2000W电炒锅温度控制电路课程设计论文.docx

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：2000W电炒锅温度控制电路院（系）： 工程技术学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间： 课程设计（论文）任务及评语院（系）：工程技术学院 教研室： 电气教研室学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目2000W电炒锅温度控制电路课程设计（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，调节电炒锅电热丝电压，从而改变电炒锅的温度，可实现连续调温变速，满足人们对不同食品烘烤温度的不同要求。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、控制电路设计。5、绘制相关电路图。6、完成4000字左右说明书。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10A。4、负载为2000W电炒锅。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： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算II摘 要本文设计的是2000W电炒锅温度控制电路，实现温度控制的方法有很多，例如：通过晶闸管等电力电子器件对输入输出之间的交流电能进行变换与控制的电路形式，其常用的控制方式有四种：相位控制、周期控制、 通断控制、 斩波控制等。根据不同的控制方式可以将交流电力控制系统分为以下几种基本类型：交流调压电路、交流电力电子开关、交流斩波调压电路。交流电力控制系统中，交流调压电路应用最为广泛，本文采取的就是单相交流调压电路。交流调压电路是利用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来控制交流输出。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值。用晶闸管触发电路来有效的控制晶闸管的导通与截止，来完成对电烤箱交流调压电路的工作控制。用阻容吸收网络和快速熔断器来防止晶闸管因过电压或过电流造成的损坏。通过计算对晶闸管、触发电路、阻容吸收网络、快速熔断器各个器件进行选择。关键词：交流调压电路；晶闸管；晶闸管触发电路；阻容吸收网络；快速熔断器V目 录第1章 绪论11.1 电力电子技术概况11.2 本文设计内容2第2章 2000w电炒锅温度控制电路设计32.1 2000w电炒锅温度控制总体设计方案32.2 具体电路设计42.2.1 主电路设计42.2.2 控制设计52.2.3 保护电路设计72.3 元器件型号选择92.4 系统调试或仿真、数据分析122.4.1 数据分析：12 第3章 仿真模型、仿真波形及其分析13 3.1 仿真结果分析14第4章 课程设计总结16参考文献18第1章 绪论1.1 电力电子技术概况 电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲要的。 电力电子技术的诞生是以1957年第一个晶闸管的诞生为标志的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路主要采用相控方式。20世纪70年代后期，以GTO、BJT、Power-MOSFET为代表的全控型器件迅速发展。对其构成的电路主要采用斩控方式。在20世纪80年代后期，以IGBT为代表的复合型器件异军突起，它是MOSFET和BJT的复合，把优点集于一身性能十分优越，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元件做成模块的形式，这给应用带来了极大的方便。后来，又把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC）。 目前，电力电子集成技术的发展十分迅速，其发展焦点是混合集成技术。随着全控器件的开关损耗也随之增大。为此，零电压开关、零电流开关应运而生，以提高功率。从而提高了电力电子装置的功率密度。 电力电子线路的基本形式之一，即交流交流变换电路，它是将一种形式的交流电能变换成另一种形式交流电能电路。在进行交流交流变换时，可以改变交流电的电压、电流、频率或相位等。其中，只改变电压、电流而不改变交流频率的电路成为交流交流电力控制电路，包括交流调压电路，交流调功电路，交流电力电子开关等。 1.2 本文设计内容本文利用晶闸管构成的交流调压电路，通过对晶闸管触发角的控制来调节输出电压，改变电炒锅电热丝的电压，从而改变电炒锅的温度，并实现连续调温。满足人们对不同食物烘烤温度的不同要求。 交流调压电路就是利用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来控制交流输出。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值。下面对晶闸管的工作原理进行简单的介绍： 只有在晶闸管承受正向电压并且门极有触发电流时晶闸管才能导通，晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通，只有在晶闸管承受反向电压时，使流过晶闸管的电流降到某一数值以下才会截止。用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便的调节输出电压有效值。可用于电炉、电炒锅的温度控制、灯光调节、异步电动机的启动和调速等；用晶闸管触发电路来有效的控制晶闸管的导通与截止，来完成对电炒锅交流调压电路的工作控制。第2章 2000w电炒锅温度控制电路设计2.1 2000w电炒锅温度控制总体设计方案总体设计方案框图如下所示： 输出连续可调的 220V交流输入 交流调压环节 交流电 晶闸管触发电路 保护电路图2.1 2000w电炒锅温度结构框图将一种形式的交流电能转换成另一种形式交流电能过程称为交流交流变换过程，凡是能实现这种变换的电路称为交流交流变换电路。对于单相交流电的电压进行调节的电路可用于温度控制、交流电动机调速控制、灯光控制等场合。与自耦变压器调压等方法相比，交流调压电路控制方便、经济可靠，调节速度快，装置的重量轻、体积小，减少能源消耗，结构原理简单。