电力电子技术课程设计论文单相交流调压实验装置.doc

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1、 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）电力电子技术课程设计（论文）题目：单相交流调压实验装置本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目单相交流调压实验装置课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能为了电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、观察单相交流调压电路的各种参数及波形，通过实验验证所学的理论知识。设计任务1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、通过计算选择器件的具体型号。4、触发电路设计。5、绘制相关电路图。6、完成4000字左右

2、说明书。要求1、 1、文字在4000字左右。2、 2、文中的理论分析与计算要正确。3、 3、文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。技术参数1、交流电源：单相220V。2、输出电压在0220V连续可调。3、输出电流最大值5A。4、负载为电阻负载或阻感负载。5、根据实际工作情况，最小控制角取20300左右。进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：主电路设计；第5天：选择器件；第6天：触发电路设计；第7天：保护电路设计；第8天：电路调试或仿真；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月

3、 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要本文主要介绍单相交流调压实验装置的设计。单相交流调压电路是电力系统中应用最为广泛的交流电力控制系统之一，其晶闸管利用电源自然换相，无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，具有调速快，控制方便，重量轻、体积小等优点，具有很大的发展空间。交流调压电路主要应用在电热控制、交流电动机速度控制、灯光调节、温度调节、交流电机的调压调速、变压器初级调压等场合，但它自身也存在功率因数较低，易产生高次谐波等缺点。本文旨在设计一种实用可靠的交流调压装置，以满足电力电子技术课程的教学实验的需求。关键词：单相 交流 调压 实验装置 设计V目 录

4、第1章 绪论11.1 电力电子技术概况11.2 本文研究内容2第2章 单相交流调压电路实验装置的设计2.1 单相交流调压电路实验装置总体设计方案22.2 具体电路设计32.2.1 主电路设计42.2.2 控制设计42.2.3 保护电路设计72.3 数据分析与元器件型号的选择82.4 系统调试或仿真10第3章 课程设计总结12参考文献13第1章 绪论1.1 电力电子技术概况电力电子技术已迅速发展成为一门独立的技术和科学领域，它是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。电力电子技术包括电力电子器件，变流电路和控制电路三部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发

5、展，电力电子技术与现代控制理论，材料科学，电机工程，微电子技术等诸多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。电力电子技术本身是大功率的电技术并以半导体为基本材料。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术，其主体电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。近些年来一些新器件的研制成功使电力电子系统的体积、重量、效率、性能

6、等各方面指标不断提高，它将使电力电子技术发展到一个更新的阶段。与此同时，电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置的计算机仿真技术也在不断发展。历经整流器时代，逆变器时代和变频器时代的发展，电力电子技术日臻成熟。当前电力电子技术作为节能、节材、自动化、智能化和机电一体化的基础，正朝着技术高频化，硬件结构模块化，控制技术数字化，产品性能绿色化发展。当前，电力电子技术作为电工技术中的新技术，对未来输电性能将产生重大影响。在我国，电力电子技术产业是一个年轻但极具发展前途的产业，以电力半导体器件及变频技术为核心的电力电子行业必将有着更为光明的前景。本次设计装置的主体单相交流调压装置在现实生活中同样有着广

7、泛的应用，如舞台的灯光调节，工频、感应加热，交流电机的调压调速等，其具有控制方便，调节速度快等优点，具有很大的发展空间。1.2 本文研究内容本文主要内容是设计一种交流调压装置，通过实验装置的设计思路和设计结果，最后证明实验装置的性能可靠，可以使学生通过该装置测试观察交流调压电路的参数及波形，验证所学的理论知识。具体研究内容可分为以下部分：1、 单相交流调压电路总体设计方案的论证与叙述；2、 单相交流调压主电路的设计及与原理说明；3、 触发电路的设计，每个开关器件的触发顺序及相位分析；4、 保护电路的设计，过电压保护，过电流保护的原理分析；5、 根据具体要求选择与案件的型号，电路参数的计算；6、

