電力電子課程設計

1、湖南科技大學信息與電氣工程學院電力電子技術課程設計報告 題 目：基于集成電路的的單相交流調壓器仿真 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 班 級：電氣三班 姓 名： 劉雪晴 學 號：1304010308 指導教師： 郭小定 2016年 6 月 17 日II信息與電氣工程學院課程設計任務書2015 2016 學年 第 2 學 期專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級： 電氣三班 學號： 1304010308 姓名： 劉雪晴 課程設計名稱 ： 電力電子技術課程設計 設計題目：基于集成電路的單相交流調壓器仿真（輸出：100V，220A,普通晶閘管） 完成期限：自 2016 年 6 月 14 日至 2016 年 6 月

2、 17 日共 1 周設計依據、要求及主要內容一、設計依據基于集成電路的單相交流調壓器 輸入：220V輸出：100V,220A選擇器件：普通晶閘管（SCR）二、要求及主要內容    1主電路、保護電路、控制電路設計；    2主電路元件的參數計算與選擇；     3計算整流變壓器參數、選擇其容量和規(guī)格；    4主電路中過電壓過電流保護電路的選擇及相應電路元件的計算與選擇；    5繪制主

3、電路、保護電路、控制電路設計電氣系統(tǒng)原理圖；6寫出課程設計報告。其中設計報告要包括有設計的目的，設計原理，設計參數的計算，元器件選型，器件表，電路圖的設計說明以及設計的心得等；設計報告3000字以上；指導教師（簽字）： 批準日期：2016 年 6月 14日評語： 成績： 評閱人： 日期： 摘 要 本次電力電子技術課程設計的題目為單相橋式半控整流器設計。整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設備。整流電路的應用十分廣泛，例如直流電動機，電鍍、電解電源，同步發(fā)電機勵磁，通信系統(tǒng)電源等。整流電路可從各種角度進行分類，主要分類方法有：按組成的器件可分為不可

4、控、半控、全控三種；按電路結構可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數分為單相電路和多相電路。本文所要設計的項目就是單相橋式半控整流器的設計，不同于單相橋式全控整流電路，為了對每個導電回路進行控制，只需要一個晶閘管就可以了，另一個晶閘管可以用二極管代替，即成為單相橋式半控整流電路。關鍵詞：整流器 單相橋式半控整流 晶閘管 觸發(fā)脈沖 目 錄一、 設計目的及意義5二、 主電路設計5三、觸發(fā)電路設計6四、 參數計算與器件選型7五、 仿真8（一）仿真平臺與過程8（二）仿真分析9六、 心得體會11參考文獻12附錄13A主電路13B觸發(fā)電路13C器件表14 一、設計目的及意義 電力電子技術是一門新興技術，

5、它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而成的，已成為現(xiàn)代電氣 工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎課，在培養(yǎng)本專業(yè)人才中占有重要地位。 電力電子課程設計的目的在于進一步鞏固和加深所學的電力電子基礎知識。使學生能綜合運用相關課程的基本知識，培養(yǎng)學生檢索文獻的能力，特別是利用網絡檢索需要的文獻資料，培養(yǎng)學生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力以及方案選擇等。樹立既考慮技術上的先進性與可行性，又考慮經濟上的合理性，并注意提高分析和解決實際問題的能力；迅速準確的進行工程計算的能力，計算機應用能力；用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。 通過課程實際使學生認識到理論與實踐相結合的重要

6、性，只靠從書本上學到的知識是遠遠不夠的，顯示的生活中需要更為豐富的知識，只有把碩學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在在課程設計工程中查閱資料，了解查閱資料的重要性，鼓勵他們克服心理上的不良情緒，不斷的學習和解決難題，不斷磨練學生意志的過程。通過課程設計是學生所學的基礎理論知識得到鞏固，并使學生可以運用所學理論知識解決實際問題的初步訓練。進一步提高學生的分析、綜合能力以及工程設計中分析設計的基本能力，為今后的畢業(yè)設計做必要的準備，并為畢業(yè)后的工作學習打下了很好的基礎。二、主電路設計 所謂單相交流調壓就是將兩個晶閘管反并

7、聯(lián)后串聯(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。本次采用的是帶電阻性負載的單相交流調壓電路,主電路如下圖所示： 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。 當負載電阻為R，輸入的電源電壓有效值為U1，則電路的基本電氣參數如下：1、負載電阻R上的交流電壓有效值：2、負載電阻R上的電流有效值：3、晶閘管電流

