基于單相橋式整流電路的直流水泵電源電路設計

黃洞寧，孫淑雨

（東北林業大學，黑龍江哈爾濱，150040）

0 前言

電力電子器件是電力電子技術開展的根底正是大功率晶閘管的創造，使得半導體變流技術從電子學中別離出來，開展成為電力電子技術這一專門的學科。利用電力電子器件搭建出的整流電路是電力電子電路中出現的最早的一種，它的作用是將交流電能變為直流電能供給給支流用電設備。整流電路的應用非常廣泛，例如直流電動機，電鍍、電解電源，同步發電機勵磁，通信系統電源等。通過對整流電路的學習，我們基于當前已知的直流水泵電機的參數，利用單相橋式整流電路利用proteus設計出了一種家用直流水泵電機的電源電路，并通過simulink的仿真驗證其是否能達到參數指標，再根據經濟性分析選取合適的晶閘管，利用multisim仿真使其性能參數達到最好。

1 背景資料

直流水泵是輸送液體或使液體增壓的機械。水泵工作時，線圈和換向器旋轉，磁鋼和碳刷不轉，線圈電流方向的交替變化是隨著電機轉動的換向器和電刷來完成。直流水泵具有壽命長、不需要保養，體積小效率高，功耗低，可在水下安裝完全防水，在同一電壓下可以做出多種參數，能通過定制要求來設計水泵等多種特點，在汽車行業、太陽能光伏產品以及家庭日用商品中廣泛應用。

2 方案設計

2.1 設計參數及方案

通過查閱相關資料，得到家用小型直流水泵電機參數指標如下：

由于我們所驅動的電機為家用直流水泵電機，因此接入水泵電機的電源為單相220V交流電源，通過已有的知識體系，我們利用所學的單相橋式全控整流電路進行驅動電機，使其正常運行。

因為輸出端和輸入端需要隔離并且降壓，因此我們使用降壓變壓器對單相交流電壓的一次調整，鑒于單相橋式電路的應用最多且最廣泛且不存在變壓器的直流磁化，且變壓器繞組利用率高，因此我們采用單相橋式整流電路進行對二次側電壓的整流。由于我們的負載為家用直流水泵電動機的電樞，根據教科書，當負載直流電動機的電樞(忽略其中的電感)時，負載可看成是一個直流電壓源，對于整流電路，它們就是反電動勢負載。因此，我們設計直流水泵電機的電源電路時其電感，作出簡化的單相橋式全控整流電路帶直流水泵電機的工作方式，但由于負載是電動機時，如果出現電流斷續，會導致電動機得機械特性很軟，并且降低較多得反電動勢，且電流斷續時轉速降落也較大，要求電源的容量也大，為了克服以上缺點，我們需要在直流水泵電機的主電路的直流輸出側上串聯一個電感較大的平波電抗器，用來減少電流的脈動和延長晶閘管導通的時間，因此我們利用proteus設計的主電路和直流水泵的總電氣原理圖如圖1所示。

圖1 單相橋式全控整流電路帶直流水泵電機時的總電氣原理圖

2.2 晶閘管選型及參數

通過查閱相關資料，在選取相對合理的參數，設計題中的直流水泵電機的額定電壓為，負載中電樞電阻,額定功率。

為了使電壓穩定，當改變觸發角時，其額定電壓隨之改變。由于需要在恒定額定電壓運行，又因為帶反電勢負載時只有在u2瞬時值的絕對值大于反電動勢即|u2|＞E時，才有晶閘管承受正電壓，有導通的可能，因此我們需要考慮停止導電角，通過計算得停止導電角為：

為了使電壓穩定且使導通角滿足導通條件（α＞δ），電機控制導通角設置為α= 3 0°。

使變壓器二次側有效電壓U2= 1 10V ，晶閘管觸發角α= 3 0°。

整流輸出平均電壓

整流輸出平均電流

晶閘管承受的的最大反向電壓為

流過晶閘管的電流的有效值為

晶閘管的額定電壓為

晶閘管的額定電流為

根據其導通及關斷條件以及其承壓和平均電流可確定晶閘管的可選型號為2N6398。

3 原理分析

3.1 直流水泵電機電源原理分析

我們對直流水泵電機的電源電路工作流程進行梳理，得到的流程圖如圖2所示。

圖2 直流水泵電機的電源電路工作流程圖

直流水泵電機的電源電路先需要接入220V單相交流電后，再通過一個降壓220/110的變壓器將220V的單相交流電降為110V單相交流電，然后通過單相橋式全控整流電路將110V單相交流電整流為我們需要的直流電壓，最終完成給直流水泵電機供電的目的。

