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1、电力电子技术课程设计（论文）题目：单相交流调压电路（1000W ）院（系）：电气工程学院专业班级：学 号：学生姓名：指导教师签字：教师职称：起止时间：09-7-6至09-7-12课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：电气学号学生姓名专业班级课程设计（论文） 题目单相交流调压电路（1000W ）课程设计论文任务将单相220V交流电转换为连续可调的交流电，为1台电阻炉供电。一、技术要求1、输入单相交流220V电源。2、输出电压饥在0220V连续可调。.d3、输出最大功率1000W。二、设计任务1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、通过计算选择整流器件的具体型号。4、设计合适
2、的触发电路。5、绘制主电路图。6、课程设计总结指导教件语及成绩平时考核： 设计质量： 论文格式： 总成绩： 指导教师签字：年 月 日目录第一章课程设计方案11.1交流调压电路概述11.2系统总体结构1第2章课程设计内容22.1单相交流调压电路工作情况与负载性质的关系22.1.1电阻性负载22.1. 2阻感负载32.2单相交流调压触发电路的选择52.3变压器变比的计算62.4晶闸管的选择72.5实际实现电路及工作原理82.6总体电路图及其波形图10第三章课程设计总结11参考文献12第一章课程设计方案1.1交流调压电路概述把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电 力
3、。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶闸 管开通相位的控制，可以方便的调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。交 流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。单相交流调压电路是后者的基 础，和整流电路一样，交流调压电路的工作情况也和负载性质有着很大的关系，因此分别 对电阻负载和阻感负载分别予以讨论。1.2系统总体结构将一种交流电能转换为另一种交流电能的过程称为交流-交流变换过程，凡能实现这 种变换的电路为交流变换电路。对单相交流电的电压进行调节的电路。用在电热控制、交 流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。与自耦变压器调压方法相比，交
4、流调 压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。结构原理简 单。该方案是由变压器、触发电路、整流器、以及一些电路构成的，为一台电阻炉提供电 源。输入的电压为单相交流220V，经电路变换后，为连续可调的交流电。下图为系统总体 结构框图。图1系统结构框图图1中的220V为交流市电输入，经过调压环节的变压器等电路转换为连续可调的交 流电，输出连续可调的交流电源部分作用：为电阻炉提供电源。第2章课程设计内容2.1单相交流调压电路工作情况与负载性质的关系2.1.1电阻性负载图2.1电阻负载单相交流调压电路图2.1为电阻负载单相交流调压电路图。图中晶闸管VT1和VT2也可以用一个
5、双向晶 闸管代替。在交流电源U1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角电源a进行控 制就可以调节输出电压。正负半周a起始时刻（a=0）均为电压过零时刻。在稳态情况下， 应使正负半周的a相等。可以看出负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也 是电源电流）和负载电压的波形相同。上述电路在开通角为a时，负载电压有效值U0、负载电流有效值10、晶闸管电流有效 值IT和电路的功率因数/分别为：负载电压有效值负载电流有效值1口=兰（4-2）晶闸管电流有效值功率因数；从图2.1及上式中可以看出，输出电压与以的关系：移相范围为0W以Wn。以二0时U。=U最大，以的增大，U。降低，以二n时，七二
6、0。入与以的 关系：以二0时，入二1，以增大，输入电流滞后于电压且畸变，入降低u的正半周内，晶闸管七承受正向电压，当3t=Q时，触发七使其导通，则负载上 得到缺Q角的正弦半波电压，当电源电压过零时，V管电流下降为零而关断。在电源电压 1u的负半周，V2晶闸管承受正向电压，当3t=n + Q时，触发V2使其导通，则负载上又得 到缺Q角的正弦负半波电压。持续这样的控制，在负载电阻上便得到每半波缺Q角的正 弦电压。改变Q角的大小，便改变了输出电压有效值的大小。随着Q角的增大，U。逐渐减 小；当a = n时， = 0。因此，单相交流调压器对于电阻性负载，其电压的输出调节范 围为0U，控制角a的移相范围
