单相交流调压电路课程设计.docx
- 文档编号:9959698
- 上传时间:2023-05-22
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:521.81KB
单相交流调压电路课程设计.docx
《单相交流调压电路课程设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《单相交流调压电路课程设计.docx(18页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
单相交流调压电路课程设计
中北大学
课程设计说明书
学生姓名:
学号:
学院:
信息商务学院
专业:
电气工程及其自动化
题目:
单相交流调压电路设计
指导教师:
付巍职称:
讲师
指导教师:
常晓丽职称:
讲师
2013年1月6日
中北大学
电子技术课程设计任务书
2012/2013学年第一学期
学院:
中北大学信息商务学院
专业:
电气工程及其自动化
学生姓名:
学号:
课程设计题目:
单相交流调压电路设计
起迄日期:
12月24日~01月4日
课程设计地点:
电气工程系软件实验室
指导教师:
石喜玲 张颖
系主任:
王忠庆
下达任务书日期:
2012年12月24日
1.设计目的:
1.加深理解《电力电子技术》课程的基本理论
2.掌握电力电子电路的一般设计方法,具备初步的独立设计能力
3.学习MATLAB仿真软件及各模块参数的确定
2.设计内容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等):
设计条件:
1.电源电压:
交流100V/50Hz
2.输出功率:
500W
3.触发角
4.纯电阻负载
根据课程设计题目和设计条件,说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。
设计内容包括:
1.晶闸管电流、电压额定参数选择
2.触发电路的设计
3.计算电路的功率因素
3.设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕:
1.根据设计题目要求的指标,通过查阅有关资料分析其工作原理,确定各器件参数,设计电路原理图;
2.利用MATLAB仿真软件绘制主电路结构模型图,设置相应的参数。
3.用示波器模块观察和记录电源电压、触发信号、晶闸管电流和电压,负载电流和电压的波形图。
课程设计任务书
课程设计任务书
4.主要参考文献:
[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009
[2].李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.2005
[3].洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.2006
[4].钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010
5.设计成果形式及要求:
1.电路原理图及各器件参数计算
2.MATLAB仿真
3.编写课程设计报告。
6.工作计划及进度:
2012年12月24日~12月25日设计电路,计算参数
12月26日~12月31日对设计的电路进行MATLAB仿真
2013年01月01日~01月04日编写课程设计说明书,答辩或成绩考核
系主任审查意见:
签字:
年月日
目录
1引言………………………………………………………………………………1
2课程设计的目的与要求………………………………………………………1
3控制系统分析……………………………………………………………………2
3.1控制要求及工艺过程………………………………………………………1
3.2方案论述………………………………………………………………………1
4系统设置………………………………………………………………………2
4.1硬件设计……………………………………………………………………2
4.1.1硬件电路图……………………………………………………………3
4.1.2十字路口交通灯控制的实验样板图………………………………………3
4.1.3外围硬件电路……………………………………………………………3
5程序设计…………………………………………………………………………3
5.1十字路口交通灯模拟控制时序图…………………………………………4
5.2程序流程图………………………………………………………………4
5.3程序梯形图………………………………………………………………4
6结论……………………………………………………………………………9
参考文献……………………………………………………………………………10
1引言
电力电子技术是研究采用电力电子器件实现对电能的换和控制的科学,是20世纪50年代诞生70年代迅速发展起来的一门多学科互相渗透的综合性技术学科[1]。
这些技术包括以节约能源、提高照明质量为目的的绿色照明技术。
以节约能源、提高运行可靠性并更好地满足产要求为目的的交流变频调速技术以提高电力系统运行的稳定性、可控制性为目的,并可有效节能的灵括、柔性、交流输电技术等等。
随着电力半导体制造技求、徽电子技术、汁算机技术以及控制理论的不断进步。
电力电子技求向着大功率、高频化及智能化方向发展,应用的领域将更加广阔。
八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率导体复合器件表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代[2]。
电力电子线路的基本形式之一即交流—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。
交流调压器与常规的交流调压变压器相比它的体积和重量都要小得多。
交流调压器的输出仍是交流电压它不是正弦波其谐波分量较大功率因数也较低[3]。
2单相交流调压电路的设计
2.1设计目的
1.加深理解《电力电子技术》课程的基本理论;