因此，本方案采用交流调压电路来进行对电炒锅的连续温度控制。下面对各部分功能进行简单的说明： （1）220V交流输入部分：为电路提供电源输入，主要是市电输入。（2）交流调压环节部分：由单相交流调压电路来产生连续可调的输出电压有效值来实现电炒锅温度的控制。（3）晶闸管触发电路：由晶闸管触发电路来实现晶闸管的导通与截止。（4）保护电路：由保护电路（包括过电流保护、过电压保护）来实现整体电路的可靠工作，防止电力电子器件由于故障损坏。（5）输出连续可调交流电部分：为电炒锅提供电源输入。2.2 具体电路设计2.2.1 主电路设计 图2.2 主电路图 图2.3 工作波形图从工作波形图可以看出，的移相范围为0 。=0时，相当于晶闸管一直导通，输出电压为最大值，U= U。随着的增大，U逐渐减小。直到=时，U=0。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：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；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；所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；应有的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。（1） 触发电路的选择采用KC05晶闸管移相触发器，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，移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制，有失交保护，输出电流大等优点，是交流调压电路的理想电路。（2） 触发电路的工作原理下图是KC05晶闸管移相触发器内部电路原理图。组成同步检测电路，当同步检测电压过零时截止，从而使导通，导通，使基极被短接，截止，对外接电容充电到8V左右。同步电压过零结束时，导通，恢复截止，电容经恒流放电，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。锯齿波送至与6#端引入的移相控制电压进行比较放大，当时，导通，截止，导通，输出脉冲。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。各点波形图如下所示。 图2.4 晶闸管触发电路图2.5 晶闸管触发电路波形图 KC05的电参数电源电压：外接直流电压+15V，允许波动5(10功能正常)。电源电流：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)。移相输入端偏置电流l0A。锯齿波幅度：78.5V。输出脉冲：脉冲宽度：l00s2 ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。脉冲幅度：13V。最大输出能力：200mA(吸收脉冲电流)。输出反压：BVceol8V(测试条件：Ie=100A允许使用环境温度：-l070。)2.2.3 保护电路设计因为电力电子器件承受过电流和过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。但又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，必须充分发挥器件应有的过载能力。因此，在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好以外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是必要的。过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压包括：操作过电压、雷击过电压。内因过电压包括：换相过电压、关断过电压。过电流分为过载过电流和短路过电流两种情况 下面对过电压保护、过电流保护进行简单的介绍：（1）过电压保护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为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，当达到一定电压值时，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。将阻容吸收网络并联在晶闸管两端，当晶闸管两端的电压过大时时，利用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电压。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的振荡，单相交流调压的过压保护电路如图2.6所示:图2.6过电压保护电路图（2）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。由于电力电子期间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。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广泛一种过电流保护措施。快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。熔断器FU是最简单有效的且应用最普遍的过电流保护器件。针对晶闸管热容量小、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。在选择快熔是应考虑一下问题：电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。 电流容量也应按其主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接。快熔的It值应小于被保护器件的允许的It值。 为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。根据以上所述设计的保护电路图如图2.7所示： FU图2.7 过电流保护电路图2.3 元器件型号选择（1）触发电路分析： 其数据如下： KC05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） 电源电流：12mA 同步电压：10V 同步输入端允许最大同步电流：3mA（有效值） 移相范围：170（同步电压30V，同步输入电阻10k） 相输入端偏置电流10A 锯齿波幅度78.5V 输出脉冲： a.