电力电子技术课程设计100W单相电风扇无级调速电路设计.doc

本科生课程设计（论文）辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文）题目：100w单相电风扇无级调速电路院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2012-12-31至2012-1-11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100w单相电风扇无级调速电路设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能利用晶闸管构成交流调压电路，调节电风扇电动机电压，从而改变电风扇的转速，可实现无级变速，满足人们对电风扇风速的不同要求，且此调速装置寿命长。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。要求 1、文字在4000字左右。 2、文中的理论分析与计算要正确。 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1a。4、负载为100w电风扇。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：确定变压器变比及容量；第7天：确定平波电抗器；第8天：触发电路设计；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： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要随着科技的发展，技术的进步，人类在许多领域已取得较大的成功，并且成功的使用这些技术为人类的生活所服务。本课设在电力电子的发展基础上，运用晶闸管的特点以及与其相关的触发电路和保护电路的相关知识，在考虑到实际应用中注重的经济性和可控性以及器件的选择等方面的相关知识，设计了100w单相电风扇无级调速电路的方案，同时也分别设计了主电路、触发电路以及保护电路等电路的方案，同时运用工程技术中较多使用的ewb软件进行相关的电路调试，并结合设计的技术参数要求，给出一个较合理的设计方案，以完成利用晶闸管构成交流调压电路，调节电风扇电动机电压，从而改变电风扇的转速，可实现无级变速的功能，满足人们对电风扇风速的不同要求，从而实现满足人们需要的电路设计方案。关键词：晶闸管；晶闸管的触发与保护；器件选取；电路调试与系统仿真目 录第一章 绪论11.1 电力电子技术概况11.2 本文研究内容3第二章 单相电风扇无级调速电路设计42.1单相电风扇无级调速电路总体设计方案42.2 具体电路设计52.2.1主电路设计52.2.2控制设计82.3 保护电路设计10第三章 主电路图11第四章 元器件型号选择12第五章课程设计总结14参考文献15第一章 绪论1.1 电力电子技术概况电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，gto，igbt等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百mw甚至gw，也可以小到数w甚至1w以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。现已成为电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。电力电子学（power electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的w.newell对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（gto），电力双极型晶体管（bjt），电力场效应管（power-mosfet）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（igbt 可看作mosfet和bjt的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（pic）。目前pic的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功率。电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。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。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。从20世纪50年代中到70年代末，以大功率硅二极管、双极型功率晶体管和晶闸管应用为基础（尤其是晶闸管）的电力电子技术发展比较成熟。70年代末以来，两个方面的发展对电力电子技术引起了巨大的冲击。其一为微机的发展对电力电子装置的控制系统、故障检测、信息处理等起了重大作用,今后还将继续发展;其二为微电子技术、光纤技术等渗透到电力电子器件中，开发出更多的新一代电力电子器件。其中除普通晶闸管向更大容量（6500伏、3500安）发展外，门极可关断晶闸管(gto)电压已达4500伏，电流已达 25003000安；双极型晶体管也向着更大容量发展，80年代中后期其工业产品最高电压达1400伏，最大电流达400安,工作频率比晶闸管高得多,采用达林顿结构时电流增益可达75200。 随着光纤技术的发展，美国和日本于19811982年间相继研制成光控晶闸管并用于直流输电系统。