2.掌握电力电子电路的一般设计方法,具备初步的独立设计能力;
3.学习MATLAB仿真软件及各模块参数的确定。
2.2要求分析
设计一个单相交流调压电路,要求触发角为30度,输入交流U=100V/50HZ。
1.单相交流调压主电路设计,原理说明;
2.触发电路设计,每个开关器件触发次序与相位分析;
3.保护电路设计,过电流保护,过电压保护原理分析;
4.参数设定与计算包括触发角的选择,输出平均电压,输出平均电流,输出有功功率计算,输出波形分析,器件额定参数确定等可自己添加分析的参数;
5.相关仿真结果。
由以上要求可知该系统设计可分为四个部分:
交流调压主电路设计、触发电路设计、保护电路设计及相关计算和波形分析部分。
3设计方案选择
本系统主要设计思想是:
采用两个晶闸管反向并联加负载为主电路,外加触发电路;触发电路控制晶闸管的导通,从而控制输出。
其系统框图如下所示:
图3-1系统整体框图
4单向调压电路单元电路的设计
4.1单相调压主电路
如果在交流电源和负载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。
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场合[4]。
图4-1所示的就是一种采用晶闸管为主开关元件的单相交流调压电路图,这种交流调压电路的主电路仅由一对反并联的晶闸管或一只双向晶闸管构成。
图4-1单相交流调压电路图
4.2控制电路的设计
4.2.1触发信号的种类
晶闸管由关断到开通必须具备两个外部条件第一是承受足够的正向电压第二是门极与阴极之间加一适当正向电压、电流信号触发信号。
门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式[5]。
1直流信号
在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压则晶闸管将被触发导通。
这种触发方式在实际中应用极少。
因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。
若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加有可能超过门极功耗在晶闸管反向电压时门极直流电压将使反向漏电流增加也有可能造成晶闸管的损坏。
2交流信号
在晶闸管门极与阴极间加入交流电压当交流电压u0=ut时晶闸管导通。
ut是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值改变u0值可改变触发延迟角α。
这种触发形式也存在许多缺点如在温度变化和交流电压幅值波动时触发延迟角不稳定可通过交流电压u0值来调节调节的变化范围较小00≤α≤900。
3脉冲信号
在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号不仅便于控制脉冲出现时刻降低晶闸管门极功耗还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出实现信号的隔离输出。
因此触发信号多采用脉冲形式。
4.2.2触发电路设计
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。
广义上讲晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路但这里专指脉冲的放大和输出环节。
晶闸管触发电路应满足下列要求[6]:
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。
根据以上要求分析采用KC05移相触发器进行触发电路的设计。
KC05可控硅移相触发器适用于双向可控硅或两只反向并联可控硅的交流相位控制。
KC05驱动电路如图4-2所示:
图4-2KC05驱动电路
5驱动电路的设计
5.1晶闸管对触发电路的要求
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。
5.2触发电路
5.2.1KJ004可控硅移相电路
可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中作可控硅的双路脉冲移相触发。
器件输出两路相差180度的移相脉冲可以方便地构成全控桥式触发器线路。
电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低有脉冲列调制输出端等功能与特点。
5.2.2KJ004可控硅移相电路工作原理
电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。
电原理见下图:
锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1流出的充电电流和积分电容C1的数值。
对不同的移相控制电压VY只有改变权电阻R1、R2的比例调节相应的偏移电压VP。
同时调整锯齿波斜率电位器RW1可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围[6]。
R7和C2形成微分电路改变R7和C2的值可获得不同的脉宽输出。
其封装形式如图所示:
5-1KJ004封装形式
各引脚功能如下表所示:
表5-2引脚功能功
5.3触发电路
图5-3触发电路
6保护电路的设计
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、过电流、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。
6.1过电压的产生与保护
过压保护要根据电路中过压产生的不同部位,加入不同的保护电路,当达到—定电压值时,自动开通保护电路,使过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。
为了达到保护效果,可以使用阻容保护电路来实现。
6.2过电流的产生与保护
