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文檔簡介

1、電力電子技術課程設計單相調壓電路設計姓名:學號:班級:時間:指導教師: 目 錄一.仿真軟件matlab簡介2二.設計目的2三.單相交流電調壓電路原理.2四.設計原理5五.matlab仿真.6六.當電感值和晶閘管開通角變化時的負載電壓和觸發(fā)脈沖波形.8七.諧波分析.19八.protel 簡介.19九.印刷電路板.24十.小結25十一.教材及參考書.25十二.附錄.26 單相調壓電路設計一.仿真軟件matlab簡介matlab是集數(shù)值計算、符號運算及圖形處理等強大功能于一體的科學計算工具,作為強大的科學計算平臺,它幾乎可以滿足所有的計算要求。另外,matlab還針對許多專門的領域開發(fā)出了功能強大的

2、模塊集或工具箱,如:電力系統(tǒng)仿真工具箱(simpowersystems)等。一般來說,它們都是由特定領域的專家開發(fā)出來的,用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的模型而不需要自己編寫代碼。當今社會的發(fā)展如此迅猛,高性能、低成本以及生產(chǎn)和更新?lián)Q代周期短已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)對產(chǎn)品設計的最基本要求,模型化、模塊化以及動態(tài)仿真是產(chǎn)品設計者對設計工具的最基本要求,而matlab中的simulink是其中可以完全滿足此要求的幾個工具軟件之一。matlab提供的simulink仿真軟件實際上提供了一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真的圖形用戶環(huán)境,并且憑借matlab在科學計算上的強大功能,建立了從設計構思到最終要求

3、的可視化橋梁,大大彌補了傳統(tǒng)設計和開發(fā)工具的不足。simulink是用模塊組合的方法來使用戶能夠快速、準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型,特別對于復雜的非線性系統(tǒng),效果更為明顯。simulink模型可以用來模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或兩者的混合系統(tǒng)。另外,simulink還為用戶提供一套圖形動畫的處理方法,使用戶可。以方便地觀察到仿真的整個過程。它還能夠用matlab自身語言或c、c+語言、fortran語言,根據(jù)s函數(shù)的標準格式寫成用戶自己定義的功能模塊,其擴充性非常強。其中電力系統(tǒng)仿真工具箱功能強大,工具箱內部的元件庫提供了經(jīng)常使用的各種電力元件數(shù)學模型,并且提供了可以自己編程的方式創(chuàng)建適合

4、的元件模型。二設計目的1. 通過對單相調壓電路的設計,掌握單相調壓電路的工作原理,綜合運用所學知識進行單相調壓電路和系統(tǒng)設計的能力。2. 了解與單相調壓電路拓撲、控制方法。3. 理解和掌握單相調壓電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護電路的設計方法,掌握元器件的選擇計算方法。4. 具有一定得電力電子電路及系統(tǒng)實驗和調試的能力。三 單相交流電調壓電路原理單相交流調壓電路是對單相交流電的電壓進行調節(jié)的電路。用在電熱控制、交流電動機速度控制、燈光控制和交流穩(wěn)壓器等場合。與自耦變壓器調壓方法相比,交流調壓電路控制方便,調節(jié)速度快,裝置的重量輕、體積小,有色金屬消耗也少。結構原理 交流調壓電路的一般結構如圖

5、1a所示。按一定的規(guī)律控制交流開關s1的通斷,即可控制輸出的負載電壓u0。按單相交流調壓電路的控制方式有周波控制調壓、相位控制調壓和斬波控制調壓。采用前兩種控制方式的單相交流調壓電路如圖1b所示。圖1c所示。是斬波控制的單相交流調壓電路,圖中的雙向開關s2是續(xù)流開關。(1)周波控制調壓 適用于負載熱時間常數(shù)較大的電熱控制系統(tǒng)??刂茍D1b所示。中晶閘管導通時間與關斷時間之比,使交流開關在某幾個周波連續(xù)導通,某幾個周波連續(xù)關斷,如此反復循環(huán)地運行,其輸出電壓的波形如圖2所示。改變導通的周波數(shù)和控制周期的周波數(shù)之比即可改變輸出電壓。為了提高輸出電壓的分辨率,必須增加控制周期的周波數(shù)。為了減少對周圍通

6、信設備的干擾,晶閘管在電源電壓過零時開始導通。在負載容量很大時,開關的通斷將引起對電網(wǎng)的沖擊,產(chǎn)生由控制周期決定的分數(shù)次諧波,這些分數(shù)次諧波引起電網(wǎng)電壓閃變。這是其缺陷。(2)相位控制調壓 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始到觸發(fā)點之間的電角度稱為觸發(fā)滯后角。在有效移相范圍內改變觸發(fā)滯后角,即能改變輸出電壓。有效移相范圍隨負載功率因數(shù)不同而不同,電阻性負載最大,純感性負載最小。圖3是阻性負載時相控方式的交流調壓電路的輸出電壓波形。相控交流調壓電路輸出電壓包含較多的諧波分量,當負載是電動機時,會使電動機產(chǎn)生脈動轉矩和附加諧波損耗。另外它還會引起電源電壓畸變。為減少對電