这种光控管与电触发的晶闸管相比，简化了触发电路，提高了绝缘水平和抗干扰能力，可使变流设备向小型、轻量方向发展，既降低了造价，又提高运行的可靠性。同时，场控电力电子器件也得到发展，如功率场效应晶体管(power mosfet)和功率静电感应晶体管(sit)已达千伏级和数十至数百安级的电压、电流等级，中小容量的工作频率可达兆赫级。由场控和双极型合成的新一代电力电子器件，如绝缘栅双极型晶体管（igt或igbt）和mos控制晶闸管（mct）也正在兴起,容量也已相当大。这些新器件均具有门极关断能力，且工作频率可以大大提高，使电力电子电路更加简单，使电力电子装置的体积、重量、效率、性能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模拟和仿真技术也在不断发展。1.2 本文研究内容本课设研究的内容是100w单相电风扇无级调速电路。根据电力电子技术的相关知识与要求，利用晶闸管构成的单相交流调压电路，来调节电风扇电动机电压，从而改变电风扇的转速，即可实现无级调速的要求。具体研究内容可分为以下部分：1、单相电风扇无级调速电路总体设计方案的经济技术论证。2、单相电风扇无级调速电路主电路设计及各部分简要说明。3、触发电路的设计，每个晶闸管触发的顺序及相位分析。4、保护电路的设计，过电压保护，过电流保护的分析5、绘制主电路图6、通过计算选择器件的具体型号。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 单相电风扇无级调速电路设计2.1单相电风扇无级调速电路总体设计方案利用晶闸管构成交流调压电路，调节电风扇电动机电压，从而改变电风扇的转速，可实现无极变速，满足人们对电风扇风速的不同要求。在考虑到电路还应满足易操作实用、经济实惠、可靠性强等诸多因素的情况下，设计出如图2.1所示的系统原理框图。图2.1 系统原理框图该系统原理框图由中间的带阻容吸收的过压保护电路和带熔断器的过流保护电路作为交流调压主电路的保护电路，上下两个电路为相同的触发脉冲为锯齿波的触发电路作为整个电路的触发电路。通过触发电路的触发脉冲，使得晶闸管的开通时刻可以得以进行人为的控制，并根据使用者的需要进行调控。而交流调压主电路则是根据触发角的大小调节输出电压的大小，从而控制电风扇的转速，达到满足使用者的需要，并根据使用者的要求对电风扇的转速进行具体的调控。而过压过流保护电路具有对电力电子器件的保护左右，以及对整体电路的保护作用，使得电路能够较好的工作。2.2 具体电路设计2.2.1主电路设计单相电风扇无级调速电路的主电路实际上就是负载为电感性的单相交流调压电路即电动机。交流调压是将一种幅值的交流电能转化为同频率的另一种幅值的交流电能。其主电路图如图2.2所示。图2.2 单相电风扇无级调速电路主电路图（1）电阻性负载图2.3（a）所示为两只反并联的普通晶闸管与电阻负载rl组成的交流调压主电路，也可用一个双向晶闸管代替两个反并联的晶闸管但需要两组独立的触发电路分别控制两只晶闸管，也可用一个双向晶闸管代替两个反并联的晶闸管，本课设的主电路选择两只反并联的普通晶闸管的主电路。在电源正半周t时触发vt1导通，有正向电流流过rl，负载端电压ur为正值，电流过零时vt1自行关断；在电源负半周t时，再触发vt2导通，有反向电流流过rl，其端电压ur为负值，到电流过零时vt再次自行关断。然后重复上述过程。改变角即可调节负载两端的输出电压有效值，达到交流调压的目的。电阻负载上交流电压有效值为电流有效值电路功率因数电路的移相范围为0图2.3 电阻性负载交流调压电路图图2.4 电阻性负载交流调压电路图的波形通过改变可得到不同的输出电压有效值，从而达到交流调压的目的。由双向晶闸管组成的电路，只要在正负半周对称的相应时刻（、）给触发脉冲，则和反并联电路一样可得到同样的可调交流电压。交流调压电路的触发电路完全可以套用整流移相触发电路，但是脉冲的输出必须通过脉冲变压器，其两个二次线圈之间要有足够的绝缘。（2）电感性负载图2.4所示为电感性负载的交流调压电路。由于电感的作用，在电源电压由正向负过零时，负载中电流要滞后一定角度才能到零，即管子要继续导通到电源电压的负半周才能关断。晶闸管的导通角不仅与控制角有关，而且与负载的功率因数角有关。控制角越小则导通角越大，负载的功率因数角越大，表明负载感抗大，自感电动势使电流过零的时间越长，因而导通角越大。下面分三种情况加以讨论。（1） 由图2.5可见，当时，180。如果触发脉冲为窄脉冲，当ug2出现时，vt1管的电流还未到零，vt1管关不断，vt2管不能导通。当vt1管电流到零关断时，ug2脉冲已消失，此时vt2管虽已受正压，但也无法导通。到第三个半波时，ug1 又触发vt1导通。这样负载电流只有正半波部分，出现很大直流分量，电路不能正常工作。因而电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发，可采用宽脉冲或脉冲列触发。综上所述，单相交流调压有如下特点：电阻负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流一致。改变控制角可以连续改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。电感性负载时，不能用窄脉冲触发。否则当时，会出现一个晶闸管无法导通，产生很大直流分量电流，烧毁熔断器或晶闸管。电感性负载时，最小控制角min(阻抗角)。所以的移相范围为180，电阻负载时移相范围为0180。图2.5 单向交流调压电感负载电路图由于电感性负载电路太复杂，本课设选择用电阻性负载电路进行研究。以下的电器元件的参数问题是在电阻性负载电路研究下进行的选择。