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1、湖南科技大学信息与电气工程学院课程设计报告题 目：基于集成电路的三相交流调压器仿真专 业：电气工程及其自动化班 级：姓 名：学 号：指导教师：年 月 日信息与电气工程学院课程设计任务书20142015学年第2学期专业：电气工程及其自动化 班级：学号：姓名：课程设计名称： 电力电子技术课程设计 设计题目：基于集成电路的三相交流调压器仿真（电机：110V, 200A，普通晶闸管）完成期限：自 2015 年 6 月 15 日至 2015 年 6 月 19 日共 1 周设计依据、要求及主要内容一、设计依据基于集成电路的三相交流调压器仿真电源：220V输出：110V、200A选择器件：普通晶闸管（SCR
2、）二、要求及主要内容1确定直流电动机型号；2主电路、保护电路、控制电路设计；3主电路元件的参数计算与选择；4平波电抗器的参数计算与选择；5计算整流变压器参数、选择其容量和规格；6主电路中过电压过电流保护电路的选择及相应电路元件的计算与选择；7绘制主电路、保护电路、控制电路设计电气系统原理图；8写出课程设计报告。其中设计报告要包括有设计的目的，设计原理，设计参数的计算，元器件选型，器件表，电路图的设计说明以及设计的心得等；设计报告3000字以上；指导教师（签字）：批准日期：2015 年 6月 10日评语： 成绩：评阅人： 日期：摘要设计基于集成电路的三相交流调压器的电力电子电路并选取合适的器件参
3、数，在设计过程中要重视设计计算、电路图绘制及整体调试，设置元器件的参数，提高结果的准确性，使仿真能够精确地进行。关键词：集成电路 三相交流调压器电阻目 录一、实验目的和意义5二、实验原理（原理论述、原理图）51、multisim软件介绍52、单相交流调压原理73、三相交流调压原理74、控制触发电路7三、器件选型81、三相交流调压器电路计算与选型82、控制电路计算和选型93、保护电路选型12四、Multisim仿真121、仿真平台122、仿真过程123、仿真结果与分析124、结论15五、实验总结15六、参考文献16一、实验目的与意义电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学
4、科交叉而成的，已成为现代电气 工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养本专业人才中占有重要地位。随着电力电子技术应用的不断发展，对电力电子器件性能指标和可靠性的要求也日益苛刻。具体而言，要求电力电子器件具有更大的电流密度、更高的工作温度、更强的散热能力、更高的工作电压、更低的通态压降、更快的开关时间，而对于航天和军事应用，还要求有更强的抗辐射能力和抗振动冲击能力。电力电子课程设计的目的在于进一步巩固和加深所学的电力电子基础知识。使学生能综合运用相关课程的基本知识，培养学生检索文献的能力，特别是利用网络检索需要的文献资料，培养学生综合分析问题、发现问题，解决问题的能力。以及方案选择等。树
5、立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意提高分析和解决实际问题的能力；迅速准确的进行工程计算的能力，计算机应用能力；用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。通过课程实际使学生认识到理论与实践相结合的重要性，只靠从书本上学到的知识是远远不够的，显示的生活中需要更为丰富的知识，只有把硕学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在在课程设计工程中查阅资料，了解查阅资料的重要性，鼓励他们克服心理上的不良情绪，不断的学习和解决难题，不断磨练学生意志的过程。通过课程设计是学生所学的基础理论知识得到巩固，并使
6、学生可以运用所学理论知识解决实际问题的初步训练。进一步提高学生的分析、综合能力以及工程设计中分析设计的基本能力，为今后的毕业设计做必要的准备，并为毕业后的工作学习打下了很好的基础。二、实验原理（原理论述、原理图）1、multisim软件介绍Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPI
7、CE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。2、单相交流调压原理所谓单相交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出交流电压的有效值。其输出波形是对称的，设正、负半波的控制角均为a。当负载电阻为R，输入的电源电压有效值为U1，则此电路的基本电气参数如下：1.负载电阻R上的交流电压有效值：2.负载电阻R上的电流有效值：3、三相交流调压原理根据三相联结形式的不