8、 系统的仿真与图像分析。由以上要求可以具体将此装置设计分为以下四个部分：主电路的设计、触发电路设计、保护电路设计，系统参数的计算和仿真分析。下面分别作详细介绍。第二章 交流调压电路实验装置的设计2.1交流调压电路总体设计方案本次课程设计的目的是设计交流调压电路试验装置。方案图如下图所示。首先由220V交流电作为输入，经过变压变为30V驱动以KC05为主体的触发电路工作，同时交流电压加到主电路上，在触发电路的作用下，晶闸管依次导通，在每半个周期内对晶闸管开通相位的控制，可以方便的实现交流调压。从总体设计上来看，本次试验要求的精度相对不是太高，触发电路用KC05就能很好的满足要求，而且KC05相对

9、性价比较高，因此选用它作为主电路的触发电路，本实验装置对流过电路的电流要求为5A，那么可以计算流过晶闸管的电流就是3.53A，因此可以看出事实上流过晶闸管的电流不是很大，选取普通的晶闸管就足以满足要求，本次实验的电压为交流电压220V，因此对晶闸管的耐压值要求较高，实际选取中还要考虑到安全裕量，电压值选取为耐压值为500V左右，电流值为7A左右的晶闸管，同时实验室的温度和湿度是经过保证的，因此可以忽略掉这方面对元器件造成的影响，最终我选取了型号为T21210的普通螺栓型晶闸管，其耐流值为10A，最小耐压值为600V，足以满足实验要求。由于晶闸管属于比较脆弱的电力电子元件，因此我在试验装置中加了

10、以阻容元件和快速熔断器为保护设施的保护电路，这样可以确保在过电流或过电压下晶闸管不至于损坏，从技术上来看此套实验装置接线简单易行，可靠性较高，经过后期的仿真实验可以看出，本装置完全可以满足最基本的实验需求。最后经过具体论证，方案图如下图所示。图1 单相交流调压电路的总体设计方案图2.2 具体电路设计2.2.1主电路设计单相交流调压主电路图如图2所示。两个晶闸管VT1和VT2反并联串联在交流电路中，在每半个周期内对晶闸管开通相位的控制，可以方便的实现交流调压。本套实验装置是针对纯电阻负载R设计的，在电阻负载时，晶闸管的导通角只与控制角a有关，正负半周起始时刻（a=0）的时刻均为电压过零时刻，在稳

11、态状况下，应使正负半周的a相等。的移相范围应是0a，。对脉冲触发的要求除了要保证与电源同步外，脉冲本身的宽度也要保证晶闸管能够导通。根据题目要求取最小导通角为20300左右。 图2 2.2.2控制设计晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要要的时刻有阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求：1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，对反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发；2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外场合，脉冲电流的幅度应增加为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也许增加，一般需达1-2A/us；3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功

12、率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；4）有良好的的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。 触发电路的选择根据以上要求分析，采用KC05移相触发器进行触发电路的设计。其引脚如图3所示。KCO5可控硅移相触发器适用于双向可控硅或两只反向并联可控硅的交流相位控制。该触发器适用于双向晶闸管或两只反向并联晶闸管电路的交流相位控制，具有锯齿波线性好，移相幅度宽，控制方式简单，易于集中控制，输出电流大等优点，是交流调压电路的理想电路。触发电路的工作原理KC05晶闸管移相触发器内部电路原理图如图4所示。V1、V2组成同步检测电路，当同步检测电压过零时V1、V2截止，从而使V3、V4、V5导通，V

13、4导通，使V11基极被短接，V11截止，V5对外接电容C1充电到8V左右。同步电压过零结束时，V1、V2导通，V3、V4、V5恢复截止，C1电容经V6恒流放电，形成线性下降的锯齿波，锯齿波的斜率由5#端的外接锯齿波斜率电位器RP1调节。锯齿波送至V8与6#端引入V9的移相控制电压Uc进行比较放大，当UcUB时，V10、V11导通，V12截止，V13、V14导通，输出脉冲。V4是失交保护输出，保证了移相电压与锯齿波失交时晶闸管仍保持全导通。各点波形图如图5所示。图3图4图5综上所述，由KC05移相触发电路构成的触发电路如图6所示：图62.2.3保护电路设计电力电子器件承受过电流和过电压的能力较差

