电力电子技术车用发电机桥式全控整流稳压装置课程设计报告

电力

车用发电机桥式全控整流稳压装置的设计

指导教师： 学 生： 学 号： 专 业： 自 动 化 班 级：

设计日期： 2011.12.26—2011.12.30

重庆大学自动化学院

2011年12月

课程设计指导教师评定成绩表

项目 分值 优秀 (100>x≥90) 参考标准 学习态度认真，科学作风严谨，严格保15 证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作 设计合理、理论分析与计算正确，实验数技术水平与实际能力 25 据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力调查调研非常合理、可信 创新 10 有重大改进或独特见解，有一定实用价值 结构严谨，逻辑性强，层次有较大改进或新颖的见解，实用性尚可 结构合理，符合逻辑，文章层次结构合理，层结构基本次较为分明，合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到求；图纸比较工整 内容空泛， 结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰 有一定改进或新的见解 有一定见解 设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比良好 (90>x≥80) 参考标准 学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务 中等 (80>x≥70) 参考标准 学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保及格 (70>x≥60) 参考标准 学习态度尚可，能遵守组织不及格(x<60) 参考标准 学习马虎， 纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度 设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题 观念陈旧 评分 学习态度 证设计时间，纪律，能按期完成各按期完成项工作 设计合理，理任务 设计基本论分析与计合理，理算基本正确，论分析与实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信 计算无大错，实验数据无大错 强、引用合理、较合理、可信 论文(计算书、图纸)撰写质量 清晰，语言准分明，语言准文理通顺，基确，文字流畅，确，文字流畅，本达到规范50 完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰 符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰 化要求，书写比较工整；图清晰 纸比较工整、规范化要指导教师评定成绩：

指导教师签名： 年 月 日

自动化学院2009级自动化专业 电力电子技术课程设计任务书

一、课程设计的教学目的和任务

电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。因此，提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。

通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的：

1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Inter网检索需要的文献资料。 2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。 4、提高学生的电力电子装置分析和设计能力。 5、提高学生课程设计报告撰写水平。

二、课程设计的基本要求

1. 教师确定方向，在教师的指导下，学生自立题目 注意事项：

① 所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周内完成，题目要结合工程实际。学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、UPS电源等，但不允许选择其他班题目方向的内容设计（复合变换除外）。

② 通过图书馆和Inter网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。自立题目后，首先要明确自己课程设计的设计内容。要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入技术数据，输出技术数据，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。如：

直流电动机调压调速可控整流电源设计 主要技术数据 输入交流电源：

三相380V10% f=50Hz 直流输出电压： 0~220V

50~220V范围内，直流输出电流额定值100A 直流输出电流连续的最小值为10A

I

设计内容： 整流电路的选择

整流变压器额定参数的计算 晶闸管电流、电压额定的选择 平波电抗器电感值的计算 保护电路的设计 触发电路的设计

画出完整的主电路原理图和控制电路原理图 列出主电路和控制电路所用元器件的明细表

2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。（注意：所确定的主电路方案如果没有论证说明，成绩不能得优；设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引注，否则也不能得优）。

3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型），严禁抄袭。

4. 课程设计的主要内容是主电路的设计，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。

5. 课程设计报告要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。

6. 课程设计报告字数要求为6000字左右。（A4纸打印8页左右）

三、课程设计的工作计划

课程设计时间5天。第1天上午，指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。第1天下午和第2天学生到图书馆和Inter网上按照指导教师的要求查找所需要的文献，并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容，交指导教师审阅。第3天学生的主要任务是确定方案。第4天和第5天，学生的任务是综合所学知识，进行主电路和控制电路的设计，撰写课程设计报告。

II

四、各班的题目方向

6班题目方向：相控整流技术的工程应用 7班题目方向：斩波技术的工程应用 8班题目方向：交流调压的工程应用

III

目 录

1 引言............................................................................................................................... 1

1.1 按总体结构分五类.......................................................................................... 1 1.2 按整流器结构分四类...................................................................................... 1 1.3 按磁场绕组搭铁形式两分类.......................................................................... 1 2 主电路的设计............................................................................................................... 3

2.1 整流电路的选择.............................................................................................. 3 2.2 整流变压器额定参数的计算.......................................................................... 4 2.3 晶闸管电流、电压额定的选择...................................................................... 5

2.3.1带阻感负载的波形分析 ......................................................................... 5 2.3.2电压电流参数.......................................................................................... 7 2.4平波电抗器电感值的计算................................................................................. 8 3 保护电路的设计......................................................................................................... 10

3.1 晶闸管的过电压保护.................................................................................... 10 3.2 晶闸管的过电流保护.................................................................................... 10 3.3 缓冲电路........................................................................................................ 11 4 触发电路的设计......................................................................................................... 12 参考文献......................................................................................................................... 13 附 录............................................................................................................................... 13