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。
当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败,以及交流电源电压过高或过低、缺相等,均可引起过流。
由于电力电子器件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、应用最广的一种的过流保护措施。
图6-2过电流保护电路图
过电流保护电路如图6-2所示,其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用。
直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用,对元件无保护作用。
只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好,因为它们流过同—个电流.因而被广泛使用[7]。
电子电路作为第一保护措施,快熔仅作为短路时的部分区段的保护,直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护,过电流继电器整定在过载时动作。
7相交流调压电路参数设定与计算
7.1电阻性负载
相交流调压变流器参数设定:
要求触发角为60,输入流U2220V,输出负载电阻200Ω。
图7-1电阻负载单相交流调压电路
图7-2为30度时相应的波形图
7.2电路分析与计算
图7-3单相调压电路电阻负载波形
在单相交流调压电路原理图中,晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。
在交流电源U2的正半周和负半周,分别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。
在稳态情况下应是正负半周的相等,可以看出,负载电压波形是电源电压波形的一部分,负载电流和负载电压的波形相同。
输出平均电压、电流及输出有功功率的计算,根据公式计算得出如下结果:
图及以上各式可以看出α的移相范围为0≤α≤π,α=0时,相当于晶闸管一直通,输出电压为最大值,uo=u1。
随着的增大,uo慢慢减少,直到α时uo=0。
随着控制角的增大,负载电压减小,控制角的移相范围为0<α<π。
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,负载电压有效值与负载电流有效值的关系为
U0=I0R
电源侧的视在功率S为
S=UIo
电源输出的有功功率(即负载消耗的功率)P为
P=U0I0
功率因数为
相控作用使电流发生滞后,并且波形也发生畸变,所以即使纯电阻负载功率因数也不为1。
而且控制角越大,功率因数越低,这是相控电路普遍存在的一个缺点。
8仿真图及其结果
8.1仿真电路图
SIMULINK是Mathworks公司开发的MATLAB仿真工具之一其主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析。
利用SIMULINK对系统进行仿真与分析可以对系统进行适当的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及确定控制系统的参数以提高系统性能减少设计系统过程中反复修改时间从而实现高效率地开发实际系统的目标[8]。
图8-1电路仿真原理图
表8-1仿真元器件表
SIMULINK框图提供了交互性很强的非线性仿真环境可以通过下拉菜单执行仿真或使用命令进行批处理.仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口显示。
利用Matlab软件进行一系列仿真,其原理图如上。
8.2仿真效果图
输入交流电源电压为100V/50Hz;保证输出功率为500W;触发角为
;纯电阻负载。
仿真其输入VT1,VT2触发脉冲,输出电压电流等。
图8-2触发角为300时的仿真结果
9结论
通过电力电子技术课程设计我加深了对课本专业知识的理解平常都是理论知识的学习在此次课程设计过程中我更进一步地熟悉了单相交流调压电路的原理和触发电路的设计。
当然在这个过程中我也遇到了困难查阅资料相互通过讨论。
我准确地找出了我们的错误并纠正了错误这更是我们的收获不但使我们进一步提高了我们的实践能力也让我们在以后的工作学习有了更大的信心。
这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的只有把所学的理论知识与实践相结合从实践中得出结论从而提高了自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计中遇到了不少困难但也让我学到了一些课本上没有的知识进一步的提高了我的能力。
让我收获最大的是我发现了自己对以前的知识理解的不够深刻掌握得不够牢固通过这次我把以前所学的知识重新温故巩固了所学知识让我受益菲浅。
附录
单相交流电压电路设计总电路图
参考文献
[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009
[2].王云亮《电力电子技术》北京:
电子工业出版社
[3].黄俊、王兆安《电力电子交流技术》北京机械工业出版社
[4].钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010
[5].李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.2005
[6].赵良炳《现代电力电子技术基础》北京清华大学
[7].WuXiaoyanZhangShuangxuan.MATLABApplication[M]Xian:
XianElectronicTechnologyUniversityPress,2006
[8].洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.2006
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 单相 交流 调压 电路 课程设计