大型電氣課程設(shè)計(jì)報(bào)告-交直流通用型調(diào)壓器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、大型電氣課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)題 目：交直流通用型調(diào)壓器設(shè)計(jì)專 業(yè)： 13 電氣工程及其自動(dòng)化 1班姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)老師： 王錦輝 雷美珍時(shí)間：2016年10月一2016年11月浙江理工大學(xué)本科大型電氣課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課題名稱交直流調(diào)壓（調(diào)速）器設(shè)計(jì)主要任務(wù)一、主要任務(wù)1、設(shè)計(jì)出通用型交直流調(diào)壓器，可用于直流電機(jī)及單相交流電機(jī)的調(diào)速。2、輸入電源：220V, 50Hz單相交流電源。3、輸出：交流調(diào)壓：0220V AC直流調(diào)壓：0220V DC功率：大于或等于 500W4、能通過(guò)簡(jiǎn)單的改變接線實(shí)現(xiàn)交、直流調(diào)壓器輸出的切換。5、具有過(guò)流保護(hù)功能。主要內(nèi)容本課題主要研究交直流調(diào)壓器的工作原理與設(shè)計(jì)，采用單

2、向橋式全波整流，同步信號(hào)獲取，鋸齒波信號(hào)獲取，利用反相器放大電路方向，與控制電壓通過(guò) 電壓比較器比較，經(jīng)推挽電路放大驅(qū)動(dòng)佶號(hào)功率，調(diào)節(jié)控制電壓控制MOSFET導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓目的。該同學(xué)主要，作是各模塊控制電路的設(shè)計(jì)，實(shí)際 電路的焊接、測(cè)試與實(shí)現(xiàn)?；緝?nèi)容：1、設(shè)計(jì)交直流調(diào)壓器總體方案；2、主回路設(shè)計(jì)；3、同步信號(hào)、鋸齒波發(fā)生電路設(shè)計(jì)；4、調(diào)壓控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)；5、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路與過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)；6、記錄波形分析數(shù)據(jù)。主要參 考資料 及義獻(xiàn) 閱讀任務(wù)一、主要奔支文獻(xiàn)1、電力電子技術(shù)，王兆安，機(jī)械工業(yè)出版社；2、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及工程應(yīng)用，林敏，國(guó)防工業(yè)出版社；浙江理工大學(xué)大型

3、電氣課程設(shè)計(jì)摘要電力電子技術(shù)主要是研究各種電力電子器件，以及這些器件構(gòu)成的裝置，對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。它包括對(duì)電壓、電流波形和相數(shù)等的變換。電能變 換技術(shù)一直為電工界的重要研究課題。 器件、電路及其應(yīng)用是電力電子技術(shù)的主 要研究?jī)?nèi)谷。本設(shè)計(jì)介紹了交流調(diào)壓器電路的設(shè)計(jì)原理、工作過(guò)程、波形以及主電路中所 用器件的參數(shù)計(jì)算。通過(guò) MOSFET動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)調(diào)壓電路的控制，最后可實(shí)現(xiàn)外 接220V電壓同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)電燈的亮度調(diào)節(jié)。另外，為了保證 MOSFET動(dòng)器件及電路能夠長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行工作，必須采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。 因此，本設(shè)計(jì)還加入了短路保護(hù)電路，當(dāng)電路中發(fā)生短路時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電路有效保

4、 護(hù)，當(dāng)短路解除后，電路正常工作。關(guān)鍵詞：交直流調(diào)壓；短路保護(hù)；MOSF邸動(dòng)電路浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)交宜流通用型調(diào)壓器設(shè)計(jì).系統(tǒng)概述設(shè)計(jì)指標(biāo)1）設(shè)計(jì)出通用型交直流調(diào)壓器，可用于直流電機(jī)及單相交流電機(jī)的調(diào)速。2）輸入電源：220V, 50Hz單相交流電源。3）輸出：交流調(diào)壓：0220V AC直流調(diào)壓：0 200V DC功率：大于500W4）能通過(guò)簡(jiǎn)單的改變接線實(shí)現(xiàn)交、直流調(diào)壓器輸出的切換。5）具有過(guò)流保護(hù)功能。設(shè)計(jì)要求分析1）主回路可以采用但功率 MOSFET制的交、直流通用型調(diào)壓電路，通過(guò)簡(jiǎn)單 的變換接線方式，實(shí)現(xiàn)輸出的交流、直流變化。2）設(shè)計(jì)合理的同步電路，解決導(dǎo)通控制信號(hào)與主電路的