8、平均值4、晶閘管通態(tài)平均電流及其有效值5、電路功率因數 角的移相范圍為0180°，=0時，相當于晶閘管一直接通，輸出電壓為最大值，=隨著的增大，降低，直到=時，=0，此外，=0時，功率因數=1，隨著的增大，輸入電流落后于電壓并且發(fā)生畸變，也隨之降低。三、觸發(fā)電路設計 本次觸發(fā)電路采用555定時器。555定時器是一種模擬和數字功能相結合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極型（TTL）工藝制作的稱為 555，用 互補金屬氧化物（CMOS ）工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 31

9、8V 工作，輸出驅動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 觸發(fā)電路如下圖所示： 555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出

10、為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為低電平。(三）、保護電路 關于保護電路，考慮在主電路中加入熔斷器，根據電流要求選擇250A的熔斷器進行保護。四、參數計算與器件選型 由于單相交流調壓電路帶電阻性負載主電路主要原件是晶閘管，所以選取原件主要考慮晶閘管的參數及選取原則。1、額定電壓TNU通常取斷態(tài)重復峰值電壓UDRM和反向重復峰值電壓URRM中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓應為正常工作峰值電壓UTM的23倍，以保證電路的工作安全。因此晶閘管額定電壓： 2、額定電流I(AV)又稱為額定通態(tài)平均電流，國標規(guī)定為晶閘管在

11、環(huán)境溫度為40°C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許留過的最大貢品正弦半波電流的平均值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流要注意的是若晶閘管的導通時間遠小于正弦波的半個周期即使正向電流值沒超過額定值，但峰值電流將非常大，可能要超過管子所能提供的極限，使管子由于過熱而損壞。使用時應按十幾電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管，而且應留有一定的裕量，一般取1.52倍。正弦半波電流平均值I(AV)電流有效值I和電流最大值Im三者的關系為： 各種有直流分量的電流波形，其電流波形的有效值I與I(AV)之比，稱為這個電流的波形系數，用Kf表示。因

12、此在正弦半波情況下電流波形系數為： 晶閘管承受的最大電壓為： 考慮到23倍的安全裕量，則晶閘管的額定電壓為： 那么單獨流過一個晶閘管的電流有效值為： (考慮（1.52）倍的安全裕量則晶閘管的額定電流為： 3、 負載R：  五、仿真(一）、仿真平臺與過程1、multisim軟件介紹 Multisim 是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了S

13、PICE仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。 2、仿真過程 第一步：添加原器件 第二步：根據已經設計好的圖紙，在電路中將各個原器件連接好線，完成電路連接。 第三步：啟動仿真，觀察運行狀態(tài)，由仿真中出現(xiàn)的問題來排查線路錯誤，故障。 第四步：觀察輸出波形，調整器件參數，從而使仿真運行在最佳狀態(tài)。（二）、仿真分析1、=0°時，輸入電壓的波形圖：2、=45

14、76;時，電路中輸出電壓的波形圖：4、=135°時，電路中輸出電壓的波形圖： 5、輸出電壓為100V,輸出電流為220A時，118.1°：此時觸發(fā)脈沖波形圖：輸出電壓波形圖：晶閘管波形圖：從以上波形圖可知，主電路、控制電路設計正確。五、心得體會 這次課程設計，我學到很多有關我們專業(yè)知識方面的知識，豐富了自己的知識點，使自己得到提升。同時對multisim仿真有了新的認識。multisim提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分 析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量編寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。適應面廣、結構和流程清晰、仿真精細、貼近實際、效率高、靈

15、活等優(yōu)點。multisim提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調用，再將它們連接起來就可以構成所需要的系統(tǒng)模型，進而進行仿真與分析。 在電路進行仿真的過程中，開始會經常遇到問題：線路連接錯誤、參數設置等。這次課程設計增強了自己的設計和理論聯(lián)系實際的能力，加深對multisim軟件功能的理解，學會了如何用multisim設計三相交流調壓器，學會分析理論與實際之間的誤差，為以后理論在實踐中的應用打下一個很好的基礎 。其次懂得了各個課程知識不是孤立的，而是相互之間聯(lián)系的，我們要學會綜合理解知識點以及運用各知識。這次課程設計涉及到了電力電子技術、電路、數學，控制等眾多知識面，因而我們需要把把各個學科之間的知識融合起來，形成一個整體，提升了自己的綜合知識素養(yǎng)?？偠灾?，這無疑提高了我們理論知識的運用能力，這將對我們今后的學習或者實習和以后參加工作都將產生一定的影響。 六、參考文獻1王兆安，黃俊主編電力電子技木第四版北京：機械工業(yè)出版社。2王云亮主編電力電子技術第一版北京：電子工業(yè)出版社。3梁廷貴主編現(xiàn)代集成電路實