吴振强《电力电子应用技术》课程设计报告

1、电力电子应用技术课程设计报告 设计题目： 可调开关设计 单相交流调压电路 学生姓名： 吴振强 专业班级： 14电气工程及其自动化（4）班 学 号： 1412406504039 指导教师： 唐东成 课程设计时间： 2016年12月5日 目 录一、设计目的1二、系统设计要求1三、可调开关设计2（一）可控硅调压电路组装与调试2（二）斩控式单相交流调压电路设计4四、总 结5参考文献6附 录7电力电子应用技术课程设计报告摘 要：单相交流电源的应用是非常广泛的。比如在农村、轻工业、家用电器等小功率传动领域以及电力机车供电系统。对于单相交流电源，调压和稳压是最为普遍的要求。目前能够实现这一要求的调压器有下面

2、三种：1)磁饱和式调压器 该调压器通过控制主电路中电感的饱和程度，以改变电抗值以及其上的电压，实现对输出电压的调节。这种调压器具有一定的动态性能，但输出电压的调节范围小，体积和重量较大。 2)机械式调压器 机械式调压器由电动机带动碳刷实现输出电压的调节。这种调压器输出波形较好，但体积、重量大，动态性能差。3)电子式调压器 这种调压器采用电力电子器件实现。目前有晶闸管调压器和逆变式调压器两种。晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式，其输出波形和动态响应较好。关键词：晶闸管；斩控式交流调压技术；单相交流调压电路1、 设计目的 1、培养探寻文献的基本能力，尤

3、其是利用网络搜索需要的资料和文献； 2、培养灵活运用所学的电力电子技术及其他专业知识和创造性； 3、掌握器件型号的选择，加深对调压电路原理的理解； 4、熟悉斩控式交流调压电路的工作原理 5、了解斩控式交流调压控制各元器件使用方法和输出波形； 6、培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 7、在工业生产及日用电气设备中，有不少交流供电的设备采用控制交流电压来调节设备的工作状态，如加热炉的温度、电源亮度、小型交流电机的转速等。这样就需要设计一种交流调压电路来控制，其基本原理是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。在每一个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可

4、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。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。二、系统设计要求1、可控硅调压电路要求合理选择晶闸管、整流桥及二极管型号； 完成电路理论设计、绘制电路图。2、斩波控制要求以比电源频率高得多的频率周期性接通和断开主电路开关器件，把连续的正弦输入电压“斩”成离散的脉冲状加于负载。因为开关器件是以高频工作，所以在电路中必须实施强迫换流。为此斩波控制的交流调压都是采用全控型双向开关器件。合理选择晶闸管型号。完成电路理论设计、绘制电路图及电路图典型波形。3、 可调开关稳压电源设计（1） 双向可控硅调压电路组装与调试 1、双向

5、可控硅调压电路原理 图（1）可控硅调压电路原理图可控硅调压电路原理如图（1）所示。当开关闭合，220伏电压接通后，交流电压便通过R1和RP给C1充电，当C1上的充电电压高于双向触发二极管的击穿电压时，双向触发二极管导通，电容C1才能通过双向触发二极管想双向可控硅的控制极放电，触发双向可控硅导通。通过改变RP的阻值，就改变了给电容器C1充电的速度，也就改变了双向可控硅的导通角，即改变了双向可控硅的导通速度，从而起到调压的目的。双向触发二极管的击穿电压一般为几十伏。所以电容器C1的耐压要在160V以上。 由于双向晶闸管的两个主电极没有正负之分，所以它的参数中也就没有正向峰值电压与反同峰值

6、电压之分，而只用一个最大峰值电压，双向晶闸管的其他参数则和单向晶闸管相同。2、双向可控硅的作用双向可控硅在电路中的作用是用于交流调压或交流电子开关；双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是比较理想的交流开关器件。3、双向可控硅调压电路元件清单表（1）可控硅调压电路元件清单元件名参数数量白炽灯泡/1件发光二极管/1件电阻R11K1件电阻R2100K1件滑动变阻器RP500K1件电容C1104P1件双向可控硅97A6/1件双向触发二极管DB3/1件4、双向可控硅优缺点双向可控硅的优点是在交流电路中只要使用一个双向晶闸管就可以代替两个反