脉冲宽度：100s2ms（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（晶闸管基极开路时集电极和发射极间的击穿电压）：BUceo 18V（测试条件：Te=100A 允许使用环境温度： -1070）故选取KC05为触发电路的晶片 （2）阻容吸收网络参数计算：由公式：C6IemPC(34)ICR IC=2fCUO*10（2-1）有以上公式得：I(A)1000500200100502010C(F)210.50.250.20.150.1R（）2510204080100由上表可知：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=0.1F、Uc=450V。 （3）快速熔断器的选取：快熔的额定电流IFU应按它所保护的元件实际流过的平均电流(IdVT)来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流IT(AV)来选择，一般IFU=(1.21.5) IdVT, 由 IdVT = =4.55A 得IFU=5.466.825A 目前常用的快熔有：小容量RLS(螺旋式)系列、大容量RTK（插入式）系列、RS0（汇流排式）系列、RS3系列、RSF系列等。通过上述计算，我们选择熔断器型号为RS-308，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。（4）主电路参数计算：U=U （2-2）当=0时，U最大，U=U=220V 因此R选取R= =24.2 （2-3）Io= = =9.1A （2-4） 因此IVT= = 6.5A （2-5）图2.8总体电路图2.4 系统调试或仿真、数据分析 2.4.1 数据分析： 数据分析： 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10A。4、负载为电阻负载。5、根据实际工作情况，最小控制角取1020左右作如下数据分析： 根据公式 可知若要输出电压在0220V连续可调，则将输出的电压的两个极值0V和220V代入公式中，即： 计算得出的取值范围是，但实际上要求是最小控制角在1020左右，因此把=10和20分别代入到公式中可以计算得出，取其平均值为219.445V，因此电压的取值范围是。计算流过晶闸管的电流值，根据要求输出电流量最大为10A，则晶闸管的电流有效值 ，代入数据的。 计算功率因数：由 ，（将根据实际工作情况，最小控制角取1020考虑进去）。得在不同状态下的取值范围是。第3章 仿真模型、仿真波形及其分析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还针对许多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。一般来说，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的模型而不需要自己编写代码。当今社会高性能能、低成本以及生产和更新换代周期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的仿真连线图2.9 仿真电路图 本电路中的可控整流元件为晶闸管。该电路的工作原理为：当电源电压正半周开始时触发，负半周时触发晶闸管，形成一个无触点开关，在触电两端将获得一个电压。若正负半周一同样的移相角触发和，则负载电压的有效值将随角的改变而改变，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决定。元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参数设定，其周期必须与交流电压的周期相一致，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。交流电源、两个晶闸管反向并联、阻感性负载即构成了主电路，再给两个晶闸管分别提供触发脉冲。为了观察波形，在电源两端、负载两端加上电压表，主电路中接入电流表，再将各表的输出导入示波器，同时还要观察两个触发脉冲的波形。3.1 仿真结果分析仿真前，要设定好元器件的参数。将题目条件中交流调压电路阻感负载的阻抗代入，交流电源的频率设为50HZ，触发脉冲的频率要和电源一样，故设其周期为0.02s，幅值设为12，脉冲宽度设为5，这里设触发时间一个为0.005s，一个为0.015s，即触发角为90。其仿真波形如图16所示。根据示波器输入端口的顺序，波形图分别表示：电源电压、负载电压、负载电流、正相触发脉冲、负相触发脉冲。 图2.10仿真波形图 第4章 课程设计总结通过本次设计，我对电力电子的知识有了更深的了解，在设计过程中，让我觉得理论与实际相差太远，想要全面的、熟练的掌握一门知识，仅仅学习理论是远远不够的，必须要通过实践来进行更深刻的了解。虽然在做设计的过程中觉得很辛苦，但是看见自己的设计结果时心里很高兴，因为不管设计的结果如何，毕竟 从中学习到了课堂上没有的东西，我想以后还会接触很多这样的设计，我会在以后的设计中更加努力的去完成。通过本次课程设计，加深了我电力电子的电理论知识的理解，同时也增强了动手能力。设计过程中，每一个元件都需要经过精心的计算，电路图的设计也需要精心的琢磨，所有的这一切都培养了我作学问的严谨态度和科学作风；本次课设为以后的学习乃至于走上工作岗位都积累了丰富的经验，对于我来说是受益匪浅。通过课设，发现理论知识到实践应用还有一段距离，作为当代大学生，实践显得尤为重要，因为我们承载得的太多，祖国未来的发展与兴旺还需要我们的双手去创造。所以我们一定要坚持“从实践中来，到实践中去”的伟大格言，投入到实践中去，在今后的学习中我会做到理论与实践相结合，加强自身素质，做一名合格的大学生。通过十天的紧张忙碌，课设就这样结束了。现在仔细想想，自己还是有一些收获的，进一步了解了我所学习的这门专业课得具体内容和未来的发展方向，更明确了自己今后的努力方向此次我做的课题是2000W电炒锅温度控制电路。通过这次设计让我更加了解了晶闸管的作用和性能还有未来的发展方向。通过这次课程设计我深刻体会到了实践才是检验自己掌握知识程度的标准，在此过程中发现自己在知识掌握方面还有很多的不足之处，从而激励我认真学习，扎实地掌握基础知识，并应用到实