电力电子课程设计交流调压

1、电力电子课程设计报告 交流调压目 录1 引言42 电源设计的基本要求53 电路总体方案的设计及相关原理53.1 基本电路图及相关原理53.2 设计方案64 主电路设计及参数计算84.1 主电路设计84.2参数计算85 控制电路设计105.1 控制电路105.2 控制电路中需注意问题106 课程设计总结11参考文献111 引言电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，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。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的科学，而它现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，在培养该

2、专业人才中占有重要地位。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，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）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

3、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。 由此可以预见，在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。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。而在此我们要讨论的交流-交流变流电路，是把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，应用十分广泛。我们将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。这种电路的特点是不改变交流电的频率，因此

4、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，就可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路被称为交流调压电路。交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。在供电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。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。对亮度可连续调节灯光电路，用单相交流调压电路就能够实现。 2 亮度调节电路的基本要求本次设计的亮度可连续调节的灯光电路的基本要求为：1.输入220v单相交流电，负载（灯泡）的规格：额定电压110v，额定功率100 w；2.灯泡的亮度要能根据周围环境的亮暗程度来自动的进

5、行调节，保证能够照亮周围环境，同时也能适当的节约电能；3.最好使电路能构成手动调节部分，在不需要自动调节的时候能对其进行手动调节亮暗；4.保护电路，对于电路而言，为了防止短路电流过大，基本都要进行过电流保护，同时，某些重要的电力电子器件也要对其进行保护，以保证电路功能的良好实现。3 电路总体方案的设计及相关原理3.1基本电路图及相关原理3.1.1 单相交流调压单相交流调压在负载和交流电源间用两个反向并联的晶闸管vt1、vt2或采用双向晶闸管vt相联。当电源处于正半周的时候，触发vt1导通，电源的正半周施加到负载上；当电源处于负半周的时候，触发vt2导通，电源负半周便加到负载上。电压过零时交替触

6、发vt1、vt2，则电压全部加到负载。通过控制晶闸管在每个电源周期内的导通角的大小来调节输出电压的大小。3.1.2 单相交流调压原理（电阻负载） ou1uoiouvtwtowtowtowtru1uoiovt1vt2（图1 电阻负载单相交流调压电路及其波形）根据该电路图分析可知：电源在正半周时，晶闸管vt1承受正向电压，当的时候，触发vt1使其导通，则负载上得到了缺角的正弦半波电压； 当电源电压过零时，vt1管的电流下降为零而关断；在电源电压u的负半周，晶闸管vt2承受正向电压，当时，触发vt2使其导通，则负载上又得到了缺 角的正弦半波电压。如此往复，则在负载电阻上得到了每半波缺角的正弦电压。

7、此时，负载电压有效值u0、负载电流有效值i0、晶闸管电流有效值ivt和电路的功率因数分别为： （1） （2） （3） （4）由以上四式可以看出，的移相范围为。当时，相当于晶闸管一直接通，输出电压为最大值。随着的增大，逐渐降低。直到时，。此外，时，功率因数，随着的增大，输入电流滞后于电压，且发生畸变，也逐渐降低。因此，通过对导通角的控制，就能实现对输出电压有效值的连续控制，从而实现对灯亮暗的控制。3.2 设计方案3.2.1 总体设计方案总体的基本设计方案如下流程所示：单相交流220vad转换交流变直流单相交流调压电路晶闸管调节触发角（）灯光亮度自动调节 (图2 总体设计方框图)通过该方框图可知，

8、该电路主要由变压器、交流调压电路和触发电路，以及负载电路四个部分组成，其总电路图3所示：（图3 总体电路设计图）如图所示，电网电压220v经过一个2:1的交流变压器被降为110v的，适合负载的电压。然后通过四个二极管组成的整流器将交流转变为直流，再进行调压处理。控制电路中，主要功能由光敏电阻跟晶闸管实现，通过光敏电阻阻值的变化，其与r2的分压比发生变化，导致电容充放电，而电容的充放电对晶闸管的导通角进行控制，从而控制了负载电压的大小，实现了光亮度的自动控制功能。3.2.2 设计方案改进完善1.根据负载（灯泡）的要求的电压范围为：0110v，因此电压要控制在110v一下。那么，可以通过一简单的交

9、流变压器实现对其电压的降压功能；2.由于负载（灯泡），甚至整个电路对电流也有一定的要求，即不能过高。当电流高于6a时就有可能损坏电路元件，甚至将整个电网烧毁。为了解决这个问题，可以设计一个电流保护装置。在这里呢，我选用的是保险丝，对整个工作电路能起到一个电流保护作用；3.在该电路图中，起重要调压作用的晶闸管并没有任何保护装置对其进行相应的保护，因此，这里需要进行适当的改进，用rc对其进行过电压保护；4.电容的充放电实现了对晶闸管导通角的控制，但是，一旦电容被击穿，那么，整个电路的功能就无法实现。所以，这里，我们用了一个双触发二极管，利用导通0.7v的压降来保护其能正常工作。综上可知，经过一定改

