase load to be balanced.The high efficiency thyristor can the high efficiency become the power frequency exchange phonograph the direct current, its power factor may achieve above 0.995.
TC787DS is uses the advanced IC technological design manufacture the monolithic integrated circuit, its trigger pulse is the saw-tooth wave, but the single power source work, also may the double power source work, mainly
be suitable for three-phase partly controls all controls bridge silicon-controlled rectifier rectification triggering and the three-phase AC accent presses counter-parallel silicon-controlled rectifier triggering (also to be possible bidirectional silicon-controlled rectifier triggering), may constitute many kinds of accents to press the velocity modulation and the variable current installment.
Key words The thyristor； The three-phase bridge type all control the rectification； The hour law； TC787DS； Have pressed the overflow protection
目录
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)
3.3.2 TC787DS简介 (25)
3.3.3 TC787DS内部电路框图 (25)
3.3.4 TC787DS工作原理 (26)
3.3.5 TC787DS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：
ｗt1 ｗt2 ｗt3 ｗt4 ｗt5 ｗt6 ｗt7 ｗt8
VT1 VT3 VT5 VT1 VT3
VT6 VT2 VT4 VT6 VT2
U g1
U g2
U
U g4
U g5
U g6
（b）
U u
i u
i v
（c）
i
v1
图2.3 三相桥式全控整流电路电流、电压波形
依此类推，ｗt 3→ｗt 4期间是V 、W 相供电，VT4、VT5导通；ｗt 4→ｗt 5期间是V 、U 相供电，VT3、VT4导通；ｗt 5→ｗt 6期间是W 、U 相供电，VT4、VT5导通；ｗt 6→ｗt 7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u d =2×1.17 U d2Φ 。

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i u 、i v 及电源电流i v1=i u －i v 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I T =1.57I T （AV ）＞I T
（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K fT =I T /I dT 和流过晶闸管的平均电流I dT 与负载平均电流I d 之比，都可通过数学方法求得，因此，有
I T =1.57I T （AV ）＞I T =K fT =（I T /I dT ）I d …………………………2.1
K= d
dT fT 1.57I
I K …………………………………………………2.2
I T （AV ）＞kI d …………………………………………………2.2
K fT 、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I d 值即可确定晶闸管的额定电流；反之，已知I T （AV ）亦可确定允许的负载电流I d 。

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I d 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I T （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：
U d =2.34U 2φ…………………………………2.3
∴ U 2φ=53V
整流电路中元件承受的峰值电压 U TM =6×53V =130V 晶闸管额定电压为
U Tn =（2～3）U TM ……………………………………2.4
=（2～3）×130V
取 U Tn =400V 负载额定电流为 I dT =57A
负载平均电流I d 为 I d =2×100=173A 晶闸管的额定电流查表
I T （AV ）=（1.5～2）kI d ………………………………2.5
=（1.5～2）×1.367×173A
取 I T （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L d 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
2) 三相桥式全控整流电路负载电压U
d
波形是六个不同线电压的组合，当a=0
时，为三相线电压的正向包络线，每周期脉动6次，基波频率为300Hz，其脉动系数
S
u
=0。

05，基本上是一个平稳的直流。

带大电感负载时，其平均值为
U d =2.34U
2
cosa=1.35 U
2l
cosa (0≦a≦900)……………………3.1
3) 三相桥式全控整流电路控制角a的起算点（自然换流点）与三相半波时相同，
为相邻相电压的交点（包括正向与负向），距波形原点300 ，因此在对应线电压波形上a=00的点距波形原点为600，如a=300，在相电压波形上脉冲距波形原点600，在对应的线电压上，脉冲距波形原点900 。

晶闸管两端电压波形完全和三相半波时一样，最大电压为6U
2l。

由于桥式电路
输出电压比三相半波增大一倍，所以在同样的U
d
值时，三相桥式电路对管子电压要
求降低一半。

流过晶闸管的电流i
T 与三相半波时完全相同为i
T
=1/3 i
d
，I
T
=0.577I
d。

变压器利用率提高，其二次侧每周期内有2400流过电流且电流波形正负面积相等，
无直流分量。

二次电流有效值为I
2 =0.816 I
d。

三相桥式可控整流电路必须用双脉冲或宽脉冲触发，脉冲的移相范围在大电感负载时为00至300，电阻负载时，a＞600，波形断续，由于晶闸管的导通要维持到线电压过零反向时才关断，所以移相范围为00至1200。

3.2 同步电路设计
3.2.1同步的概念
由晶闸管特性可知，触发脉冲必须在管子阳极电压为正时的某一区间内出现，晶闸管才能被触发导通，而在常用的正弦波移相和锯齿波移相触发电路中，送出脉冲的时刻是由接到触发电路不同相位的同步电压u
s
来定位，由控制电压与偏移电压的大小来决定移相。

因此必须根据被触发晶闸管的阳极电压相压，正确供给各触发电路特定相位的同步触发信号电压，才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲。

这种正确选择同步信号电压相位以及和得到不同相位同步信号电压的方法，称为晶闸管装置的同步或定相。

现用三相全控桥式电路来说明。

图3.2（a）为主电路接线，电网电压为U
U 、U
V
、
U W ，经整流变压器供给晶闸管桥路，对应电压为U
U
、U
V
、U
W
，其波形如图3.2（b），
假定a=00，则六个触发脉冲应出现在各自的自然换流点ｗt
1至ｗt
1
，依次相隔600。

