基于单相桥式整流电路的直流水泵电源电路设计

黄洞宁，孙淑雨

（东北林业大学，黑龙江哈尔滨，150040）

0 前言

电力电子器件是电力电子技术开展的根底正是大功率晶闸管的创造，使得半导体变流技术从电子学中别离出来，开展成为电力电子技术这一专门的学科。利用电力电子器件搭建出的整流电路是电力电子电路中出现的最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给给支流用电设备。整流电路的应用非常广泛，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。通过对整流电路的学习，我们基于当前已知的直流水泵电机的参数，利用单相桥式整流电路利用proteus设计出了一种家用直流水泵电机的电源电路，并通过simulink的仿真验证其是否能达到参数指标，再根据经济性分析选取合适的晶闸管，利用multisim仿真使其性能参数达到最好。

1 背景资料

直流水泵是输送液体或使液体增压的机械。水泵工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随着电机转动的换向器和电刷来完成。直流水泵具有寿命长、不需要保养，体积小效率高，功耗低，可在水下安装完全防水，在同一电压下可以做出多种参数，能通过定制要求来设计水泵等多种特点，在汽车行业、太阳能光伏产品以及家庭日用商品中广泛应用。

2 方案设计

2.1 设计参数及方案

通过查阅相关资料，得到家用小型直流水泵电机参数指标如下：

由于我们所驱动的电机为家用直流水泵电机，因此接入水泵电机的电源为单相220V交流电源，通过已有的知识体系，我们利用所学的单相桥式全控整流电路进行驱动电机，使其正常运行。

因为输出端和输入端需要隔离并且降压，因此我们使用降压变压器对单相交流电压的一次调整，鉴于单相桥式电路的应用最多且最广泛且不存在变压器的直流磁化，且变压器绕组利用率高，因此我们采用单相桥式整流电路进行对二次侧电压的整流。由于我们的负载为家用直流水泵电动机的电枢，根据教科书，当负载直流电动机的电枢(忽略其中的电感)时，负载可看成是一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。因此，我们设计直流水泵电机的电源电路时其电感，作出简化的单相桥式全控整流电路带直流水泵电机的工作方式，但由于负载是电动机时，如果出现电流断续，会导致电动机得机械特性很软，并且降低较多得反电动势，且电流断续时转速降落也较大，要求电源的容量也大，为了克服以上缺点，我们需要在直流水泵电机的主电路的直流输出侧上串联一个电感较大的平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间，因此我们利用proteus设计的主电路和直流水泵的总电气原理图如图1所示。

图1 单相桥式全控整流电路带直流水泵电机时的总电气原理图

2.2 晶闸管选型及参数

通过查阅相关资料，在选取相对合理的参数，设计题中的直流水泵电机的额定电压为，负载中电枢电阻,额定功率。

为了使电压稳定，当改变触发角时，其额定电压随之改变。由于需要在恒定额定电压运行，又因为带反电势负载时只有在u2瞬时值的绝对值大于反电动势即|u2|＞E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能，因此我们需要考虑停止导电角，通过计算得停止导电角为：

为了使电压稳定且使导通角满足导通条件（α＞δ），电机控制导通角设置为α= 3 0°。

使变压器二次侧有效电压U2= 1 10V ，晶闸管触发角α= 3 0°。

整流输出平均电压

整流输出平均电流

晶闸管承受的的最大反向电压为

流过晶闸管的电流的有效值为

晶闸管的额定电压为

晶闸管的额定电流为

根据其导通及关断条件以及其承压和平均电流可确定晶闸管的可选型号为2N6398。

3 原理分析

3.1 直流水泵电机电源原理分析

我们对直流水泵电机的电源电路工作流程进行梳理，得到的流程图如图2所示。

图2 直流水泵电机的电源电路工作流程图

直流水泵电机的电源电路先需要接入220V单相交流电后，再通过一个降压220/110的变压器将220V的单相交流电降为110V单相交流电，然后通过单相桥式全控整流电路将110V单相交流电整流为我们需要的直流电压，最终完成给直流水泵电机供电的目的。