7、为0n。2.1.2阻感负载电路图及其波形如图2.2所示图2.3阻感负载单相交流调压电路及其波形阻感负载下稳态时的移相范围为6an。当VT2导通时，只是I0的极性相反，且相 相差180晶闸管的导通角。的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角有关。一个晶闸管 导通时，其负载电流i。的表达式为180140120(&804004080120140 180a / 图2.4单相交流调压电路以6为参变量的a和。的关系曲线当3t=Q+。时，i = 0。将此条件代入可求得导通角。与控制角a、负载阻抗角6之间 的定量关系表达式为_ esin（a + e 中）=sin（a 一中）e - tan中针对交流调压器，其
8、导通角96、a=6、QV6三种情况来讨论调压电路的工作情况。（1）当 a6时，由式可以判断出导通角0V180,正负半波电流断续。a越大，0越小，波 形断续愈严重。（2）当a=6时，由式可以计算出每个晶闸管的导通角0=180。此时，每个晶闸管 轮流导通180，相当于两个晶闸管轮流被短接，负载电流处于连续状态，输出完整的正 弦波。（3）当QV6时，电源接通后，在电源的正半周，如果先触发V则可判断出它的 导通角0180。如果采用窄脉冲触发，当七的电流下降为零而关断时，七的门极脉冲 已经消失，匕无法导通。到了下一周期，匕又被触发导通重复上一周期的工作，结果形成 单向半波整流现象，如图6-5所示，回路中
9、出现很大的直流电流分量，无法维持电路的 正常工作。解决上述失控现象的办法是：采用宽脉冲或脉冲列触发，以保证V1管电流下 降到零时，七管的触发脉冲信号还未消失，七可在V1电流为零关断后接着导通。但七的 初始触发控制角a+0-n6，即V2的导通角0V180。从第二周开始，由于V2的关断 时刻向后移，因此V1的导通角逐渐减小，七的导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角 。=180。时达到平衡。根据以上分析，当aW6并采用宽脉冲触发时，负载电压、电流总是完整的正弦波， 改变控制角a，负载电压、电流的有效值不变，即电路失去交流调压作用。在感性负载时， 要实现交流调压的目的，则最小控制角a = 6（负载的
10、功率因素角），所以a的移相范围 为6180。2.2单相交流调压触发电路的选择闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻 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，对感性和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲 或脉冲列触发，对变流器的起动、双星形带平衡电抗器电路的触发脉冲应宽于30o,三相 全控桥式电路应采用宽于60o或采用相隔60o的双窄脉冲。2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电 流的35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12A/s。3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电
11、流和功率定额，且在门极伏安特性的 可靠触发区域之内。4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。如图2.3所示，556和VT1、C 1等组成了一个变形的单稳触发器，另外556和R3、R4、 C2等组成一个可控多谐振荡器，利用单稳的延时性进行相移，利用振荡器产生系列脉冲输 出，触发SCR，即使负载为变压器的二次回路等感性负载，也能使SCR在各种导通角下输 出波形十分对称的交流电压。为了同步，由D1D4、DW1、R1组成的同步检测电压，将交 流同步电压变为幅度为12V的梯形电压，在梯形电压过零时，使单稳电路进入暂稳态。移 相控制信号Vx加至VT1的b极，VT1可按照信号幅度的高低改变
12、C1的充电速率，改变达 到阙值电平的时间，从而达到自动控制移相角度。5脚输出的暂稳脉冲加至多谐振荡器的 8、12脚，控制振荡器的起振和停振，使之在9脚有系列脉冲。振荡器的频率 f=1.44/(R1+R4)C2,改变其时间常数，可改变系列脉冲的频率，图示参数的振荡频率约为 5kHZ。该电路的移相控制信号电压Vk在02V;移相范围170 ；输出脉冲幅度为10V； 正负半周相位不均衡度1。2.3变压器变比的计算当1000W全桥软开关电源采用PQ50/50芯片时先给出主功率变压器原边绕组的圈数计 算公式和计算过程。考虑到UC3875的最佳工作频率，又因为采用了高频开关特性良好的 MOSFET功率管，所
