單相交流調(diào)壓電路2000W__電力電子技術(shù)_課程設(shè)計(jì)(論文).doc

電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)（論文）題目：?jiǎn)蜗嘟涣髡{(diào)壓電路（2000W）院（系）：電氣工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱(chēng)： 副教授 起止時(shí)間：0-6-至08-課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：電氣學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)班級(jí)課程設(shè)計(jì)（論文）題目單相交流調(diào)壓電路(2000W)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)將單相220V交流電轉(zhuǎn)換為連續(xù)可調(diào)的交流電，為1臺(tái)電阻爐供電。設(shè)計(jì)的主要任務(wù)包括：1、 方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、 主電路設(shè)計(jì)。3、 通過(guò)計(jì)算選擇整流器件的具體型號(hào)。4、 設(shè)計(jì)合適的觸發(fā)電路。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目 錄第1章 課程設(shè)計(jì)目的與要求11.1 課程設(shè)計(jì)目的11.2 課程設(shè)計(jì)的預(yù)備知識(shí)11.3 課程設(shè)計(jì)要求1第2章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容22.1 設(shè)計(jì)方案圖及經(jīng)濟(jì)論證22.2 各部分電路的作用22.3 總體電路與分析22.4 觸發(fā)電路與變壓器變比的設(shè)計(jì)42.5 單相交流調(diào)壓電路的理想模型52.6 實(shí)際實(shí)現(xiàn)電路及工作原理62.7 參數(shù)計(jì)算82.8 設(shè)計(jì)總結(jié)11第3章 課程設(shè)計(jì)的考核123.1 課程設(shè)計(jì)的考核要求123.2 課程性質(zhì)與學(xué)分12參考文獻(xiàn)12第1章 課程設(shè)計(jì)目的與要求1.1 課程設(shè)計(jì)目的“電力電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)是在教學(xué)及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)課程所學(xué)理論知識(shí)的深化和提高。因此，要求學(xué)生能綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出具有電壓可調(diào)功能的直流電源系統(tǒng)，能夠較全面地鞏固和應(yīng)用本課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌整流電路設(shè)計(jì)的基本方法。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、獨(dú)立收集資料、獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力；培養(yǎng)分析、總結(jié)及撰寫(xiě)技術(shù)報(bào)告的能力。1.2 課程設(shè)計(jì)的預(yù)備知識(shí)熟悉電力電子技術(shù)課程、電機(jī)學(xué)課程的相關(guān)知識(shí)。1.3 課程設(shè)計(jì)要求按課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)提供的課題，根據(jù)第下表給出的基本要求及參數(shù)獨(dú)立完成設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)包括以下內(nèi)容：1、 方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、 主電路設(shè)計(jì)。3、 通過(guò)計(jì)算選擇整流器件的具體型號(hào)。4、 確定變壓器變比及容量。5、 確定平波電抗器。7、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)或選擇。8、課程設(shè)計(jì)總結(jié)。9、完成4000字左右說(shuō)明書(shū)，有系統(tǒng)電氣原理圖，內(nèi)容完整、字跡工整、圖表整齊規(guī)范、數(shù)據(jù)詳實(shí)。設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)工作量工作計(jì)劃1、 單相交流220V電源。2、 交流輸出電壓Ud在0220V連續(xù)可調(diào)。3、 交輸出電2000W。1、方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、主電路設(shè)計(jì)。