电力电子技术课程设计（论文）-单相交流调压实验装置.doc

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：单相交流调压实验装置单相交流调压实验装置 本科生课程设计（论文） iii 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： 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文） 题目 单相交流调压实验装置单相交流调压实验装置 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 为了电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、 观察单相交流调压电路的各种参数及波形，通过实验验证所学的理论知识。 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、完成 4000 字左右说明书。 要求要求 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5a。4、负载为电阻负载或阻感负载。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：触发电路设计；第 7 天：保护电路设 计；第 8 天：电路调试或仿真；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 本科生课程设计（论文） iv 摘 要 本文主要介绍单相交流调压实验装置的设计。单相交流调压电路是电力系统 中应用最为广泛的交流电力控制系统之一，其晶闸管利用电源自然换相，无需强 迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，具有调速快，控制方便，重量轻、体积 小等优点，具有很大的发展空间。交流调压电路主要应用在电热控制、交流电动 机速度控制、灯光调节、温度调节、交流电机的调压调速、变压器初级调压等场 合，但它自身也存在功率因数较低，易产生高次谐波等缺点。本文旨在设计一种 实用可靠的交流调压装置，以满足电力电子技术课程的教学实验的需求。 关键词：单相 交流 调压 实验装置 设计 本科生课程设计（论文） v 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 电力电子技术概况 .1 1.2 本文研究内容 .2 第 2 章 单相交流调压电路实验装置的设计 . 2.1 单相交流调压电路实验装置总体设计方案 .2 2.2 具体电路设计 .3 2.2.1 主电路设计.4 2.2.2 控制设计.4 2.2.3 保护电路设计.7 2.3 数据分析与元器件型号的选择 .8 2.4 系统调试或仿真 10 第 3 章 课程设计总结 .12 参考文献 13 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 电力电子技术已迅速发展成为一门独立的技术和科学领域，它是利用电力电 子器件对电能进行控制和转换的学科。电力电子技术包括电力电子器件，变流电 路和控制电路三部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学 科。随着科学技术的发展，电力电子技术与现代控制理论，材料科学，电机工程， 微电子技术等诸多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性 技术学科。 电力电子技术本身是大功率的电技术并以半导体为基本材料。近代新型电力 电子器件中大量应用了微电子学的技术，其主体电力电子电路吸收了电子学的 理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这 些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路 及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称 为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。近些年来一些 新器件的研制成功使电力电子系统的体积、重量、效率、性能等各方面指标不断 提高，它将使电力电子技术发展到一个更新的阶段。与此同时，电力电子器件、 电力电子电路和电力电子装置的计算机仿真技术也在不断发展。 历经整流器时代，逆变器时代和变频器时代的发展，电力电子技术日臻成熟。 当前电力电子技术作为节能、节材、自动化、智能化和机电一体化的基础，正朝 着技术高频化，硬件结构模块化，控制技术数字化，产品性能绿色化发展。当前， 电力电子技术作为电工技术中的新技术，对未来输电性能将产生重大影响。在我 国，电力电子技术产业是一个年轻但极具发展前途的产业，以电力半导体器件及 变频技术为核心的电力电子行业必将有着更为光明的前景。本次设计装置的主体 单相交流调压装置在现实生活中同样有着广泛的应用，如舞台的灯光调节，工 频、感应加热，交流电机的调压调速等，其具有控制方便，调节速度快等优点， 具有很大的发展空间。 本科生课程设计（论文） 2 1.2 本文研究内容 本文主要内容是设计一种交流调压装置，通过实验装置的设计思路和设计结 果，最后证明实验装置的性能可靠，可以使学生通过该装置测试观察交流调压电 路的参数及波形，验证所学的理论知识。 具体研究内容可分为以下部分： 1、 单相交流调压电路总体设计方案的论证与叙述； 2、 单相交流调压主电路的设计及与原理说明； 3、 触发电路的设计，每个开关器件的触发顺序及相位分析； 4、 保护电路的设计，过电压保护，过电流保护的原理分析； 5、 根据具体要求选择与案件的型号，电路参数的计算； 6、 系统的仿真与图像分析。 由以上要求可以具体将此装置设计分为以下四个部分：主电路的设计、触发电路 设计、保护电路设计，系统参数的计算和仿真分析。下面分别作详细介绍。 第二章 交流调压电路实验装置的设计 2.1 交流调压电路总体设计方案 本次课程设计的目的是设计交流调压电路试验装置。方案图如下图所示。首 先由 220v 交流电作为输入，经过变压变为 30v 驱动以 kc05 为主体的触发电路 工作，同时交流电压加到主电路上，在触发电路的作用下，晶闸管依次导通，在 每半个周期内对晶闸管开通相位的控制，可以方便的实现交流调压。从总体设计 上来看，本次试验要求的精度相对不是太高，触发电路用 kc05 就能很好的满足 本科生课程设计（论文） 3 要求，而且 kc05 相对性价比较高，因此选用它作为主电路的触发电路，本实验 装置对流过电路的电流要求为 5a，那么可以计算流过晶闸管的电流就是 3.53a， 因此可以看出事实上流过晶闸管的电流不是很大，选取普通的晶闸管就足以满足 要求，本次实验的电压为交流电压 220v，因此对晶闸管的耐压值要求较高，实际 选取中还要考虑到安全裕量，电压值选取为耐压值为 500v 左右，电流值为 7a 左 右的晶闸管，同时实验室的温度和湿度是经过保证的，因此可以忽略掉这方面对 元器件造成的影响，最终我选取了型号为 t21210 的普通螺栓型晶闸管，其耐 流值为 10a，最小耐压值为 600v，足以满足实验要求。由于晶闸管属于比较脆弱 的电力电子元件，因此我在试验装置中加了以阻容元件和快速熔断器为保护设施 的保护电路，这样可以确保在过电流或过电压下晶闸管不至于损坏，从技术上来 看此套实验装置接线简单易行，可靠性较高，经过后期的仿真实验可以看出，本 装置完全可以满足最基本的实验需求。最后经过具体论证，方案图如下图所示。 图 1 单相交流调压电路的总体设计方案图 本科生课程设计（论文） 4 2.2 具体电路设计 2.2.1 主电路设计 单相交流调压主电路图如图 2 所示。两个晶闸管 vt1 和 vt2 反并联串联在 交流电路中，在每半个周期内对晶闸管开通相位的控制，可以方便的实现交流 调压。