8、同，三相交流调压电路句有多种形式。本次仿真主要是对星形联结电路的工作原理和特性进行分析。通过对三星三相三线负载星型联结交流调压电路图分析可得，任一相在导通时必须和另一相构成回路。因此和三相桥式全控整流电路一样，电流流通路径中有两个晶闸管，所以应采用双脉冲或宽脉冲触发。 三相的触发脉冲应依次相差120，同意向的两个反并联的晶闸管触发脉冲应相差180。因此和三相桥式全控整流电路一样，触发脉冲顺序也是VT1VT6，依次相差60。4、控制触发电路555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极型（TTL）工艺制作的称为 555，用 互补金属氧化物（CMOS ）工艺制作的称为 7555
9、，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入
10、端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为低电平。三、器件选型1、三相交流调压器电路计算与选型三相交流调压器的触发信号应与电源电压同步，其控制角是从各自的相电压过零点开始算的。它由三个单相晶闸管交流调压器组合而成，三相负载接成Y形，公共点为三相调压器中线，其工作原理和波形与单相交流调压相同，图中晶闸管触发导通的顺序为VT1VT2VT6。由于存在中性线，每一相可以作为一个单相的调压器单独分析，各相负载电压和电流仅与本相的电源电压、负载参数及控制角有关。整流电压平均值的计算分两种情况：由于
11、晶闸管阴极与零线间的电压即为整流输出电压0U，其最小值为零，而晶闸管阳极与零线间的最高电压等于变压器二次相电压的峰值，因此晶闸管与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值。为了保证三相交流调压电路的正常工作，其晶闸管的触发系统应满足下列要求：1、在三相电路中至少有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通。2、为了保证电路起始工作时两个晶闸管能同时导通，并且在感性负载和控制角较大时，也能使不同相的正、反两个晶闸管同时导通，要求采用宽脉冲，或者双窄脉冲触发电路。3、各触发信号应与相应的交流电源电压相序一致，并且与电源同步。2、控制电路计算和选型三相交流调压器的主电路中所用到得器件主要有220
12、V三相交流电源，6个反并联的晶闸管，还有三个电阻负载。其中6个反并联的晶闸管可用三个双相晶闸管代替，也可以用一个串联谐振代替2个反并联的晶闸管。晶闸管的选择：2.1选择正反向电压可控硅在门极无信号，控制电流Ig为0时，在阳(A)一一阴(K)极之间加正向电压，(J2)处于反向偏置，所以，器件呈高阻抗状态，称为正向阻断状态，若增大而达到一定值，可控硅由阻断突然转为导通，这个值称为正向转折电压，这种导通是非正常导通，会减短器件的寿命。所以必须选择足够正向重复阻断峰值电压。在阳一一阴极之间加上反向电压时，器件的第一和第三PN结(J1和J3)处于反向偏置，呈阻断状态。当加大反向电压达到一定值时可控硅的反
13、向从阻断突然转变为导通状态，此时是反向击穿，器件会被损坏。而且和值随电压的重复施加而变小。在感性负载的情况下，如磁选设备的整流装置。在关断的时候会产生很高的电压( =-Ldi/dt)，如果电路上未有良好的吸收回路，此电压将会损坏可控硅器件。因此，器件也必须有足够的反向重复峰值电压。可控硅在变流器(如电机车)中工作时，必须能够以电源频率重复地经受一定的过电压而不影响其工作，所以正反向峰值电压参数、应保证在正常使用电压峰值的2-3倍以上，考虑到一些可能会出现的浪涌电压因素，在选择代用参数的时候,只能向高一档的参数选取。2.2选择额定工作电流参数可控硅的额定电流是在一定条件的最大通态平均电流，即在环
14、境温度为+40和规定冷却条件，器件在阻性负载的单相工频正弦半波，导通角不少于l70的电路中，当稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。而一般变流器工作时，各臂的可控硅有不均流因素。可控硅在多数的情况也不可能在170导通角上工作，通常是少于这一角度。这样就必须选用可控硅的额定电流稍大一些，一般应为其正常电流平均值的1.5-2.0倍。2.3 选择门极(控制级)参数可控硅门极施加控制信号使它由阻断变成导通需经历一段时间，这段时问称开通时间，它是由延迟时间和上升时间组成。从门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%，这段时间称为延时时间； tr是阳极电流从l0上升到稳态值的90所经历的时间