3、通過(guò)計(jì)算選擇整流器件的具體型號(hào)。4、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。5、繪制主電路圖。第一周：周一：收集資料。周二三：方案論證。周四：主電路設(shè)計(jì)。周五：理論計(jì)算。第二周：周一：選擇器件的具體型號(hào)周二三：觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。周四五：總結(jié)并撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)。第2章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1 設(shè)計(jì)方案圖及論證輸出連續(xù)可調(diào)的交流電220V交流輸入調(diào)壓環(huán)節(jié)觸發(fā)電路將一種交流電能轉(zhuǎn)換為另一種交流電能的過(guò)程稱(chēng)為交流-交流變換過(guò)程，凡能實(shí)現(xiàn)這種變換的電路為交流變換電路。對(duì)單相交流電的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的電路。用在電熱控制、交流電動(dòng)機(jī)速度控制、燈光控制和交流穩(wěn)壓器等場(chǎng)合。與自耦變壓器調(diào)壓方法相比，交流調(diào)壓電路控制方便，調(diào)節(jié)速度快，裝置的重量輕、體積小，有色金屬消耗也少。結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單。該方案是由變壓器、觸發(fā)電路、整流器、以及一些電路構(gòu)成的，為一臺(tái)電阻爐提供電源。輸入的電壓為單相交流220V，經(jīng)電路變換后，為連續(xù)可調(diào)的交流電。2.2 各部分電路作用220V交流輸入部分作用：為電路提供電源，主要是市電輸入。調(diào)壓環(huán)節(jié)的作用：將交流220V電源經(jīng)過(guò)變壓器、整流器等電路轉(zhuǎn)換為連續(xù)可調(diào)的交流電輸出。觸發(fā)電路部分作用：為主電路提供觸發(fā)信號(hào)。輸出連續(xù)可調(diào)的交流電源部分作用：為電阻爐提供電源。2.3 總體電路與分析2.4 觸發(fā)電路與變壓器變比的設(shè)計(jì)閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿(mǎn)足下列要求：1) 觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，對(duì)感性和反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載的變流器應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)，對(duì)變流器的起動(dòng)、雙星形帶平衡電抗器電路的觸發(fā)脈沖應(yīng)寬于30o，三相全控橋式電路應(yīng)采用寬于60o或采用相隔60o的雙窄脈沖。2) 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對(duì)戶(hù)外寒冷場(chǎng)合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流的35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)12A/s。3) 所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過(guò)晶閘管門(mén)極的電壓、電流和功率定額，且在門(mén)極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。4) 應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。變壓器變比的計(jì)算：當(dāng)1000W全橋軟開(kāi)關(guān)電源采用PQ50/50芯片時(shí)先給出主功率變壓器原邊繞組的圈數(shù)計(jì)算公式和計(jì)算過(guò)程?？紤]到UC3875的最佳工作頻率，又因?yàn)椴捎昧烁哳l開(kāi)關(guān)特性良好的MOSFET功率管，所以選取開(kāi)關(guān)頻率為100KHZ。首先根據(jù)功率容量Ap乘積公式來(lái)進(jìn)行估算。為了多留些余地，可再減小主功率變壓器的最大工作磁通密度Bm=1000GS,由計(jì)算式得到：Ap=Ae*Aq=Pt*10=5.56 當(dāng)最大磁通密度選用1500GS時(shí)，功率容量降低到3.7。若開(kāi)關(guān)頻率降低到50KHZ，則功率容量乘機(jī)增大一倍約11.12，余量就小了。 PQ50/50鐵氧體磁芯的有效中心柱截面積為Ae=3.1416cm它的磁芯窗口面積為Aq= 4.18 cm,因此PQ50/50的功率容量乘積為： Ap=Ae*Aq=3.1416*418=13.2 可見(jiàn)，在開(kāi)關(guān)頻率為100KHZ時(shí)，采用PQ50/50鐵氧體磁芯做1000W主功率變壓器，它的功率容量是合理的。 再來(lái)計(jì)算原邊繞組的匝數(shù)值： Np=單向晶閘管交流調(diào)壓電路如圖所示。