14、，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。然而实际操作中不能完全根据装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，必须充分发挥器件的过载能力。因此，保护电路的设计就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的重要环节。由于晶闸管换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间产生过电压。过压保护就是根据电路中产生的不同过电压的部位加入不同的保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，使过电压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件

15、上，保护了电力电子器件。本实验装置的过电压保护电路可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，单相交流调压的过电压保护电路如图7所示。 图72 过电流保护当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当晶闸管被击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。针对单相交流调压试验中晶闸管热容

16、量小、过电流能力差的特点，专门为保护大功率半导体变流元件而制造了快速熔断器，简称快熔。其熔断时间小于20ms，能保证在晶闸管损坏之前快熔切断短路故障，达到保护晶闸管的目的。保护电路的实验电路图如图所示。 图82.3 数据分析与原件型号的选择根据任务要求：1、交流电源：单相220V；2、输出电压在0220V连续可调；3、输出电流最大值5A；4、负载为电阻负载或阻感负载；5、根据实际工作情况，最小控制角取20300左右作如下数据分析： 根据公式U0=U1可知若要输出电压在0220V连续可调，则将输出电压的两个极值0V和220V代入公式中,即: 0=U1 ， 220= U1计算得出的取值范围是0a，

17、但是实际要求是最小控制角在20300 左右，因此把a=200 和300分别代入到公式中可以计算得出Uo1=216.67V，Uo2=218.89V，取其平均值为217.78V，因此电压的取值范围是0Uo217.78V。2、计算流过晶闸管的电流值，根据要求输出电流最大为5A，则晶闸管的电流有效值为Io=I1/，代入数据得Io=3.53A。3、计算功率因数。由=，（将根据实际工作情况，最小控制角取20300考虑进去）得在不同状态下的取值范围是00.98.4、触发电路的选取选取KC05为触发电路的晶片，其数据如下：KC005 的电参数如下：电源电压：外接直流电压+15V，允许波动5(10功能正常)。电

18、源电流：l2mA。同步电压：l0V。同步输入端允许最大同步电流：3mA(有效值)。移相范围：l70(同步电压30V，同步输入电阻10k)。相输入端偏置电流l0A。锯齿波幅度：78.5V。输出脉冲：a脉冲宽度：l00s2 ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。b脉冲幅度：13V。c最大输出能力：200mA(吸收脉冲电流)。d输出反压：BVceol8V(测试条件：Ie=100A允许使用环境温度：-l070。5、 电容C的耐压应大于正常工作时晶闸管两端电压峰值的1.5倍。由主电路的分析可知流过晶闸管的电流不超过10A，所以我们可以选择 RC电路中的R和C分别为R=100、C=0.1uF ，Uc=450V

19、。6、 快速熔断器的选取快熔断的选择：快熔的额定电压Urn不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的元件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流Ir(AV)来选择，一般应小于被保护晶闸管的额定有效值1.57 Ir(AV)。即可按下式选择： 1.57 Ir(AV)IrnIo (管子实际最大电流有效值)通过上述公式我们选择熔断器型号为RS308，管号Y4，额定电压为250V,额定电流10A 的圆管型螺栓连接快速熔断器。2.4系统调试或仿真2.4.1 单相交流调压电路的MATLAB仿真 MATLAB是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一身的

20、科学计算工具，作为强大的计算平台，它几乎可以满足所有的计算要求。另外，MATLAB还针对许功能强大的模块集或工具箱，如电力系统仿真工具箱（Sim PowerSystem）等。一般说来，用户可以直接使用工具箱足学习、应用和评估不同的模型而不需要自己编写代码。当今社会高性能、低成本以及生产和更新换代周期短已经成为现代企业对产品设计的最基本要求，模块化、模型化以及动态仿真是产品设计者对设计工具的最基本要求，而MATLAB中的Simulink就是可以完全满足要求的几个工具软件之一。MATLAB中的Simulink仿真软件实际上提供了一个系统级的建模与动态仿真的图形用户环境，凭借MATLAB在科学上的强