3.2 单相桥式全控整流电路的原理

图3 单相桥式全控整流电路原理

单相桥式全控整流电路，由4个可控硅组成桥式整流，能控制交流输入和直流输出。单相桥式全控整流电路用四个晶闸管，两只晶闸管接成共阴极，两只晶闸管接成共阳极，每两只晶闸管是一个桥臂。

在二次侧电压u2正半波的（0～α）区间，晶闸管VT1、VT4承受正压，但无触发脉冲，处于关断状态。假设电路已工作在稳定状态，则在0～α区间由于电感释放能量，晶闸管VT2、VT3维持导通。在u2正半波的ωt=α时刻及以后，ωt=α处触发晶闸管VT1、VT4使其导通，电流沿a→VT1→R→VT4→b→变压器的二次绕组→a流通，此时负载上有输出电压（ud=u2）和电流。电源电压反向加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反压而处于关断状态。

在u2负半波的（）区间，当时，电源电压自然过零，感应电势使晶闸管VT1、VT4继续导通。在电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正压，因无触发脉冲，VT2、VT3处于关断状态。

在u2负半波的时刻及以后，处触发晶闸管VT2、VT3使其导通，电流沿b→VT3→R→VT2→a→变压器的二次绕组→b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，负载上有输出电压（ud=-u2）和电流。此时电源电压反向加到VT1、VT4上，使其承受反压而变为关断状态。晶闸管VT2、VT3一直要导通到下一周期处再次触发晶闸管VT1、VT4为止。

由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在u2一个周期内，整流电压波形脉动2次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。

3.3 单相桥式全控整流电路中带反电势负载（直流水泵电机）时的参数计算

由于我们的主电路的直流输出侧串联了一个电感足够大的平波电抗器，使得电流连续，因此此时的整流电压ud与电感负载连续时的电压波形相同，ud、id的计算公式亦一样，因此整流电压平均值为

晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即

为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定值，需考虑发热问题，为此需要计算电流有效值。晶闸管导通角θ与α无关，其电流有效值为：

变压器二次电流的波形为正负180°的矩形波，其相位由α决定，有效值：

直流水泵电机位于主电路直流输出端，因此电机功率大小为

为了使电压稳定，当改变触发角时，其额定电压随之改变。由于需要在恒定额定电压运行，又因为带反电势负载时只有在u2瞬时值的绝对值大于反电动势即|u2|＞E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能，因此我们需要考虑停止导电角，通过计算得停止导电角为：

为了使电压稳定，我们设置的导通角须恒定且满足导通条件（α＞δ）。

图4 单相桥式全控整流电路接反电势-电阻负载（直流水泵电机）时的电路

4 系统仿真

通过simulink仿真设计出的单相桥式全控整流电路图如图5所示，为了使电压稳定，当改变触发角时，其额定电压随之改变。由于需要在恒定额定电压运行，所以电机控制的前提为α=30°。因此我们选取α=30°时的电压值作为直流水泵电机的额定电压，其波形如图6所示（有尖峰为平波电抗器的过补偿导致）。

图5 单相桥式全控整流电路simulink仿真

图6 α=30°单相桥式全控整流电路各个输出波形

经过选取晶闸管型号后利用multisim的仿真得出的波形如图7所示，所得multisim的数值如图8所示。

图7 单相桥式全控整流电路multisim仿真

图8 单相桥式全控整流电路ud 的波形（红色）以及电流id(蓝色)与所测Ud 与I d 的数值

所测电压计算结果如下：

与我们的分析结果大致一致。

图9 电压表所测值

5 分析总结

通过对设计电路的理论分析以及matlab仿真，我们对所设计的单相桥式整流电路进行了系统性的分析，并利用单相桥式全控整流电路使220V单相交流电压先降压为110V的交流电压，再将110V的交流电压整流成直流电压并考虑到了带反电动势工作的单相桥式全控整流电路自身的导通角问题，设置合理电压供给给直流水泵电机使其额定运行，并利用simulink的仿真验证单相桥式电路的晶闸管进行初步选定，再结合经济性分析，选取了晶闸管2N6398，使电路性能参数达到最好，然后用Multisim的仿真设计我们的电源电路，并通过multisim的自带测量计算误差验证了电路的准确性以及可行性。