負(fù)載RL串接在交流回路中，流過(guò)它的電流受控于單向晶閘管VS的導(dǎo)通與截止。交流 電壓經(jīng)整流后加在VS的A-K極間的電壓是單向脈動(dòng)電壓UAK，如圖所示。只要改變單向晶閘管導(dǎo)通角的大小，就可以改變負(fù)載RL兩端交流電壓的有效值，達(dá)到交流調(diào)壓的目的。如圖所示的是一種家用電器調(diào)壓裝置，它適用于電寵斗、電熱毯的調(diào)溫，也可用于臺(tái)燈的調(diào)光。由VD1VD4整流輸出的脈動(dòng)直流電除供晶閘管VS使用外，它還經(jīng)穩(wěn)壓二極管VD5削波，得到梯形波電壓供觸發(fā)電路使用。觸發(fā)電路由VT1、VT2、RP、R1R6、C組成，在R5上獲得的放電脈沖經(jīng)VT1放大后觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通。改變RP阻值的大小，就可使接在負(fù)載兩端的電壓發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)壓的目的。2.5 單相交流調(diào)壓電路的理想模型 電路及其波形如下工作原理：當(dāng)G=1時(shí)，S1合上，S2斷開(kāi)，U0=Ui當(dāng)G=0時(shí)，S1斷開(kāi)，S2合上，U0=0續(xù)流2.6 實(shí)際實(shí)現(xiàn)電路及工作原理 前面分析了理想條件下單相調(diào)壓電路的工作原理，理想條件中假設(shè)的主電路功率器件具有理想功能，實(shí)際上這種器件是不不存在的，因此必須根據(jù)電路的特點(diǎn)和器件的實(shí)際性能來(lái)組構(gòu)電路。U01是U0的基波分量，i01是i0的基波分量；i01與u01將產(chǎn)生 的滯后角。在過(guò)零點(diǎn)附近出現(xiàn)；i01與u01不同相問(wèn)題。在ax0，u0,u10,而i0,電流為負(fù)值，由于T1恒通T2橫斷，u=ui無(wú)斬波。出現(xiàn)了失控現(xiàn)象，即；u01的控制信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)斬波。位控制調(diào)壓利用控制觸發(fā)滯后角的方法,控制輸出電壓。晶閘管承受正向電壓開(kāi)始到觸發(fā)點(diǎn)之間的電角度稱(chēng)為觸發(fā)滯后角。在有效移相范圍內(nèi)改變觸發(fā)滯后角，即能改變輸出電壓。有效移相范圍隨負(fù)載功率因數(shù)不同而不同，電阻性負(fù)載最大,純感性負(fù)載最小。圖3是阻性負(fù)載時(shí)相控方式的交流調(diào)壓電路的輸出電壓波形。相控交流調(diào)壓電路輸出電壓包含較多的諧波分量，當(dāng)負(fù)載是電動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和附加諧波損耗。另外它還會(huì)引起電源電壓畸變。為減少對(duì)電源和負(fù)載的諧波影響，可在電源側(cè)和負(fù)載側(cè)分別加濾波網(wǎng)絡(luò)。 斬波控制調(diào)壓使開(kāi)關(guān)在一個(gè)電源周期中多次通斷，將輸入電壓切成幾個(gè)小段，用改變小段的寬度或開(kāi)關(guān)通斷的周期來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。斬控調(diào)壓電路輸出電壓的質(zhì)量較高,對(duì)電源的影響也較小。圖4是斬波控制的交流調(diào)壓電路的輸出電壓波形。在斬波控制的交流調(diào)壓電路中，為了在感性負(fù)載下提供續(xù)流通路，除了串聯(lián)的雙向開(kāi)關(guān)S1外，還須與負(fù)載并聯(lián)一只雙向開(kāi)關(guān)S2。當(dāng)開(kāi)關(guān) S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷時(shí)，輸出電壓等于輸入電壓；開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通時(shí),輸出電壓為零?？刂崎_(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間之比即能控制交流調(diào)壓器的輸出電壓。開(kāi)關(guān) S1、S2動(dòng)作的頻率稱(chēng)斬波頻率。斬波頻率越高,輸出電壓中的諧波電壓頻率越高,濾波較容易。當(dāng)斬波頻率不是輸入電源頻率的整數(shù)倍時(shí)，輸出電壓中會(huì)產(chǎn)生分?jǐn)?shù)次諧波。當(dāng)斬波頻率較低時(shí)，分?jǐn)?shù)次諧波較大，對(duì)負(fù)載產(chǎn)生惡劣的影響。將斬波信號(hào)與電源電壓鎖相，可消除分?jǐn)?shù)次諧波。斬波控制的交流調(diào)壓電路的功率開(kāi)關(guān)元件必須采用功率晶體管或其他自關(guān)斷元件，所以成本較高。2.7 參數(shù)計(jì)算負(fù)載電壓有效值 (4-1) 負(fù)載電流有效值 (4-2) 晶閘管電流有效值 (4-3) 功率因數(shù) ; ; (4-4) 輸出電壓與a 的關(guān)系： 移相范圍為0a 。