5、同步問(wèn)題。導(dǎo)通控制信 號(hào)為MOSFET動(dòng)信號(hào)，不能采用原用于可控硅 SCR勺觸發(fā)脈沖信號(hào)。3）設(shè)計(jì)合理的MOSFET動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路的控制，要簡(jiǎn)單，低耗。4）由于要與主電源同步，驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)與同步電路協(xié)調(diào)，輸出與電源同步的信號(hào)5）由于是可關(guān)斷的MOSFET件，應(yīng)能設(shè)計(jì)出更好的過(guò)流保護(hù)電。系統(tǒng)總體框圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)控制電路應(yīng)該包括如下電路單元:直流輸出交流輸出浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)2硬件電路設(shè)計(jì)2.1 主回路工作原理：1）作為直流調(diào)壓器使用時(shí)，短路1、2端子，負(fù)載接入3、4端子，控制MOSFET 器件的通斷，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。2）作為交流調(diào)壓器使用時(shí)，短路3、4端子，負(fù)載接入1、2端子。本電

6、路中的MOSFET件采用IRFP450場(chǎng)效應(yīng)晶體管。同步信號(hào)電路同步信號(hào)的目的就是與主電源的過(guò)零點(diǎn)同步起來(lái)。同步獲取電路與電源電路結(jié)合，省掉同步信號(hào)的變壓器繞組，直接通過(guò)主電源電路的整流電路來(lái)獲取。具體電路設(shè)計(jì)如下：浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)51V -O. D2. D3C1 ：,ZiGBQpF.4UKrXJ47。4口 1C3BA682BA682 VC bT 1RC4F.LI黨后4I12VU1R1-AA 1KQ R2-AA/V-LM7912CT- .HT-WV ：Qi 10KQ：IR4：?WkQ |Q2 2N22S12N2221其中，D5起隔離作用，這樣UA的波形為全波整流波形，不受后級(jí)的濾波

7、電 容影響。R1, R2, C3為濾波電路，由于回路工作模式為波形切塊運(yùn)行，會(huì)引入 很多的諧波分量，如不加濾波電路易受干擾，尤其是輸出電壓低時(shí)。工作時(shí)，可 以得到C點(diǎn)的與主回路過(guò)零點(diǎn)同步的短路信號(hào)，每次主回路過(guò)零時(shí)， C點(diǎn)均受到 短路，保持與主回路的同步關(guān)系。鋸齒波發(fā)生電路設(shè)計(jì)有了同步信號(hào)后，需產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波信號(hào)，又鋸齒波信號(hào)來(lái)獲取調(diào)壓控制信 號(hào)就相對(duì)簡(jiǎn)單了，所以需要利用同步信號(hào)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波波形。具體電路如下：Q2 - -2N2221Q3 ：.M2V51kQ :;2N1132A浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)鋸齒波發(fā)生電路是由同步信號(hào)與恒流充電電路組成，其中，R5 R& R7、T3構(gòu)成一個(gè)恒流

8、充電電路，給 C4電容充電，恒流電流計(jì)算公式：R6 12-0.7-12R5 ReI R7由于后級(jí)比較電路采用運(yùn)放單電源工作方式構(gòu)成，所以輸入電壓不能到 0, 為此電路中可以墊入一個(gè)二極管 D6,使鋸齒波波形最低電壓變?yōu)?0.7V,為后級(jí) 電路正常工作做準(zhǔn)備。調(diào)壓控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路為了得到調(diào)壓控制信號(hào)，將 皿4電壓波形進(jìn)行處理，可以運(yùn)用運(yùn)放的反相放 大電路。與控制電壓Uk作比較時(shí)可以得到不同導(dǎo)通角度的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓 控制的目的。反相放大電路如下所示：*12VR7 ； 51kQR2R5 1OkQ2N1132A*R6 1OKQn VQCM324ADVAVA ：二：200kDCl 土q.i聽(tīng):：