21、大功能，建立了从设计构思到最终要求的可视化桥梁，大大弥补了传统设计和开发的不足。下面是单相交流调压电路的模拟仿真。下图所示为单相可控交流调压电路。本电路中的可控整流元件为晶闸管。该电路的工作原理为：当电源电压U1正半周开始时触发VT1，负半周时触发晶闸管VT2,形成一个无触点开关。在触点两端将获得一个电压Ud。若正负半周以同样的移相角a触发VT1和VT2，则负载电压Ud的有效值将随a角的改变而改变，实现交流调压。步骤如下：1、 建立单相可控交流调压电路的数学模型.2、 单相可控交流调压电路仿真模型元件的选择和参数的设定。元器件的选择与用户参数的设定是电路仿真的关键，。其中最关键的是脉冲发生器的

22、参数设定，其周期必须与交流电压源的周期相一致，这样就可以实现对交流电压的相位调压了。如果想实现通断控制调压，只需修改脉冲的频率，就可以实现了。 2.4.2 仿真结果分析1、电阻性负载。从仿真结果上来看，随着a角的逐渐增大，负载电阻上的电压有效值逐渐减小。2、阻感性负载。从仿真结果上可以明显看出电感对电路的影响，移相角a较小时，由于电感的储能作用，在VT1关断后还会维持电流继续流过负载，当VT1的电流下降到0时，VT2的触发脉冲已经消失无法导通；随着移相角a的增加，负载的电压和电流变为正弦波。图像如下图所示。第三章 课程设计总结忙忙碌碌中，电力电子技术的课程设计结束了，这次课程设计让我受益匪浅。

23、通过这次设计让我有机会将课堂上所学的内容运用到实际中去，并完成了对知识的巩固运用。课程设计的目的就是培养学生的综合运用所学知识，独立分析和解决实际问题，是锻炼和考察学生实际工作能力的重要环节，同时课程设计也是对每个同学的一种考验。尽管电力电子技术发展迅速，但是作为基础环节，这次我设计的题目单相交流调压电路实验装置还是在电力电子基础实践中有着十分重要的地位。而且单相交流调压电路就是电力电子技术实验中的一个，由于前两天在电工实验室亲自接线做了这个实验，因此刚接手这个题目时我还是觉得相对轻松一些的。接下来到了分析具体问题的时候，问题就出来了。元器件的选取实际上是一个很考验所学知识熟练程度的过程，触发

24、电路元器件的选取，控制电路元器件的选取，晶闸管的选取，电容和电阻型号的选取。每一次元器件的选取都是一次考验，要兼顾到经济性和实用性，还要最大限度的与电路兼容，可以说元器件的选取是本次课程设计的难点之一。从这次设计中我也发现了一个问题：学习不能和只顾书本上的，还得与实际相结合。回顾这次交流调压装置的设计，至今还感慨颇多，从选材到定型，从理论到实践，在整整两周的时间里，可以说苦大于甜，在设计中遇到的问题，也可以说是面临很多困难，毕竟课程设计不是像艺术家一样，靠幻想就能轻松搞定，这次课程设计我发现自己在经验方面还是十分缺乏，空有理论知识，没有理性的知识，有些东西可能与实际脱节。总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进。整个设计可以基本实现其功能，由于水平有限，难免会有错误，还希望老师批评指正。参考文献1 王兆安主编.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,20032 白雪峰主编.实验技术与管理.单相交流调压装置的研制, 20063 罗文军主编. 昆明冶金高等专科学校学报.单相交流调压电路的MATLAB仿真，20054 杨敏丽主编.我国电力电子技术产业化模式选择与战略分析, 20005 韩建设主编.应用科学.浅谈电力电子技术的发展与应用, 2010 15