15、。可见开通时间与可控硅门极的可触发电压、电流有关，与可控硅结温，开通前阳极电压、开通后阳极电流有关，普通可控硅的在10s以下。在外电路回路电感较大时可达几十甚至几百s以上(阳极电流的上升慢)。在选用可控硅时，特别是在有串并联使用时，应尽量选择门极触发特征接近的可控硅用在同一设备上，特别是用在同一臂的串或并联位置上，这样可以提高设备运行的可靠性和使用寿命。如果触发特性相差太大的可控硅在串联运行时将引起正向电压无法平均分配，使较长的可控硅管受损，并联运行时较短的可控硅管将分配更大的电流而受损，这对可控硅器件是不利的，所以同一臂上串或并联的可控硅触发电压、触发电流要尽量一致，也就是配对使用。在不允许
16、可控硅有受干扰而误导通的设备中，如电机调速等，可选择门极触发电压、电流稍大一些的管子(如可触发电压2V，可触发电流150mA)以保证不出现误导通，在触发脉冲功率强的电路中也可选择触发电压、电流稍大一点的管。在磁选矿设备中，特别是旧的窄脉冲触发电路中，可选择一些、低一些的管子，如1.5V、在100mA以下。可减少触发不通而出现缺相运行。以上所述说明在某些情况下应对和参数进行选择。(以上举例对500A的可控硅参考参数)2.4 选择关断时间(tg)可控硅在阳极电流减少为0以后，如果马上就加上正向阳极电压，即使无门极信号，它也会再次导通，假如在再次加上正向阳极电压之前使器件承受一定时间的反向偏置电压，
17、也不会误导通，这说明可控硅关断后需要一定的时间恢复其阻断能力。从电流过0到器件能阻断重加正向电压的瞬间为止的最小时闻间隔是可控硅的关断时间，由反向恢复时间和门极恢复时间构成，普通可控硅的约150-200s，通常能满足一般工频下变流器的使用，但在大感性负载的情况下可作一些选择。在中频逆转应用，如中频装置、电机车斩波器，变频调速等情况中使用，一定要对关断时间参数作选择，一般快速可控硅(即kk型晶闸管) 的关断时间在10-50s，其工作频率可达到1K-4KHZ；中速可控硅(即KPK型晶闸管)的关断时间在60-100s，其工作频率可达几百至lKHZ，即电机车的变频频率。3、保护电路选型关于这个保护电路
18、，考虑在主电路中加入熔断器，根据电流要求选择40A的熔断器进行保护。四、Multisim仿真1、仿真平台 multisim软件2、仿真过程先进行单相仿真，在进行三相交流仿真。单相调压后的波形3、仿真结果与分析再进行三相的实验 首先确定三相的电源频率50赫兹 依次滞后120度 =30=60=90主电路4、结论通过自己的努力和相关资料的查询，做出了关于单相交流调压的电路和三相交流调压的电路，并成功仿真。在不同的角度之下，可以变换出不同的电压。五、实验总结这次课程设计，我学到很多有关我们专业知识方面的知识，丰富了自己的知识点，使自己得到提升。同时对multisim仿真有了新的认识。multisim提
19、供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量编写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。适应面广、结构和流程清晰、仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点。multisim提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。在电路进行仿真的过程中，经常遇到这样那样的问题。如：线路连接错误、参数设置等。这次课设增强了自己的设计和理论联系实际的能力，加深对multisim软件功能的理解，学会了如何用mult
20、isim设计三相交流调压器，学会分析理论与实际之间的误差，为以后理论在实践中的应用打下一个很好的基础。其次懂得了各个课程知识不是孤立的，而是相互之间联系的，我们要学会综合理解知识点以及运用各知识。这次课程设计涉及到了电力电子技术、电路、数学，控制等众多知识面，因而我们需要把把各个学科之间的知识融合起来，形成一个整体，提升了自己的综合知识素养。六、参考文献1 编者：贺益康、潘再平，电力电子技术（第二版）.北京：科学出版社，2010年7月 2编者：蒋珉 ，MATLAB程序设计及应用 M. 北京：北京邮电大学出版社，2010年3月 3 编者：吴文辉，电气工程基础M.武汉：华中科技大学出版社，2013年2月 4 编者：刘叔军，MATLAB7.0控制系统应用于实例.北京：机械工业出版社，2006年1月5 编者：刘树堂，现代线性系统-使用MATLAB，西安：西安交通大学出版社，2002年5月