要保证每个晶闸管为控制角a一致，六个同步信号电压也必须相隔600。

为了得到六不同相位有同步电压，通常用一只三相同步变压器具有两组二次绕组，二次侧得相隔600的六个同步信号电压分别输入六个触发电路。

同步信号电压u
s
下标的符号与被触发晶闸管阳极电压符号一致，因此只要一块触发板的同步信号电压相位符合要求，
（PNP）u sv
ｗt
图3.3 同步信号u s电压与主电压u a对应关系
3.2.2同步变压器
制作和修理调整晶闸管装置时，常会碰到一种故障现象：在单独检查晶闸管主电路时，接线正确，元件完好；单独检查触发电路时，各点电压波形、输出脉冲正
时，脉冲移相符合要求。

但是当主电路与触发电路连接后，工常，调节控制电压U
C
不规则、不稳定，移相调节不能工作。

这种现象是由于作不正常，直流输出电压U
d
送到主电路各晶闸管的触发脉冲与其阳极电压之间相位没有正确对应，造成晶闸管工作时控制角不一致，甚至使有的晶闸管触发脉冲在阳极电压负值时出现，当然不能导通。

怎样才能消除这种故障使装置正常工作呢？这就是我们下面要讨论的的触发电路与主电路之间的同步（定相）问题。

晶闸管整流装置是通过同步变压器不同连接方或再配合阻容移相，得到符合要求相位的同步信号电压。

一般变压器的24种接法，以300电角度为单位，可得到十二种不同相位的二次电压，通常形象地用钟点数来表示。

钟点表示法是以三相变压器一次侧任一线电压为参考矢量，画成垂直向上，作为钟面的长针，指在12点钟位置，然后画出对就的二次线电压矢量，作为短会方向，短针指在几点就称几点接法。

如短针指在3点钟，从矢量逆时针旋转来看，短针落后长针900，说明就变压器二次线电压滞后对应的一次线电压为900，可见，变压器一、二次相同接法时，为偶数点钟；一次侧、二次侧不同接法时，为奇数点钟。

由于同步变压器二次电压要分别接到六个触发电路，有公共接地端，如二次绕组采用三角接法会引起短路，所以，同步变压器二次侧只能星形连接。

由于TC787DS为NPN晶体管电路，触发脉冲为锯齿波脉冲。

因此在本设计中同步变压器采用D/Y-11接法，使得二次侧电压U
超前对应的一次电压300，整流变压
U1V1
器采用D/Y-5接法。

矢量如图3.4所示:
2) 根据整流变压器TS的接法与钟点数，以电网某线电压作参考矢量，画出整注变压器二次侧也就是晶闸管阳极电压的矢量。

再根据第一点确定的同步信号电压U
S
与晶闸管阳极电压的相位关系，画出对应的同步相电压矢量和同步线电压的矢量。

3) 根据同步变压器二次线电压矢量位置，定出同步变压器TS的钟点数和接法，。

按照上面的步骤确定的同步变压器接法之后，只需把同步变压器二次电压U
SU 、U
SV
、
U SW 分别接在VT
1
、VT
3
、VT
5
管的触发电路；分别接到的触发电路，与主电路的符号完
全对应，即能保证触发脉冲与主电路同步。

3.3 触发电路的设计
3.3.1 方案设计
触发电路根据控制晶闸管的通断状况可分为移相触发与过零触发两类。

移相触发就是改变晶闸管每个周期的起始点即控制角α的大小，以达到改变输出电压、功率的目的；而过零触发是晶闸管在设定的时间间隔内，通过改变导通的周波数来实现电压或功率的控制。

本设计是采用移相触发。

简单的单结晶体管触发电路产生的脉冲窄，输出功率小，不能很好满足电感性
或反电动势负载的需要，移相范围也受到限制，而三相大功率直流电源对触发电路要求较高，因此本设计采用晶体管组成的触发电路，其中最常用的是同步信号为正弦波和锯齿波移相触发电路两种。

两者异同点对比如下：
两种同步移相触发整流装置在负载电流连续时，直流输出电压与控制电压成线性关系，装置可看成一个线性放大器，放大倍数可调，对于闭环控制系统是十分有
了触发脉冲的对称度。

而且用单板机、单片机构成的集成触发电路，控制灵敏，精确度高，更有利于实现生产过程中自动，因此本设计中采用三相触发集成芯片
TC787DS。

3.3.2 TC787DS简介
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。

TCA785DS与目前国内市场上流行的KC系列电路相比，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；而且装调简便，使用可靠。

只需要一块这样的集成电路，就可以完成三块TCA785或五块KC系列器件组合（三块KC009或KC004，一块KC041，一块KC042）才能具有的三相移相功能。

进一步提高了集成度和三相均衡性。

其主要有以下特点:
✧电路采用单电源工作，电源电压8V～15V。

✧三相触发脉冲调相角可在0～180°之间连续同步改变。

✧器件内部设计有交相锁定电路，抗干扰能力强。

✧可用于三相全控触发（6脚接VDD），也可用于三相半控触发（6脚接地）。

✧电路备有输出保护禁止端，可在过流过压时保护系统安全。

✧TC787DS输出为调制脉冲列，适用于触发可控硅及感性负载。

✧调制脉冲或方波的宽度可根据需要通过改变电容Cx而选择。

3.3.3 TC787DS内部电路框图
TC787DS由三路相同的部分组成，每路包括：同步过零和极性检测、锯齿波形成、锯齿波比较，经过抗干扰锁定、脉冲形成等电路形成三相触发调制脉冲或方波，由脉冲分配电路实现全控、半控的工作方式，再由驱动电路完成输出驱动。

TC787DS内部原理框图如下：。