9、RIUK和輸電蚱R4VA-*BR3-VW200kD：-. i i.:里動(dòng)伸手LM324AD輸出：C2 ：Q1UF浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)MOSFE驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)MOSFET以選用專用的驅(qū)動(dòng)電路，但對(duì)于本電路而言，由于工作頻率 降低而且沒(méi)有調(diào)制的高頻，所以驅(qū)動(dòng)電路可以選用簡(jiǎn)單的推算電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 具體 電路如下：VCC：R6：5.1kCR1An2N2221 R2*WVQ3 2200IRFP441 D1 點(diǎn)一2N1132A二二 K 二 BA6821 -過(guò)電流保護(hù)電路由于主回路有電流采樣電阻獲得了電流信號(hào)， 利用這個(gè)信號(hào)設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的 過(guò)流保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的可靠保護(hù)。RTvcc12V:ikaR6

10、 SCl IkQ ： Dd BA6B2U1 :IC1 6iok；o浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體線路圖綜上所述得到上圖的系統(tǒng)總電路圖，其中電位器調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào) 節(jié)，控制電路為開(kāi)環(huán)控制方式。3系統(tǒng)方案驗(yàn)證在同步信號(hào)獲取電路中，上面的設(shè)計(jì)電路采用的是全波整流電路，在實(shí)際電路中采用的是半波整流電路。同步信號(hào)的獲取同信號(hào)獲取電路采用與電源供電電路同一變壓器繞組， 節(jié)省了一個(gè)繞組，這 樣的設(shè)計(jì)能取得同步信號(hào)，對(duì)電源電路有影響，電源電路的電壓會(huì)變小了，同類 型的電路可以采用半波整流電路。具體仿真電路如下圖：把D 怕 ftMLraw浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)綠色曲線A點(diǎn)整流仿真藍(lán)色曲線一一

11、B點(diǎn)尖峰脈沖圖中正弦波為A點(diǎn)電壓波形，當(dāng)A點(diǎn)電壓波形過(guò)零點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的沖激 波形，實(shí)現(xiàn)與電源電壓的同步，便實(shí)現(xiàn)與主回路的同步。紅色曲線A點(diǎn)整流仿真綠色曲線一一T2輸出點(diǎn)(C點(diǎn))電壓波形個(gè)短路信號(hào)，保持與圖中當(dāng)A點(diǎn)電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)，T2輸出點(diǎn)便會(huì)短路，相當(dāng)于 主回路的同步。鋸齒波信號(hào)發(fā)生電路在鋸齒波發(fā)生電路上，其電路是由同步信號(hào)與恒流充電電路組成，其中R5Ra R7、T3構(gòu)成一個(gè)恒流充電電路，給 C4電容充電，恒流電流可以計(jì)算：,(12-0.7-R)*12I 二R7假設(shè)鋸齒波幅值最高為6V,因?yàn)殇忼X波幅值最高要6V,所以PNP的B級(jí)電 壓要高于6V,所以取R5=10K,R6=204,得到(1

12、2 -0.7 -8)二 0.05mA68K充電電壓：0.75.7V所以 C4=Q/ U= 0.1uF 。在反相放大電路中，R10=10K R11=20K求得兩電阻中的電壓為 U=4V(Uc4-U)/R8=(U-U d)/R9根據(jù)斜率的變化可以估算出 R9/R8=1/2;由此可以得出 R8=10K,R9=20K.具體仿真電路如下圖所示：浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)上Drft31 ,raw4VSI m ?(|11十m 0VW2V8V4V口 I2.L LIO.。如圖波形是C點(diǎn)波形和B點(diǎn)波形的疊加效果，可以看出鋸齒波的每個(gè)波形之 間都有小段間隔，中間的間隔便是同步信號(hào)時(shí)間。（電路中可以墊入一個(gè)二極管，