13、以选取开关频率为100KHZ。首先根据功率容量Ap乘积公式来进行估算。为了多留些余地，可再减小主功率变压器的最大工作磁通密度Bm=1000GS,由计算式得到：Pt *1061000*106L rAp二Ae*Aq二Pt*10=5.56沌m8KmKc 2*0.9*100*103 *1000*2*0.5*1当最大磁通密度选用1500GS时，功率容量降低到3.7。若开关频率降低到50KHZ，则 功率容量乘机增大一倍约11.12，余量就小了。PQ50/50铁氧体磁芯的有效中心柱截面积为 Ae=3.1416cm2它的磁芯窗口面积为Aq=4.18 cm2,因此PQ50/50的功率容量乘积为：Ap=Ae*Aq
14、=3.1416*418=13.2可见，在开关频率为100KHZ时，采用PQ50/50铁氧体磁芯做1000W主功率变压器， 它的功率容量是合理的。再来计算原边绕组的匝数值：m Vin ma/ 108314*108Np= 27.154fBmAe 4*100*103 *1000*3.14162.4晶闸管的选择Ud=220V时，不计控制角余量按a =0计算由 Ud=2 34U2 得UdU2= 2 34 =94V取 120VUte = （23） Ut=（23）p6U2=（23） * x 120V=588882 V取 Ute 为 700V当Id =60A时，流过每个晶闸管的电流有效值为:It = ,1/3
15、 Id顼/3 x 60A=35AIt晶闸管额定电流It ( 商35=157=23A取町=1 -73，考虑2倍裕量：It(AS取50A当Id =3A时It =vI/3 Id顼/3 x3A=1 - 73aItIt ()=商=1.1A考虑2倍裕量：It(Ay)取5A按要求表明应取a =0来选择晶闸管。即It(Ak)=50A所以晶闸管型号为KP507。2.5实际实现电路及工作原理理想条件下单相调压电路假设主电路功率器件具有理想功能，实际上这种器件不存在的，因此必须根据电路的特点和器件的实际性能来组构电路。图2.6实际实现电路及其波形图U01是U0的基波分量，i01是i0的基波分量；i01与u01将产生
16、0的滞后角。在过 零点附近出现；i01与u01不同相问题。在ax0, u0,u10,而i0,电流为负值， 由于T1恒通T2横断，u=ui无斩波。出现了失控现象，艮即u01的控制信号不能实现斩波。2.6总体电路图及其波形图图2.7总体电路图及波形图第三章课程设计总结经过这几天的电力电子课程设计，我对电力电子技术这门课程及相关知识有了更深刻 的理解和体会，同时也很好的把理论知识运用于实践之中，在本次的课设中我真正的学到 了很多东西，受益颇多。通过这次设计，我最大的收获就是自己的动手能力和独立解决问 题的能力得到了很大的提高。从方案的形成到准备电路图，每一个小小的步骤，我都得到 了很好的锻炼。在完成
17、电力电子课程设计的同时，我也复习了这学期所学的电力电子技术 课程的内容。课程设计中遇到的问题我都会去查阅相关资料，我学会了怎样有效的收集整 合资料；我学会了怎样将书本上的知识运用到生活当中；我学会了怎样细心地检查电路； 我学会了怎样虚心地寻求帮助；我明白了一些书本上学不到的知识和逻辑思维能力，理论 必须联系实际，而实践试检验真理的唯一标准，我真正的懂得了这句话的真谛。我做的题目是单相交流调压电路，这种调压电路多用在电热控制、交流电动机速度控 制等方面、灯光控制和交流稳压器等场合。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控 制方便，调节速度快，装置重量轻、体积小，有色金属消耗也少。这个课题具有很强
18、的实 用性，它除了在工业生产领域得到广泛应用，在我们日常生活中也无所不在，电力电子技 术以发展成为一种应用极其广泛的技术。该课题属于电力电子方面，随着电力电子器件的 不断向大容量化、高频化、易驱动、降低导通压降、模块化、功率集成化的发展，它的应 用将更为广泛，同时，它集各优点于一身将在电力电子电路中表现出非凡的性能。“天道酬勤，只要我们坚持不懈、持之以恒，就一定能取得成功。这正是课程设计给 我们的一种磨砺，让我们不断的提高自己，完善自己。最后，我要特别感谢指导老师在课 程设计期间对我的耐心指导，教育及对我的栽培，同时引导我把书本上学到的理论知识灵 活的运用到实践中去，圆满完成课程设计的内容。借此机会，向我的指导老师巴金祥老师 表示衷心的感谢。参考文献1 王兆安.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,20032 张立.现代电力电子技术.北京：高等教育出版社.1999.3 刘卫民，施金良.电力电子技术.重庆：重庆大学出版社，2004.4 黄家善，王廷才.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2000.5 林辉，王辉.电力电子技术.武汉：武汉理工大学出版社，2001.