7、源和負載的諧波影響,可在電源側和負載側分別加濾波網(wǎng)絡。(3)斬波控制調壓使開關在一個電源周期中多次通斷,將輸入電壓切成幾個小段,用改變小段的寬度或開關通斷的周期來調節(jié)輸出電壓。斬控調壓電路輸出電壓的質量較高,對電源的影響也較小。圖4是斬波控制的交流調壓電路的輸出電壓波形。在斬波控制的交流調壓電路中,為了在感性負載下提供續(xù)流通路,除了串聯(lián)的雙向開關s1外,還須與負載并聯(lián)一只雙向開關s2。當開關 s1導通,s2關斷時,輸出電壓等于輸入電壓;開關s1關斷,s2導通時,輸出電壓為零??刂崎_關導通時間與關斷時間之比即能控制交流調壓器的輸出電壓。開關 s1、s2動作的頻率稱斬波頻率。斬波頻率越高,輸出電壓

8、中的諧波電壓頻率越高,濾波較容易。當斬波頻率不是輸入電源頻率的整數(shù)倍時,輸出電壓中會產(chǎn)生分數(shù)次諧波。當斬波頻率較低時,分數(shù)次諧波較大,對負載產(chǎn)生惡劣的影響。將斬波信號與電源電壓鎖相,可消除分數(shù)次諧波。斬波控制的交流調壓電路的功率開關元件必須采用功率晶體管或其他自關斷元件,所以成本較高。四.設計原理本設計中采用相位控制調壓的方式。把兩個晶閘管反并聯(lián)在交流電路中,通過對晶閘管的控制就可以控制交流電力。這種電路不改變交流電的頻率,稱為交流電力控制電路。在每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制,可以方便地調節(jié)輸出電壓的有效值,這種電路稱為交流調壓電路。交流電源只有一相時,稱為單相調壓電路。主電路原理圖

9、如下:圖5圖5是單相交流電路主電路圖,兩個晶閘管反并聯(lián)串聯(lián)在交流電路中,在每半個周波內對晶閘管開通相位的控制,可以方便地調節(jié)輸出交流電壓的有效值,實現(xiàn)交流調壓。由于交流調壓電路的工作情況和負載有很大關系,因此分別進行討論。單相交流調壓負載在電阻負載時,晶閘管的導通角只與控制角 有關,分別對兩個晶閘管的開通角進行控制就可以調節(jié)輸出電壓。正負半周起始時刻( =0)均為電壓過零時刻,在穩(wěn)態(tài)情況下,應使正負半周的 相等。 的移相范圍應為0。對觸發(fā)脈沖的要求除了要保證與電源同步外,脈沖本身的寬度也要保證晶閘管能正常導通。單相交流調壓負載是阻感性負載時,在電壓反向過零時,由于電感產(chǎn)生的感應電勢阻礙電流的變

10、化,晶閘管不能立即關斷,導電時間延長,此時,晶閘管的導通角不但與控制角 有關,還與負載的阻抗角 =arctan(wl/r)有關。當 時,兩個晶閘管vt1和vt2 得導通角均小于,且越小,越大。此時可以進行正常交流調壓,輸出電流既不連續(xù)也非正弦。當 = 時,=,電流波形為正弦波。當0 13v。 c最大輸出能力:kj004為looma(流出脈沖電流)。kj004a為10ma。 d輸ttl反壓:bvceol8v(測試條件:iel00a)。正負半周脈沖相位不均衡度3。使用環(huán)境溫度為四級: c:070 r:-5585 e:-4085 m:-55125 kj004(kj004a)采用雙列直插l6腳封裝。

11、觸發(fā)脈沖電路:圖21該觸發(fā)電路主要由kj004集成電路構成。同步信號由第8腳引入,第1腳和第l5腳可產(chǎn)生相位相差180。的2路輸出脈沖,這2路脈沖經(jīng)過信號驅動電路放大后,接到脈沖變壓器的輸入端,在脈沖變壓器的輸出端產(chǎn)生加在晶閘管門極和陰極的觸發(fā)信號。加脈沖變壓器是為了控制電路和主電路隔離及經(jīng)過變壓后產(chǎn)生觸發(fā)晶閘管合適脈沖。調節(jié)電位器rp??烧{節(jié)輸出脈沖的相位,調節(jié)電位器rp:可以調節(jié)鋸齒波的斜率,從而使在控制電壓為零時,主電路輸出電壓為零。九印刷電路板:圖22印刷電路板主要由焊盤、過孔、安裝孔、導線、元器件、接插件、填充、電氣邊界等組成,各組成部分的主要功能如下: 焊盤:用于焊接元器件引腳的金