7、并联的普通晶闸管；有多种触发方式，能方便、灵活地满足各种控制要求，对于控制电路的设计极为有利；在使用时，如果施加的瞬时电压超过转折峰值电压，即使是暂态，元件也会导通，经过半个周期后又恢复正常工作。所以，一般情况下可简化过电压保护线路；双向晶闸管具有容量大、体积小、能耗低、无噪音等特点。使设备简单、可靠。双向晶闸管的质量可靠、性能优良、使用简单，是广泛应用于强电领域的自动化控制方面较为理想的交流器件。双向可控硅的缺点是过载能力差，短时间的过流，过压都会造成元件损坏，因此为保证元件正常工作，需有条件：外加电压下允许超过正向转折电压，否则控制极将不起作用；可控硅的通态平均电流从安全角度考虑一般按最大

8、电流的1.52倍来取值；为保证控制极可靠触发，加到控制极的触发电流一般取大于其额值，除此以外，还必须采取保护措施，一般对过流的保护措施是在电路中串入快速熔断器，其额定电流取可控硅电流平均值的1.5倍左右，其接入的位置可在交流侧或直流侧，当在交流侧时额定电流取大些，一般多采用前者，过电压保护常发生在存在电感的电路上，或交流侧出现干扰的浪涌电压或交流侧的暂态过程产生的过压。由于，过电压的尖峰高，作用时间短，常采用电阻和电容吸收电路加以抑制。（二）斩控式单相交流调压电路设计 1、斩控式单相交流调压电路原理图7 交流斩波调压原理波形交流斩波调压的原理波形如图2-1所示。由图可知，它是用一组频率恒定、占

9、空比可调的脉冲，对正弦波电压进行调制后，得到边缘为正弦波、占空比可调的电压波形。该电压的调制频率f0，其基本谐波频率为±50Hz。改变占空比，即可改变输出电压。利用具有自关断能力的电力半导体器件就可方便地构成交流斩波调压电路。其工作原理为：利用可调占空比的PWM脉冲波驱动Q3，将等宽的电源脉冲电压施加到变压器的原边，同时利用过零信号驱动Q1和Q2，实现变压器的原边电流续流。只要输出滤波器参数设计合理，就可以得到高正弦度的输出电压波形，开关频率越高效果越好。这种变换器的设计难点在于双向可控开关Q1与Q2之间的是否能够安全切换。因为开关并非理想特性，在二者之间换流时存在电源直通与变压器原

10、边开路的可能性，而这两点是不期望的。为此必须在二者切换时采取安全换流策略。只需要利用电压传感器准确快速地检测电源电压极性来确定扇区，而不需要电流传感器检测变压器原边电流的极性。当然，传感器要有良好的线性度、快速性和光电隔离，由于电源电压很稳定，其过零点的检测比较准确可靠。扇区之间的切换不需要特别考虑，因为切换点只出现在电源电压过零点，切换时只要保证变压器原边续流路径即可。2、 主电路结构设计图8 主电路图（1）在考虑到减少电路误差的情况下，我们采用了如图8所示的主电路，主回路由QlQ3三个VMOS管和D1D3三个二极管组成的全控整流电路实现对交流输入电压的斩波调压。当交流输入电压在正半周时，电

11、流流经VD1、Q3、VD3；当交流输入处于负半周时，电流流经VD2、Q3、VD4、；Q3始终处于正向电压作用下，当在Q3源栅极之间加入触发信号时，Q3处于开关状态。调整加在栅极上的脉冲宽度即可调节输出电压的大小。由于Q3处于开关状态，且VMOS管具有很小的关断时间，只要适当选择较低的饱和压降，Q3的功耗可以做得很小，所以该斩波调压具有较高的效率。考虑到负载可能为感性的，加了由Q1、Q2及D1、D2组成的续流环节。当Q3关断时，在电压处于正半周时，Q2导通，Q1关断，流经负载的电流通过Q2、D1续流。在电压负半周 ，Q1导通，Q2关断，流经负载的电流通过Q1、D2续流。为防止Q1、Q 2、Q3同

12、时导通而引起较大的短路电流，对加在Q1和Q2上的触发信号有一定要求，这在过零触发电路中讨论。图中L1、C1为电源滤波网，以吸收瞬态过程中的过电压，并减少对外线路的干扰。L2、C2为输出滤波环节，由于本机调制频率取得较高，所以L2和C2只需很小值即可。其中每个VMOS管都有保护装置如图所示。3、 主电路保护设计图9主电路保护为使主电路长期稳定、安全可靠地工作，必须设计各种类型的保护电路，避免因电路出现故障、使用不当或条件发生变化而损坏电路上的零器件。主电路的保护分为两大类：第一类是芯片内部的保护电路。上面的主电路图设计中，在开关器件Q3的触发控制电路中将提供过流保护，在后面的控制电路中将会介绍。