车用发电机桥式全控整流稳压装置的设计

1 引言

随着汽车在国内的普及率觉来越高，我们也能不断感受到汽车高科技带给我们的舒适感受。车内的电路系统越来越复杂，比如车载音响，空调，暖风机，冰箱，MP3，收音机，视频系统，照明系统，还有很多机械部件都需要一个稳定的直流电源。这就对汽车的发电系统和整流稳压系统提出了严格的要求。

汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机在许多方面优于直流发电机，直流发电机已被淘汰，目前所有汽车均采用交流发电机，交流发电机按照不同的分类方法分为以下几类：

1.1 按总体结构分五类

（1）普通交流发电机 又称为“硅整流发电机”(使用时需要配装电压调节器的发电机) 例如JF132 （EQ140用）。

（2）整体式交流发电机 (发电机和调节器制成一个整体的发电机) 例如克轿车的发动机上装配的是CS型发电机（包括CS—121、CS—130和CS—144三种不同的型号）。

（3）带泵交流发电机 (带泵交流发电机安的泵是真空泵不是真空助力泵，真空助力泵是汽车制动系统上的)。

（4）无刷交流发电机 (不需要电刷的发电机) 例如JFW1913。 （5）永磁交流发电机 (磁极为永磁铁制成的发电机)[1] 。

1.2 按整流器结构分四类

（1）六管交流发电机 例如JF1522（东风汽车用）。 （2）八管交流发电机 例如JFZ1542（天津夏利汽车用） 。 （3）九管交流发电机 例如（日本日立、三凌、马自达汽车用）。 （4）十一管交流发电机 例如JFZ1913Z（奥迪、桑塔纳汽车用）。

1.3 按磁场绕组搭铁形式两分类 （1）内搭铁型交流发电机 磁场绕组的一端（负极）直接搭铁（和壳体相联） （2）外搭铁型交流发电机 磁场绕组的一端（负极）接入调节器，通过调节器后再搭铁。

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车用发电机桥式全控整流稳压装置的设计

本文设计的车用发电机桥式全控整流稳压装置，是针对普通交流发电机的。在汽车电路系统轻负载或者发动机高转速时，如果不经控制，输出电压会很大，此时控制触发电路不工作或者增大触发角，使输出电压减小；而在汽车电路系统重负载或者发动机怠速运转时，如果不经控制，输出电压会很大，此时控制触发电路工作并且减小触发角，使输出电压增大。通过电压传感器检测输出电压，反馈到相控整流装置，自动调节触发角，以实现电压的稳定输出。

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车用发电机桥式全控整流稳压装置的设计

2 主电路的设计

2.1 整流电路的选择

三相可控整流电路的选择，根据所学知识和经济高效的原则，可以有以下几种方案：[2]

方案一：采用三相半波可控整流，三相半波整流电路的变压器二次侧必须接成星形，而一次侧只能接成三角形，避免三次谐波流入电网，其主电路采用三个晶闸管分别接三相电源，三相半波可控整流电路的主要缺点在于其二次电流中含有直流分量，使得铁芯容易磁化，一般比较少用。

方案二：采用三相桥式全控整流电路，三相全控桥相当于两个三相半波整流的串联，是运用最广泛的整流电路，其主电路有六个晶闸管，习惯分为共阴极组和共阳极组，由于需要保证同时有两个晶闸管导通，一般采用双脉冲触发。

方案三：三相半控桥式整流，在中等容量的整流装置或要求不可逆的电力拖动中，可采用比三相全控整流电路更简单、经济的三相桥式半控整流电路，它相当余把三相全控桥的共阴极的晶闸管换为二极管，但是其缺相时容易发生故障。

桥式整流电路中的晶闸管可以用全控型器件IGBT替代，但虽然IGBT控制更加灵活和准确，但是其成本比较高，且控制电路要求高，所以一般对于不需要逆变的整流电路多采用晶闸管。

通过综合考虑，在本设计中采用三相全控桥式整流电路。

整流二极管LVT1VT3VT5R1负载+CR2VT4VT6VT2控制电路图1 主电路原理图

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车用发电机桥式全控整流稳压装置的设计

如图所示，三相交流发电机发出的电经三相变压器，变换为合适的电压，再经三相桥式全控整流电路输出直流电压，其平均值为Ud=14V，为减小脉动，使波形更加平稳，加入整流二极管和平波电抗器，波形更加平直。在输出电路用电压传感器检测输出电压，若电压升高则反馈回路控制晶闸管导通角增大，使输出电压减小；若电压降低则反馈回路控制晶闸管导通角减小，使输出电压增大。经这一反馈回路调节，使输出电压波形受发电机转速和外接负载影响更小。

