2000W电烤箱温度控制电路

1、本科生课程设计（论文）I辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：2000W电烤箱温度控制电路电烤箱温度控制电路院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气121121班班 学学 号：号： 120303008 学生姓名：学生姓名： 左昆左昆 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间：202014-12-29至至2015-1-9本科生课程设计（论文）II课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 电气学 号120303008学生姓名左昆专业班级电气121

2、班设计题目2000W电烤箱温度控制电路电烤箱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、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能实现功能利用晶闸管构成交流调压电路，调节电烤箱电热丝电压，从而改变电烤箱的温度，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、进行 matlab 仿真。7、完成设计说明书。要求要求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。

3、技术参数技术参数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 电烤箱。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 日本科生课程设计（论文）III注：成绩：平时20% 论文质量60%

4、 答辩20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）IV摘 要随着社会的不断发展，人们改造自然的能力也在不断的提高。机器的诞生，为我们减少了部分或者全部的脑力劳动和体力劳动。电子技术的诞生更是带来了翻天覆地的变化。本文是设计一个 2000W 电烤箱温度控制电路，为了实现温度控制，可以利用的方法有很多，例如：通过晶闸管等电力电子器件对输入和输出之间的交流电进行变换与控制的电路形式，其常用的控制方式有四种： 通断控制； 斩波控制； 相位控制； 周期控制等。可以根据不同的控制方式把交流电力控制系统分为以下几种基本类型。（1）交流调压电路 （2）交流电力电子开关 （3）交流斩波调压电路如果在交流电源和负载

5、之间之间用两个晶间管反并联后串联到交流电路中，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间管开通相位的控制，以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联，这都是十分不经济的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。但这种交流调压电路控制方便，体积小、投资省计制造简单。因此广泛应用于需调温的工频加热、灯光调节及风机、泵类负载的异步电机调速等

6、场合。电路控制：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。电路保护：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。器件选择：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；快速熔断器本科生课程设计（论文）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 烤箱温度控制电路设计 32.1 2000W烤箱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 42.2.1.1 主电路图的

7、波形分析 42.2.1.2 主电路的参数计算 52.2.2 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： 122.4.2 单相交流调压电路的 MATLAB 仿真 122.4.3 仿真结果分析 13第 3 章 课程设计总结 15参考文献 17本科生课程设计（论文）1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

8、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

9、，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。 本科生课程设计（论文）21.2 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，改变电烤箱电热

10、丝的电压，从而改变电烤箱的温度，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、电烤箱的温度控制、灯光调节

11、、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，来完成对电烤箱交流调压电路的工作控制。本科生课程设计（论文）3第 2 章 2000w 烤箱温度控制电路设计2.1 2000w 烤箱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

12、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烤箱的连续温度控制。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烤箱温度的控制。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。本科生课程设计（论文）45、输出连续可调交流电部分：为电烤箱提供电源输入。本科生课程设计（论文）52.2 具体电路设计

13、2.2.1 主电路设计 图 2.2.1 主电路图2.2.1.1 主电路图的波形分析 图 2.2.1.1 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。oio直到 =时，U =0。o本科生课程设计（论文）62.2.1.2 主电路的参数计算 U =Uoi当 =0 时，U 最大，U =U =220V 因此 R 选取 R= =24.2ooiIo= =9.1A 因此 IVT= =6.5A 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

14、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；3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；4）应有的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。下面对晶闸管触发电路进行简单的介绍： 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

15、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。 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。 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， V4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， V1

16、2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。22-22sin22000220WVRU02 .24220V20I本科生课程设计（论文）7各点波形图如下所示。图 2.2.2.(a) 晶闸管触发电路图2.2.2.(b) 晶闸管触发电路波形图本科生课程设计（论文）8 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：

17、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。)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

18、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，当本科生课程设计（论文）9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

19、，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 2.2.3(a)所示:图 2.2.3（a）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

20、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：1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2) 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。本科生课程设计（论文）103）快熔

21、的 I t 值应小于被保护器件的允许的 I t 值。224) 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 2.2.3（b）所示： FU图 2.2.3（b）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

22、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）本科生课程设计（论文）11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*10226-有以上公式得：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

23、=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。I(A)100050020010050201

24、0C(F)210.50.250.20.150.1R（）251020408010020I22USNCOXU本科生课程设计（论文）12图 2.3.1 总体电路图本科生课程设计（论文）132.4 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o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 0，但实际上

25、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Uo1=219.87V，Uo2=219.445V，取其平均值为 219.445V，因此电压的取值范围是0Uo219.445V。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 IVT= ，代入数据的 IVT=7.07A。 计算功率因数 ：由 = =0.99 ， （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 00.99。2.4.2 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科学计算工

26、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20IiOUU本科生课程设计（论文）14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

27、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。 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，在触电两端将获得一个电压 Ud。若正负半周一同样的移相角 触发 VT1 和 VT2，则负载电压 Ud 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

28、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。2.4.3 仿真结果分析本科生课程设计（论文）151、电阻性负载。从仿真结果上来看，随着 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 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 的增大，负载的电压和电流变为正弦波。图像如

29、下图所示。 图 2 串联 RLC 支路在 30调压角时的电压、电流波形（电阻负载）图 3 串联 RLC 支路在 60调压角时的电压、电流波形（电阻负载）本科生课程设计（论文）16 图 4 串联 RLC 支路在 60调压角时的电压、电流波形（电感负载）本科生课程设计（论文）17第 3 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