本套实验装置是针对纯电阻负载 r 设计的，在电阻负载时，晶闸管的导 通角只与控制角有关，正负半周起始时刻（=0）的时刻均为电压过零时刻， 在稳态状况下，应使正负半周的 相等。的移相范围应是 0， 。对脉冲 触发的要求除了要保证与电源同步外，脉冲本身的宽度也要保证晶闸管能够导 通。根据题目要求取最小导通角为 20300左右。 图 2 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： 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）有良好的的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。 触发电路的选择 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。其引脚如 图 3 所示。kco5 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。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，移相幅度宽，控制方式简单，易于集中控制，输出 本科生课程设计（论文） 5 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 kc05 晶闸管移相触发器内部电路原理图如图 4 所示。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，v12 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。各点波形图如图 5 所示。 图3 图4 本科生课程设计（论文） 6 图 5 综上所述，由 kc05 移相触发电路构成的触发电路如图 6 所示： 图 6 本科生课程设计（论文） 7 2.2.3 保护电路设计 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。然而实际操作中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，必须充分发挥器件的过载能力。因此，保护电 路的设计就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的重要环节。 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。将电容并联在 回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，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振荡，单相交流调压的过电压保护电路如图 7 所示。 图 7 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。针对单相交流调压试验中晶 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 本科生课程设计（论文） 8 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。保护电路的实验电路图如图所示。 图 8 2.3 数据分析与原件型号的选择 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 5a；4、负载为电阻负载或阻感负载；5、根据实际工作情况， 最小控制角取 20300左右作如下数据分析： 根据公式 u0=u1/2/2sin 可知若要输出电压在 0220v 连续可调，则将输出电压的两个极值 0v 和 220v 代入公式中,即: 0=u1 ， 220= u1/2/2sin 计算得出的取值范围是 0，但是实际要求是最小/2/2sin 控制角在 20300 左右，因此把 =200 和 300分别代入到公式中可以计算得出 uo1=216.67v，uo2=218.89v，取其平均值为 217.78v，因此电压的取值范围是 0uo217.78v。 2、计算流过晶闸管的电流值，根据要求输出电流最大为 5a，则晶闸管的电流有 效值为 io=i1/，代入数据得 io=3.53a。2 3、计算功率因数。由=， （将根据实际工作情况，最小/2/2sin 控制角取 20300考虑进去）得在不同状态下的取值范围是 00.98. 4、触发电路的选取选取 kc05 为触发电路的晶片，其数据如下：kc005 的电参数 本科生课程设计（论文） 9 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：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)。 相输入端偏置电流l0a。 锯齿波幅度：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。 5、 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=0.1uf ，uc=450v。 6、 快速熔断器的选取快熔断的选择：快熔的额定电压 urn 不小于线路正常工作 电压的均方根值；快熔的额定电流 irn 应按它所保护的元件实际流过的电流的均 方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流 ir(av)来选择，一般应小 于被保护晶闸管的额定有效值 1.57 ir(av)。即可按下式选择： 1.57 ir(av)irnio (管子实际最大电流有效值) 通过上述公式我们选择熔断器型号为 rs308，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。 本科生课程设计（论文） 10 2.4 系统调试或仿真 2.4.1 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 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。一般说来，用户可以直接使用工具箱足学习、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、低成本以及生产和更新换代周期短已经成为 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。 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。在触点 两端将获得一个电压 ud。若正负半周以同样的移相角触发 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设定。元器件的选择与 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源的周期相一致，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。 本科生课程设计（论文） 11 2.4.2 仿真结果分析 1、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；随着移相角的增加，负载的电 压和电流变为正弦波。图像如下图所示。 本科生课程设计（论文） 12 第三章 课程设计总结 忙忙碌碌中，电力电子技术的课程设计结束了，这次课程设计让我受益匪浅。 通过这次设计让我有机会将课堂上所学的内容运用到实际中去，并完成了对知识 的巩固运用。 课程设计的目的就是培养学生的综合运用所学知识，独立分析和解决实际问 题，是锻炼和考察学生实际工作能力的重要环节，同时课程设计也是对每个同学 的一种考验。尽管电力