10、进的电路如下所示（图4 改进之后的总体电路图）4 主电路设计及参数计算4.1主电路设计 主电路如上图所示，各个参数如下： 灯泡参数：110v，100w 电阻：r1=100k,r2=45k 光敏电阻rl： 0100k 电容c：0.02f4.2 参数计算4.2.1 变压器部分变压器部分相对比较简单，变压器直接用单相变压器就可以，使用变压器就是为了达到降压的目的，使电压能满足设计要求的110v。根据公式: （5）其中，为输入的220v单相交流电压；为单相交流调压电压的输入电压110v。则可可以求出 ，可令 匝，匝。4.2.2 灯泡参数设定 根据前面的信息可得，灯泡参数为：额定电压为110v，额定功率

11、为 100 w，根据 (6)可求得，r=121 。4.2.3 调压电路原理调压电路如图5所示，对于一般调压电路的计算过程如下：单相相控交流调压电路中，通过改变控制角来调节晶闸管的导通时间，进而起到调节负载电压有效值的作用。 ru1uoiovt1vt2 （图5 调压电路图）电源正半周vt1承受正向电压，在t=时，触发vt1导通，负载电压uo=u，由于是电阻性负载，负载电流io= u/r，到t=时，正半周结束，io=0，vt1关断。此后uo=0。在电源负半周，vt2承受正向电压，t=+时vt2被触发导通，uo=u，t=2时，vt2关断。负载电压的波形如图所示。根据以上过程可知，负载电压的有效值uo

12、的大小为： （7） 随着控制角的增大，负载电压减小，控制角的移相范围为0<<。由于是纯电阻负载，负载电流瞬时值io与负载电压uo呈正比关系，而负载电压有效值与负载电流有效值的关系为:。4.2.4 晶闸管参数计算额定电压： （8）其中；所以，取额定电流： (9) （10）其中，r=121，=0代入式（10）中可求得 。则，取。5 控制电路设计5.1 控制电路如图6所示，通过电容的充放电的速度来控制晶闸管的导通角，双向触发二极管适当保护电容，防止电容被击穿，而使电路失去调压功能。同时，此双触发二极管也具有一定调节控制角的功能。vtvd2c （图6 控制电路简图）5.2 控制电路中要注意

13、的问题 1.根据实际分析，在现实生活中，110v的用电器一般是很少见到的，也就是说，这里为了保护每个电子元件，使其所受电压相对较低而设定的电压值110v在现实生活中是没有多大的意义的。所以在这里，首先要对其进行更正，将负载，也就是灯泡改为220v，40w，作为台灯用电器使用； 2.由于对主要用电器参数的改动，那么其他的电路参数也要适当进行更改，改动后的参数如下： 电阻：r1=100k, r2=45k 光敏电阻rl： 4150k 电容c：0.022f晶闸管参数： 由（8）式可得，额定电压：，而此时所以，取 由（9）式可得，额定电流：，代入式（10）中，式中，r=1210，=0，则可求得 。则，取

14、。 6 设计总结与体会本次课程设计，虽然总体来说，都是纸上谈兵，但是对于我们来讲，还是有很多的收获的。 首先，设计过程中，我们需要查阅很多资料，书本的，网上的，等等很多资料，我们就不得不用到手边的很多工具，像图书馆还有网络检索功能等一些工具，锻炼了我们自己查资料的能力。 其次，对我们提出问题，分析问题，解决问题的能力有了一定程度上的提高。对于初次做这种设计的我们来说，我们的很多能力都需要提高，尤其像这几种能力，也是在日常生活中很重要的几个方面要设计一个产品，首先就要知道他的功能，那么，我们要如何实现呢？在实现的过程中，或多或少会遇到这样那样的问题，我们就必须一个一个的分析这些问题，然后想办法去解决他。在这一系列的过程中，自然而然的就提高了我们这几方面的能力。同时呢，为了解决某些问题，这些问题很可能是我们根本就不熟悉，甚至是没有见过的问题，这样我们就需要查资料去解决，不知不觉中，又提升了查资料相关的本领。 最后，熟悉了很多软件，尤其是visio作图软件。在此之前，我只知道visio能画流程图，不知道它还能画电路图。所以说经过这次课程设计，又多学到了一个软件的用途，也熟悉了它的用法，对我们来说，是一个很好的尝试与应用。 总的来说，这次设计的收获很大，虽