图2 三相桥式全控整流电路原理图

目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图2.所示。习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组，阳极连接在一起的3个晶闸管称为共阳极组。

2.2 整流变压器额定参数的计算

该整流稳压装置主要为车辆夜间照明、转向指标、电喇叭、刮雨器、暖风机等提供直流电源以及给蓄电池充电，一般车辆的用电总量为480 W 左右，因此此装置的输出功率为500 W，发电机转速在2000～4800 r／min范围内变化时，输入电压波动较大，在380±10%V范围内变化。要求整流变压器额定输入电压大于380V，功率略大于500W[3]。

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车用发电机桥式全控整流稳压装置的设计

2.3 晶闸管电流、电压额定的选择

2.3.1带阻感负载的波形分析

图3.为 ＝0 、大电感负载时的电压电流波形。

图3  ＝0 、大电感负载时的电压电流波形

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车用发电机桥式全控整流稳压装置的设计

图4  为各角度、大电感负载时的电压电流波形

由三相半波电路分析可知[4]，在共阴极组的自然换相点t1、t3、t5时刻，分别触发T1、T3、T5晶闸管，而在共阳极组的自然换相点t2、t4、t6时刻，分别触发T2、T4、T6晶闸管，两组自然换相点对应相差60，电路各自在本组内换流，即T1T3T5T1...，T2T4T6T2...，每个管子轮流导通120，为了使电流通过负载、并有输出电压，必须在共阴极和共阳极组中各有一个晶闸管同时导通。在t1～t2期间，a相电压较正，b相电压较负，在触发脉冲作用下，T1、T6管同时导通，电流从a相经T1负载T6流回b相，负载上得到a、b相线电压。t2开始，a相电压仍保持电位最高，但c相电压开始比b相更负，此时脉冲Ug2触发T2导通，迫使T6承受反压而关断，负载电流从T6换到T2。依此类推。总之，三相桥式全控整流电路中，晶闸管导通的顺序是6、1，1、2，2、3，3、4，4、5，5、6，6、1...。这时，共阴极组输出电压波形是三相相电压正半周的包络线，共阳极组输出负半周的包络线。三相桥式全控整流的输出电压Ud为两组输出电压之和，是电压波形正负包络线之间的面积，所以Ud波形为三相相电压正半周的包络线。

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车用发电机桥式全控整流稳压装置的设计

当控制角  0 时，输出电压波形发生变化，图4.（a）、（b）、（c）、（d）分别为 ＝30、60、90、及120时的波形。从图中可见，当  60时，Ud波形均为正值；当60 90时，由于L自感电势的作用，Ud波形瞬时值出现负值，但正面积大于负面积，平均电压Ud仍为正值；当 ＝90时，正负面积相等，Ud =0；当 90时，Ud波形断续，由于Ud接近于零，Id太小，晶闸管无法导通。因此当 ＝120时，如图4（d）所示，出现不规则的杂乱波形。

在负载是阻感性负载时，理想状态下电感电流没有脉动，但实际运用中电感值有限，会出现电流的脉动，在VT1脉冲到来，VT1、VT5换流时，电流再次增长，使得电感存储能量进一步减少，电流脉动相应增加，反之脉动则减少，所以为了维持电路中的最小连续电流需要在电路中加入电抗器，也就是加入一个适当值的电感，使得电路能维持最小电流。

2.3.2电压电流参数

1. 根据设计条件计算晶闸管可能流过的最大平均电流，选择晶闸管的额定电流，分析晶闸管可能承受的最大正压，最大反压，选择晶闸管的额定电压。晶闸管的选型。

因为是三相桥式全控整流电路，所有的计算公式都按三相桥式全控整流电路的进行计算，从而得到电路的各个参数。

（1）电压计算：由于是三相桥式全控整流电路，所以晶闸管承受的最大平均电流是变压器二次侧电压6倍，因为车内的额定电压是14V，根据

Ud2.34 U2cos

(1) (2)

所以

U2Ud/2.34 cos5.98V

所以

Ud14.66V

(3)

（2）电流计算：因为流过电动机的额定电流就是平均电流，二次回路中的最大平均电流为

(4)

Idmax=2IN=2*36=72(A)

所以流过晶闸管的最大平均电流为

1(5)

IdTmax3Idmax24(A)

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车用发电机桥式全控整流稳压装置的设计

最大有效值

ITmax13Idmax41.57(A)(6)

(7)

所以流过晶闸管的额定电流

所以晶闸管最大反压为14.66（V），最大额定电流为52.95（A），考虑电压要用2倍的余量，因此晶闸管的选型为额定电压30V，额定电流IT(AV)60A。 2. 计算电源变压器的二次侧流过的最大有效电压，计算变压器的变比，计算变压器的额定容量。

（1）根据

Ud2.34 U2cosIT(AV)ITmax1.57252.95(A)

(8)

所以

U2Ud/2.34 cos5.98V

(9)

考虑到余量的问题，变压器二次侧的额定电压选为10V。 （2）二次侧最大有效电流的计算：根据

I22I0.816I29.38(A)d3d

(10)

（3）容量的计算：根据

(11)

算的其容量，考虑到变压器的实际情况所以选择容量为900VA的变压器。 （4）变比的计算：根据

nU1U238014271S3U2I231029.38881.4(VA)(12)

可以得到变比为n=27:1.