13、 使鋸齒波到最低電壓變?yōu)?.7V）驅(qū)動(dòng)信號(hào)的獲取驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用反相比較器電路，而比較器由運(yùn)放組成，運(yùn)放為單電源供電。 這樣在輸入控制電壓 U從0上升時(shí)，在低數(shù)值0時(shí)會(huì)造成比較器失控，為了克 服這一問(wèn)題，可以在電源輸入的電路前加一個(gè)二極管 D6,使得U最低電位從0.7V 開(kāi)始。綠色曲線一一鋸齒波信號(hào)藍(lán)色曲線一一反相放大調(diào)制信號(hào)浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)總體波形整合各波形，得到總體波形如下圖:Vn003是A點(diǎn)的電壓變化曲線;Vn013是B點(diǎn)的電壓變化曲線;Vn014是C點(diǎn)的電壓變化曲線;Vn002是D點(diǎn)的電壓變化曲線;Vn012是E點(diǎn)的電壓變化曲線。4電路板設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)允許安裝尺寸，設(shè)計(jì)相應(yīng)電

14、路板板，盡量減少板的面積以節(jié)省 成本。電路板面積受限時(shí)，宜采用直插元器件與貼片器件相結(jié)合的方法。注意直插元器件需放置在正面，背面焊接；貼片元件需在背面焊接。為提高焊接質(zhì)量， 降低焊接難度，貼片元件PCB4寸裝均比實(shí)物封裝大一個(gè)等級(jí)。電阻電容等均以 1206型號(hào)PCB寸裝對(duì)應(yīng)實(shí)物0805型號(hào)。5電路焊接電路焊接部分也是本課程設(shè)計(jì)需要注意的一部分，焊接需注意以下幾點(diǎn)：1）初次接觸貼片元件焊接的同學(xué)，在焊接時(shí)宜先用焊錫點(diǎn)一下焊盤一端，用銀 子擺正元件，先完成一邊的焊接，再完成另一邊。掌握一定技巧后，可以用 焊錫點(diǎn)焊盤兩端，再用焊槍蘸點(diǎn)焊錫直接吸附元件放置在焊盤之上。2）焊接時(shí)還需注意先低后高的原則，

15、同時(shí)對(duì)于有方向的元器件一定要注意焊接浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)方向，如二極管、三極管等。3）本設(shè)計(jì)需要焊接接線端子以及變壓器等模塊，這些模塊所需引腳比較粗，因 此焊接之前需對(duì)電路板進(jìn)行打孔。4）焊接直插元器件時(shí)，一定要主要直插期間位置的放置，焊接完成之后需確認(rèn) 器件是否焊接固定住。5）焊接時(shí)一定要注意，不能虛焊。具體焊接電路板如下圖：浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)6系統(tǒng)調(diào)試實(shí)物焊接完成之后，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試所需器件：示波器、萬(wàn)用表、焊槍焊絲、導(dǎo)線等。電路波形檢測(cè)首先通過(guò)示波器測(cè)試電路，顯示各部分電路的輸出波形，具體波形如下：1）整流信號(hào)系統(tǒng)的輸入信號(hào)為220V的交流電壓，需通過(guò)整流橋電路

16、，將交流電壓整流 為直流電，然后進(jìn)行各信號(hào)的獲取和檢測(cè)。具體整流波形如下圖所示：以上波形便是經(jīng)過(guò)整流橋之后的全波整形波形。削頂部分為同步信號(hào)。2）同步信號(hào)同步信號(hào)的目的就是與主電源的過(guò)零點(diǎn)同步起來(lái)。具體波形如下圖所示:浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)3）鋸齒波信號(hào)通過(guò)鋸齒波發(fā)生電路，便可得到一個(gè)正向鋸齒波。4）反相鋸齒波將得到的正向鋸齒波電路通過(guò)反向放大電路，便可實(shí)現(xiàn)波形的反向，得到反 向鋸齒波。浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)5）驅(qū)動(dòng)信號(hào)將反向鋸齒波與控制電壓分別輸入至比較器的兩端，通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓的大小，便可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的可控輸出。短路保護(hù)檢測(cè)當(dāng)電路中發(fā)生短路時(shí)，電路中的短路保護(hù)電路工作，便可關(guān)斷MOSFET動(dòng)浙江理工大學(xué)大型電氣課程設(shè)計(jì)電路，控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷，電路停止工作；當(dāng)短路故障解除之后，采樣電路便 可將信息反饋給保護(hù)電路，停止關(guān)斷電路，電路正常工作。7心得體會(huì)將近一個(gè)月的課程設(shè)計(jì)，使我受益匪淺。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)有了更深入的了解。如整流電路、 鋸齒