3.2 單相橋式全控整流電路的原理

圖3 單相橋式全控整流電路原理

單相橋式全控整流電路，由4個可控硅組成橋式整流，能控制交流輸入和直流輸出。單相橋式全控整流電路用四個晶閘管，兩只晶閘管接成共陰極，兩只晶閘管接成共陽極，每兩只晶閘管是一個橋臂。

在二次側電壓u2正半波的（0～α）區間，晶閘管VT1、VT4承受正壓，但無觸發脈沖，處于關斷狀態。假設電路已工作在穩定狀態，則在0～α區間由于電感釋放能量，晶閘管VT2、VT3維持導通。在u2正半波的ωt=α時刻及以后，ωt=α處觸發晶閘管VT1、VT4使其導通，電流沿a→VT1→R→VT4→b→變壓器的二次繞組→a流通，此時負載上有輸出電壓（ud=u2）和電流。電源電壓反向加到晶閘管VT2、VT3上，使其承受反壓而處于關斷狀態。

在u2負半波的（）區間，當時，電源電壓自然過零，感應電勢使晶閘管VT1、VT4繼續導通。在電壓負半波，晶閘管VT2、VT3承受正壓，因無觸發脈沖，VT2、VT3處于關斷狀態。

在u2負半波的時刻及以后，處觸發晶閘管VT2、VT3使其導通，電流沿b→VT3→R→VT2→a→變壓器的二次繞組→b流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負載上，負載上有輸出電壓（ud=-u2）和電流。此時電源電壓反向加到VT1、VT4上，使其承受反壓而變為關斷狀態。晶閘管VT2、VT3一直要導通到下一周期處再次觸發晶閘管VT1、VT4為止。

由于在交流電源的正負半周都有整流輸出電流流過負載，故該電路為全波整流。在u2一個周期內，整流電壓波形脈動2次，脈動次數多于半波整流電路，該電路屬于雙脈波整流電路。

3.3 單相橋式全控整流電路中帶反電勢負載（直流水泵電機）時的參數計算

由于我們的主電路的直流輸出側串聯了一個電感足夠大的平波電抗器，使得電流連續，因此此時的整流電壓ud與電感負載連續時的電壓波形相同，ud、id的計算公式亦一樣，因此整流電壓平均值為

晶閘管VT1、VT4和VT2、VT3輪流導電，流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流電流平均值的一半，即

為選擇晶閘管、變壓器容量、導線截面積等定值，需考慮發熱問題，為此需要計算電流有效值。晶閘管導通角θ與α無關，其電流有效值為：

變壓器二次電流的波形為正負180°的矩形波，其相位由α決定，有效值：

直流水泵電機位于主電路直流輸出端，因此電機功率大小為

為了使電壓穩定，當改變觸發角時，其額定電壓隨之改變。由于需要在恒定額定電壓運行，又因為帶反電勢負載時只有在u2瞬時值的絕對值大于反電動勢即|u2|＞E時，才有晶閘管承受正電壓，有導通的可能，因此我們需要考慮停止導電角，通過計算得停止導電角為：

為了使電壓穩定，我們設置的導通角須恒定且滿足導通條件（α＞δ）。

圖4 單相橋式全控整流電路接反電勢-電阻負載（直流水泵電機）時的電路

4 系統仿真

通過simulink仿真設計出的單相橋式全控整流電路圖如圖5所示，為了使電壓穩定，當改變觸發角時，其額定電壓隨之改變。由于需要在恒定額定電壓運行，所以電機控制的前提為α=30°。因此我們選取α=30°時的電壓值作為直流水泵電機的額定電壓，其波形如圖6所示（有尖峰為平波電抗器的過補償導致）。

圖5 單相橋式全控整流電路simulink仿真

圖6 α=30°單相橋式全控整流電路各個輸出波形

經過選取晶閘管型號后利用multisim的仿真得出的波形如圖7所示，所得multisim的數值如圖8所示。

圖7 單相橋式全控整流電路multisim仿真

圖8 單相橋式全控整流電路ud 的波形（紅色）以及電流id(藍色)與所測Ud 與I d 的數值

所測電壓計算結果如下：

與我們的分析結果大致一致。

圖9 電壓表所測值

5 分析總結

通過對設計電路的理論分析以及matlab仿真，我們對所設計的單相橋式整流電路進行了系統性的分析，并利用單相橋式全控整流電路使220V單相交流電壓先降壓為110V的交流電壓，再將110V的交流電壓整流成直流電壓并考慮到了帶反電動勢工作的單相橋式全控整流電路自身的導通角問題，設置合理電壓供給給直流水泵電機使其額定運行，并利用simulink的仿真驗證單相橋式電路的晶閘管進行初步選定，再結合經濟性分析，選取了晶閘管2N6398，使電路性能參數達到最好，然后用Multisim的仿真設計我們的電源電路，并通過multisim的自帶測量計算誤差驗證了電路的準確性以及可行性。