12、屬孔。 過孔:用于連接各層之間元器件引腳的金屬孔。安裝孔:用于固定印刷電路板。 導線:用于連接元器件引腳的電氣網(wǎng)絡銅膜。 接插件:用于電路板之間連接的元器件。 填充:用于地線網(wǎng)絡的敷銅,可以有效的減小阻抗。 電氣邊界:用于確定電路板的尺寸,所有電路板上的元器件都不能超過該邊界。印制電路板設計中應注意的問題:1. 元件的布局要均衡,疏密有序;2. 元件布局應按照元件的關鍵性來進行,先布置關鍵元器件,然后按照地址線和數(shù)據(jù)線的走向,依照就近原則,布置其他元件;3. 高頻元件引出的導線應盡量短,以減少對其他器件和電路得干擾,也可就近安裝濾波電容;4. 模擬電路與數(shù)字電路盡量分開布設;5. 帶強電的元件

13、與其他元器件的距離應盡量遠些;6. 對發(fā)熱量較大的器件要注意散熱,如大面積接地、加散熱片。十小結:本次課程設計,有以下幾點體會。 對matlab仿真軟件有了進一步的了解和認識,并能用其進行一些電路的仿真; 能用protel軟件繪出一些原理圖,設計出印制電路板; 學會了一種晶閘管的脈沖觸發(fā)電路,同時對kj004芯片有一定的認識; 對單相交流調壓電路的原理和功能等有了更全面的理解;總之,這次設計對個人就相關課本知識和軟件有了一次較全面的認識和提升,對今后的學習和工作有借鑒和促進作用。十一.教材及參考書1. 孫樹撲等.電力電子技術.第一版中國礦業(yè)大學出版社.19992. 邵丙衡.電力電子技術第一版.

14、鐵道出版社.19973. 王兆安,黃俊.電力電子技術.第四版機械工業(yè)出版社.20084. 張立.現(xiàn)代電力電子技術.第一版.科學出版社.19955. 周明寶.電力電子技術.第一版.機械工業(yè)出版社.19976. 葉斌.電力電子技術習題集.第一版.鐵道出版社.19957. 林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路.第二版.浙江大學出版社.20028. 趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術基礎.第一版.清華大學出版社.1995十二.附錄:一種單相交流調壓電路板單相通用型可控硅觸發(fā)板編號:pro200732593126型號:gbc2m-1價格:交流調壓與半控整流通用廠商:gbc2m-1型gbc2m-1型單相交流調壓與半控整流通用型

15、可控硅觸發(fā)板是移相型的電力控制器,其核心部件采用國外生產(chǎn)的高性能、高可靠性的軍品級可控硅觸發(fā)專用集成電路。輸出觸發(fā)脈沖具有極高的對稱性及穩(wěn)定性,且不隨環(huán)境溫度變化,使用中不需要對脈沖對稱度及限位進行調整?,F(xiàn)場調試一般不需要示波器即可完成。* 可用于220v與380v電源頻率為50hz/60hz電網(wǎng),特殊電壓要求可定制 * 采用移相式觸發(fā)方式、適用于阻性負載、感性負載、變壓器一次側等各種負載類型。 * 能與國內外各種控制儀表、微機的輸出信號直接接口。* 可手動電位器控制也可自動信號控制 * 寬脈沖輸出更可靠,采用專用芯片,脈沖輸出對稱度小于0.1度。 * 具有軟啟動功能,減少對電網(wǎng)的沖擊干擾,使

16、主電路更加安全可靠。 * 同步電壓范圍寬ac5vac2400v。 * 可驅動各種進口國產(chǎn)單相可控硅硅,反并聯(lián)可控硅模塊,單相半控橋等組成的各種可控硅主電路形式1 負載性質它可廣泛的應用于工業(yè)各領域的電壓電流調節(jié),適用于電阻性負載、電感性負載、變壓器一次側及各種整流裝置等,主要應用于以下負載:*以鎳鉻、鐵鉻鋁、遠紅外發(fā)熱元件及硅鉬棒、硅碳棒等為加熱元件的溫度控制。*鹽浴爐、工頻感應爐、淬火爐、熔融玻璃的溫度加熱控制。*整流變壓器、調功機(純電感線圈)、電爐變壓器一次側、直流電機控制。*單相電焊機、電阻焊機、點焊機控制等各種調場合。*單相風機水泵調速節(jié)能控制*電壓、電流、功率、燈光等無級平滑調節(jié)2 技術規(guī)格額定輸入電壓220v或380v、50/60hz特殊電壓要求可定制輸入電壓范圍額定輸入電壓的15%可觸發(fā)可控硅額定電流5a10000a負載性質阻性、一般感性、純感性、變壓器一次側、二次側、純電感線圈等輸入控制信號420ma010ma05v15v010v手動電位器控制過流保護輸出電流1.8倍額定值

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