2.4平波电抗器电感值的计算

当负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。电流平均值是与电流波形的面积成比例的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这要求较多的降低反电动势。因此，当电流断续时随着Id的增大转速n（与反电动势成比例）降落较大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。较大的电

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车用发电机桥式全控整流稳压装置的设计

流峰值在电动机换相时容易产生火花，同时，对于相等的电流平均值，若电流波形底部越窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。

为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感，当U2小于E时甚至U2值变负时，晶闸管仍可导通。只要电感量足够大就能使电流连续，晶闸管每次导通180°，这时整流电压Ud的波形和负载电流Id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，Ud的计算公式也一样。

当负载电流为最小临界值时，为保证电流的连续，电枢回路中应有的电感量L（mH）的表达式为[5]

L0.693U2Idmin

(13)

最小电流一般取得额定值的5%--10%（这里取得为5%），即

Idmin500IN1.8(A)

(14)

代入公式中可以的到L=4.97（mH）。

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3 保护电路的设计

针对电路的保护主要是电力电子器件的保护，包括过电压保护，过电流保护，缓冲电路。

3.1 晶闸管的过电压保护

晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。

对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用RCD保护，电路图如图5

图5 RCD保护电路

3.2 晶闸管的过电流保护

在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，限流与脉冲移相保护，直流快速开关过电流保护。

快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种保护措施。

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3.3 缓冲电路

其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件

图6 RC吸收电路和放电阻止型RCD吸收电路

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4 触发电路的设计

方案一：可以依据触发电路的原理，自己用基本元件设计，但是这种电路的可靠性不高，工作不稳定且原理设计复杂。

方案二：采用专门的集成芯片，用于产生各种电力电子器件触发脉冲的集成芯片有很多，而且工作稳定，性价比高，且电路简单便于使用，常用的用于产生晶闸管触发脉冲的芯片有KC041、KC04、TC785、TC787等，TC787和TC785是新一代产品，更便于控制和使用。

方案三：采用单片机产生触发脉冲，单片机结合外围器件来控制可控硅的触发。同时，还将锁相环技术及过零触发的方法引入触发脉冲的生成中，提高了触发脉冲的稳定性以及对称性。此外，还可采用软件编程得到触发角可调的触发脉冲。单片机对三相全波全控桥整流触发的控制。这对提高三相全波全控桥整流装置的可靠性具有积极作用。 通过综合考虑，本设计采用KC04做为触发电路的主体用来产生移相可达0-180

度，且脉冲宽度可调的触发电路。

+50V2000uFR15300OC64?2CZ11A~220v~36v1uFVD112CZ11A+15VW11.5KOR1DWR310KO2CW124.5KO3CG1D+15VR1420OC50.047uFR96.2KOC3R11R126.2KOR13200OVD72CP1230KO0.1uFVD42CP12BG33DG12BR63.3KOBG43DG12BBG5BG13DG12BVD6BG73DG12BR1630OR42CP12R1030KO200O3DG12DR712KOVD1VD2BG2R86.8KOBG6BG83DA1DVD52CP122CP122CP12C1R23DG12BC21uF1uF4.7O10KOU偏R5R17C4VD100.1uF1KO2CP12~12VTBW21.5KOUk-15VX去前相触发器Y来自后相触发器-15V接封锁脉冲图7 KC04做为触发电路

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车用发电机桥式全控整流稳压装置的设计

参考文献

[1]李骄阳. 我国汽车发电机市场分析. 中国汽车动态网. 2009

[2]麻友良，丁卫东. 汽车电器与电子控制系统. 北京机械工业出版社. 2003 [3]王兆安，黄俊. 电力电子技术第四版. 机械工业出版社. 2009 [4]陈伯时. 电力拖动自动控制系统第二版. 机械工业出版社. 2006

[5]张学义等. 车辆用可控整流稳压式永磁发电装置的研究. 维普资讯. 2004 [6]李序葆，赵永健. 电力电子器件及其应用. 机械工业出版社. 1996

附 录

主电路和控制电路所用元器件的明细表

序号 1 2 3 4 5

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元件符号 SRC R L C ZD 元件名称 晶闸管 电阻 电感 电容 稳压二极管 数值与型号 60A 10欧 4.97mH 6300pF 30A 数目 6 2 1 1 1