a =0時(shí)Uo=U1，最大，a的增大，Uo降低，a =時(shí)，Uo=0 與a 的關(guān)系：a =0時(shí)，=1，a 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低 一、電阻性負(fù)載 在電源u的正半周內(nèi)，晶閘管V1承受正向電壓，當(dāng)t時(shí)，觸發(fā)V1使其導(dǎo)通，則負(fù)載上得到缺角的正弦半波電壓， 當(dāng)電源電壓過(guò)零時(shí)，V1管電流下降為零而關(guān)斷。在電源電壓u的負(fù)半周，V2晶閘管承受正向電壓，當(dāng)t時(shí)，觸發(fā)V2使其導(dǎo)通，則負(fù)載上又得到缺角的正弦負(fù)半波電壓。持續(xù)這樣的控制， 在負(fù)載電阻上便得到每半波缺角的正弦電壓。改變角的大小，便改變了輸出電壓有效值的大小。 設(shè), 則負(fù)載電壓的有效值為 從上式中可以看出，隨著角的增大，Uo逐漸減小; 當(dāng)時(shí)，Uo0。因此，單相交流調(diào)壓器對(duì)于電阻性負(fù)載， 其電壓的輸出調(diào)節(jié)范圍為0U， 控制角的移相范圍為0。二、電感性負(fù)載晶閘管的導(dǎo)通角的大小，不但與控制角有關(guān)，而且與負(fù)載阻抗角有關(guān)。一個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，其負(fù)載電流io的表達(dá)式為 當(dāng)t時(shí)，io0。將此條件代入可求得導(dǎo)通角與控制角、負(fù)載阻抗角之間的定量關(guān)系表達(dá)式為 針對(duì)交流調(diào)壓器，其導(dǎo)通角180，再根據(jù)上式可繪出f（，）曲線(xiàn)，單相交流調(diào)壓電路以為參變量時(shí)與的關(guān)系。 下面分別就、三種情況來(lái)討論調(diào)壓電路的工作情況。(1) 當(dāng)時(shí)， 由式可以判斷出導(dǎo)通角180, 正負(fù)半波電流斷續(xù)。越大，越小，波形斷續(xù)愈嚴(yán)重。 (2) 當(dāng)時(shí)， 由式可以計(jì)算出每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角180。此時(shí)，每個(gè)晶閘管輪流導(dǎo)通180，相當(dāng)于兩個(gè)晶閘管輪流被短接， 負(fù)載電流處于連續(xù)狀態(tài)，輸出完整的正弦波。 圖6-5 感性負(fù)載窄脈沖觸發(fā)時(shí)的工作波形 (3) 當(dāng)時(shí)， 電源接通后，在電源的正半周，如果先觸發(fā)V1， 則可判斷出它的導(dǎo)通角180。 如果采用窄脈沖觸發(fā)，當(dāng)V1的電流下降為零而關(guān)斷時(shí)，V2的門(mén)極脈沖已經(jīng)消失，V2無(wú)法導(dǎo)通。到了下一周期，V1又被觸發(fā)導(dǎo)通重復(fù)上一周期的工作， 結(jié)果形成單向半波整流現(xiàn)象， 如圖6-5所示，回路中出現(xiàn)很大的直流電流分量，無(wú)法維持電路的正常工作。 解決上述失控現(xiàn)象的辦法是：采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)， 以保證V1管電流下降到零時(shí)，V2管的觸發(fā)脈沖信號(hào)還未消失， V2可在V1電流為零關(guān)斷后接著導(dǎo)通。 但V2的初始觸發(fā)控制角-，即V2的導(dǎo)通角180。從第二周開(kāi)始，由于V2的關(guān)斷時(shí)刻向后移，因此V1的導(dǎo)通角逐漸減小，V2的導(dǎo)通角逐漸增大，直到兩個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角180時(shí)達(dá)到平衡。根據(jù)以上分析，當(dāng)并采用寬脈沖觸發(fā)時(shí)，負(fù)載電壓、電流總是完整的正弦波， 改變控制角，負(fù)載電壓、電流的有效值不變，即電路失去交流調(diào)壓作用。在感性負(fù)載時(shí)，要實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓的目的，則最小控制角（負(fù)載的功率因素角），所以的移相范圍為180。2.8 設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)電力電子的理論知識(shí)得到了深化和理解，不但提高了自己的 查找資料能力，同時(shí)也提高了獨(dú)立思考、獨(dú)立收集資料、獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力。通過(guò)課設(shè)使我能夠較全面地鞏固和應(yīng)用本課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握單相交流調(diào)壓電路設(shè)計(jì)以及相關(guān)的知識(shí)。本課設(shè)主要利用晶閘管觸發(fā)電路、變壓器等電路，達(dá)到輸出交流電壓可調(diào)的目的。 第3章 課程設(shè)計(jì)的考核3.1 課程設(shè)計(jì)的考核要求課程設(shè)計(jì)采用五級(jí)(優(yōu)、良、中、及格、不及格)評(píng)分制。最后成績(jī)依據(jù)課程設(shè)計(jì)論文及平時(shí)成績(jī)決定