13、第二类是外部保护电路，主要包括过流保护装置（如保险管、自恢复保险丝、熔断电阻器等）、启动限流保护电路、漏极钳位保护电路（或R、C、VD型吸收电路）、输入欠压保护电路、输入过压保护电路。本次外部电路过压保护的设计采用接触器的方式，具体电路如下图所示。在主电路上有一个线圈 KM的常闭触点，在电路的输出端用一变压器进行降压然后再用整流桥进行整流使之变成直流电，输出电压与比较器上设定的正5伏电压相比较，如果电路出现了过电压的现象，输出电压就会高于设定值，比较器就会输出电压，使三极管导通，这样就会使线圈KM的保护电路接通，线圈就会被通电，KM在主电路的常闭触点就会断开，从而达到保护主电路的作用。 4、驱

14、动电路设计采用自关断器件的单相交流调压电路和采用传统的可控硅组成的调压电路相比，具有功率因数高、电网污染少、波形畸变小等优点。其原理框图如图121。输入交流电压为220V，经过同步变压器T后，分别形成两路互为倒相的方波，宽度为180°，分别对应正弦波的正半周和负半周，由3525进行调制（调制频率约为2.5kHz）后，经过隔离及驱动电路，分别驱动两路功率场效应管。工作过程为： 当输入交流电处于正半波时，经调解制的方波信号施加于VT2的栅极和源极，VT1的控制电压为0V，交流电经L、R、VT2、VD1构成回路； 当输入交流电处于负半周时，方波信号加于VT1、VT2控制电压为0，交流电经过

15、VT1、VD2、R、L构成回路，从而在R上得到一完整的经过调制的单相正弦波交流电，有效值通过调节脉冲的占空比进行改变。 5、保护电路及设计当负载为阻感负载时，电路必须有续流环节，续流环节由Q1和Q2两个MOSFET来控制，当电压处于正半周时通过Q2,在负半周时通过Q1,但Q1与Q2之间如何进行转变这必须有一个正确的判断，这就需要过零检测电路。如下图所示，交流电压经过变压器变压，因交流信号有正向过零点和负向过零点，故运用一个正向比例器与反向比例器进行两零点与标准零点电压的比较，其输出信号经过光控隔离进行稳压和放大后，分别控制续流装置中的Q1和Q2两个MOSFET管控制端。图5.1过零检测及续流触

16、发电路为了防止Q1、Q2两个同时开通，我们采用了互锁，就是说Q1、Q2管不可以同时导通，在正半波，开通Q2管续流；在负半波，开通Q1管续流。6、 斩控式主电路原件清单表（2）斩控式调压主电路元件清单元件名参数数量VMOS管/3件发光二极管/3件电阻FU/1件滑动变阻器RP/1件PWM波发生器/1件电源滤波网/1件四、总结电力电子技术课程设计终于结束了,在这个星期我学会了很多东西,以前在课本上学的理论知识比较抽象,通过做这个课程设计,让我对这些知识有了更深的理解.而且通过对这些知识的应用,让我们学会了很多书本上没有的东西。 我们平时上课学了一些东西就以为自己学了很多，很新鲜的东西，以为自己很了不

17、起了。知道这次课程设计才发现，空有一点点皮毛知识是不行的，更多的时候是需要实践的。我们要做的不仅仅是吸收，了解只是。更重要的是能够熟练的运用学到的知识，做出实实在在的东西运用到日常生活和工作当中去，创造去更多的价值。在这次课程设计过程中遇到了很多大大小小的难题，这时才发现在知识的海洋里自己是多么的渺小，但这也激起了我学习的热情，我进行了多方面的学习和实践，最终还是把它们都克服了。在这次课程设计过程中我还学会了与同学交流和沟通，这样才能把自己在设计过程中学到的知识进行交流，在交流中进一步巩固自己的知识。这次课程设计只有两个星期的时间，时间比较紧张，提高工作、学习效率是唯一的办法。有了这份经历，更

18、让我觉得知识海洋的广博，驱使怀着好奇之心的我进一步努力学习告诉我为了填满好奇心，无时无刻不需要学习。每一次新的认识，总是疑问重重，不断的分析解决问题、解决问题，等到最后回想起来都是如此的简单。能学习能提高不容易，更重要的是我学会了如何解决问题，这次课程设计让我增加了自信心，懂得的越来越多，又感觉在以后的路上明白了很多知识，也为我在以后的学习和即将面临的毕业就业打好了良好的基础。感谢老师的精心指导。参考文献参考文献1. RM Mathur，RK Varma.Thyristor-based facts controllers for electrical transmission systems.New York：IEEE Press.2002.2. E Acha，VG Agelidis，O Anaya-Lara，TJE Miller.Power Electronic Controin Electrical Systems. .New