2.2.2控制设计本课设采用的触发电路为相位控制晶闸管的触发电路，并以同步信号为锯齿波的触发电路作为控制电路，其图为图2.6所示。此电路可分为六个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节、双窄脉冲形成环节、强触发环节、封锁环节。本课设主要以脉冲形成、脉冲移相、同步作介绍。图2.6 同步信号为锯齿波的触发电路脉冲形成环节脉冲形成环节由晶体管、组成，、起脉冲放大作用。控制电压加在基极上，电路的触发脉冲由脉冲变压器tp二次侧输出，其一次绕组接在集电极电路中。当=0时，截止。+电源通过供给一个足够大的基极电流，使饱和导通，所以的集电极电压接近于-。、处于截止状态，无脉冲输出。另外，电源的+（15v）经、发射结到-（-15v），对电容充电，充满后电容两端电压接近2（30v），极性如图2.6所示。当控制电压0.7v时，导通，a点电位由+（+15v）迅速降低至1.0v左右，由于电容两端电压不能突变，所以基极电位迅速降至约-2（-30v），由于发射结反偏置，立即截止。它的集电极电压由-（-15v）迅速上升到+3.1v（、三个pn结正向压降之和），于是、导通，输出触发脉冲。同时，电容经电源+、放电和反向充电，使基极电位又逐渐上升，直到-（-15v），又重新导通。这时又立即降到-，使、截止，输出脉冲终止。可见，脉冲前沿由导通时刻确定，（或）截止持续时间即为脉冲宽度。所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数有关。 （1） 锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等。图2.6所示为恒流源电路方案，由、和等元件组成，其中、vs、和为一恒流源电路。当截止时，恒流源电流对电容充电，所以两端电压按线性增长，即的基极电位按线性增长。调节电位器，即改变的恒定充电电流，可见是用来调节锯齿波斜率的。当导通时，由于阻值很小，所以迅速放电，使电位迅速降到零附近。当周期性地导通和关断时，便形成一锯齿波，同样也是一个锯齿波电压。射级跟随器的作用是减少控制回路的电流对锯齿波电压的影响。管的基极电位由锯齿波电压、直流控制电压、直流偏移电压三个电压作用的叠加所确定，它们分别通过、和与基极相接。设为锯齿波电压单独作用在基极时的电压，其值为可见仍为一锯齿波，但斜率比低。同理偏移电压单独作用时的电压为可见仍为一条与平行的直线，但绝对值比小。直流控制电压单独作用时的电压为可见仍为与平行的一直线，但绝对值比小。 之后通过控制可实现控制角的变化，使晶闸管较好的实现交流调压功能。（2） 同步环节同步变压器二次电压经二极管间接加在的基极上。当二次电压波形在负半周的下降段时，导通，电容被迅速充电。因o点接地为零电位，r点为负电位，q点电位与r点相近，故在这一阶段基极为反向偏置，截止。在负半周的上升段，+电源通过给电容反向充电，为电容反向充电波形，其上升速度比波形慢，故截止。当q点电位达1.4v时，导通，q点电位被钳位在1.4v。直到ts二次电压的下一个负半周到来时，重新导通，迅速放电后又被充电，截止。如此周而复始。在一个正弦波周期内，包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出，q点电位从同步电压负半周上升段开始时刻到达1.4v的时间越长，截止时间就越长，锯齿波就越宽。可知锯齿波的宽度是由充电时间常数决定的。2.3 保护电路设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。为了防止电路中器件的安全，要进行适当的保护。本课设采用阻容吸收电路作为过电压保护电路，采用熔断器作为过流保护电路，其电路图为图2.7所示。图2.7 保护电路电路图第三章 主电路图总电路原理图由中间的带阻容吸收的过压保护电路和带熔断器的过流保护电路作为交流调压主电路的保护电路，上下两个电路为相同的触发脉冲为锯齿波的触发电路作为整个电路的触发电路。通过触发电路的触发脉冲，使得晶闸管的开通时刻可以得以进行人为的控制，并根据使用者的需要进行调控。而交流调压主电路则是根据触发角的大小调节输出电压的大小，从而控制电风扇的转速，达到满足使用者的需要，并根据使用者的要求对电风扇的转速进行具体的调控。而过压过流保护电路具有对电力电子器件的保护左右，以及对整体电路的保护作用，使得电路能够较好的工作。图3.1单相电风扇无级调速电路总电路原理图第四章 元器件型号选择电阻负载上交流电压有效值为电流有效值为晶闸管电流有效值由于课程设计任务中的技术参数要求：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1a。4、负载为100w电风扇。5、根据实际工作情况，最小控制角取20300左右。所以得出各个参数的值为电阻负载的阻值为电阻负载上交流电压有效值为 =218v电流有效值为 i=0.45a流过晶闸管电流的有效值为 ivt=0.32a晶闸管的额定电流（正向平均电流）为晶闸管承受的最大电压为晶闸管器件的实际选取规则为：un=（23），in=（1.52），本课设电压选择3倍关系，电流选择2倍关系。所以，晶闸管的实际电压值、电流值选取为 un=933v in=0.4a保护电路的器件选取熔断器的电流实际选取规则为：ir=（1.251.5）ivt，本课设选择1.5倍关系。所以，熔断器的规格为 ir=0.48a阻容吸收电路的器件选取为：电阻r=100 电容c=0.1f 由于器件规格的限制，故选取的晶闸管的实际参数为：un=1000v in=1a熔断器的实际参数为：ir=1a第五章 课程设计总结经过2周的时间，电力电子课程设计结束了，