大型电气课程设计报告-交直流通用型调压器设计报告

1、大型电气课程设计报告书题 目：交直流通用型调压器设计专 业： 13 电气工程及其自动化 1班姓 名：学 号：指导老师： 王锦辉 雷美珍时间：2016年10月一2016年11月浙江理工大学本科大型电气课程设计任务书课题名称交直流调压（调速）器设计主要任务一、主要任务1、设计出通用型交直流调压器，可用于直流电机及单相交流电机的调速。2、输入电源：220V, 50Hz单相交流电源。3、输出：交流调压：0220V AC直流调压：0220V DC功率：大于或等于 500W4、能通过简单的改变接线实现交、直流调压器输出的切换。5、具有过流保护功能。主要内容本课题主要研究交直流调压器的工作原理与设计，采用单

2、向桥式全波整流，同步信号获取，锯齿波信号获取，利用反相器放大电路方向，与控制电压通过 电压比较器比较，经推挽电路放大驱动佶号功率，调节控制电压控制MOSFET导通角，从而实现调压目的。该同学主要，作是各模块控制电路的设计，实际 电路的焊接、测试与实现。基本内容：1、设计交直流调压器总体方案；2、主回路设计；3、同步信号、锯齿波发生电路设计；4、调压控制驱动信号产生电路设计；5、MOSFET驱动电路与过流保护电路设计；6、记录波形分析数据。主要参 考资料 及义献 阅读任务一、主要奔支文献1、电力电子技术，王兆安，机械工业出版社；2、计算机控制技术及工程应用，林敏，国防工业出版社；浙江理工大学大型

3、电气课程设计摘要电力电子技术主要是研究各种电力电子器件，以及这些器件构成的装置，对电能进行变换和控制的技术。它包括对电压、电流波形和相数等的变换。电能变 换技术一直为电工界的重要研究课题。 器件、电路及其应用是电力电子技术的主 要研究内谷。本设计介绍了交流调压器电路的设计原理、工作过程、波形以及主电路中所 用器件的参数计算。通过 MOSFET动电路实现调压电路的控制，最后可实现外 接220V电压同时通过调节滑动变阻器实现电灯的亮度调节。另外，为了保证 MOSFET动器件及电路能够长期可靠地运行工作，必须采取恰当的保护措施。 因此，本设计还加入了短路保护电路，当电路中发生短路时，可实现电路有效保

4、 护，当短路解除后，电路正常工作。关键词：交直流调压；短路保护；MOSF邸动电路浙江理工大学大型电气课程设计交宜流通用型调压器设计.系统概述设计指标1）设计出通用型交直流调压器，可用于直流电机及单相交流电机的调速。2）输入电源：220V, 50Hz单相交流电源。3）输出：交流调压：0220V AC直流调压：0 200V DC功率：大于500W4）能通过简单的改变接线实现交、直流调压器输出的切换。5）具有过流保护功能。设计要求分析1）主回路可以采用但功率 MOSFET制的交、直流通用型调压电路，通过简单 的变换接线方式，实现输出的交流、直流变化。2）设计合理的同步电路，解决导通控制信号与主电路的

5、同步问题。导通控制信 号为MOSFET动信号，不能采用原用于可控硅 SCR勺触发脉冲信号。3）设计合理的MOSFET动电路，实现对主电路的控制，要简单，低耗。4）由于要与主电源同步，驱动信号应与同步电路协调，输出与电源同步的信号5）由于是可关断的MOSFET件，应能设计出更好的过流保护电。系统总体框图根据设计要求，系统控制电路应该包括如下电路单元:直流输出交流输出浙江理工大学大型电气课程设计2硬件电路设计2.1 主回路工作原理：1）作为直流调压器使用时，短路1、2端子，负载接入3、4端子，控制MOSFET 器件的通断，实现调压。2）作为交流调压器使用时，短路3、4端子，负载接入1、2端子。本电

6、路中的MOSFET件采用IRFP450场效应晶体管。同步信号电路同步信号的目的就是与主电源的过零点同步起来。同步获取电路与电源电路结合，省掉同步信号的变压器绕组，直接通过主电源电路的整流电路来获取。具体电路设计如下：浙江理工大学大型电气课程设计51V -O. D2. D3C1 ：,ZiGBQpF.4UKrXJ47。4口 1C3BA682BA682 VC bT 1RC4F.LI党后4I12VU1R1-AA 1KQ R2-AA/V-LM7912CT- .HT-WV ：Qi 10KQ：IR4：?WkQ |Q2 2N22S12N2221其中，D5起隔离作用，这样UA的波形为全波整流波形，不受后级的滤波

7、电 容影响。R1, R2, C3为滤波电路，由于回路工作模式为波形切块运行，会引入 很多的谐波分量，如不加滤波电路易受干扰，尤其是输出电压低时。工作时，可 以得到C点的与主回路过零点同步的短路信号，每次主回路过零时， C点均受到 短路，保持与主回路的同步关系。锯齿波发生电路设计有了同步信号后，需产生一个锯齿波信号，又锯齿波信号来获取调压控制信 号就相对简单了，所以需要利用同步信号来产生一个锯齿波波形。具体电路如下：Q2 - -2N2221Q3 ：.M2V51kQ :;2N1132A浙江理工大学大型电气课程设计锯齿波发生电路是由同步信号与恒流充电电路组成，其中，R5 R& R7、T3构成一个恒流

8、充电电路，给 C4电容充电，恒流电流计算公式：R6 12-0.7-12R5 ReI R7由于后级比较电路采用运放单电源工作方式构成，所以输入电压不能到 0, 为此电路中可以垫入一个二极管 D6,使锯齿波波形最低电压变为 0.7V,为后级 电路正常工作做准备。调压控制驱动信号产生电路为了得到调压控制信号，将 皿4电压波形进行处理，可以运用运放的反相放 大电路。与控制电压Uk作比较时可以得到不同导通角度的驱动信号，实现调压 控制的目的。反相放大电路如下所示：*12VR7 ； 51kQR2R5 1OkQ2N1132A*R6 1OKQn VQCM324ADVAVA ：二：200kDCl 土q.i听:：

9、RIUK和输电蚱R4VA-*BR3-VW200kD：-. i i.:里动伸手LM324AD输出：C2 ：Q1UF浙江理工大学大型电气课程设计MOSFE驱动电路驱动MOSFET以选用专用的驱动电路，但对于本电路而言，由于工作频率 降低而且没有调制的高频，所以驱动电路可以选用简单的推算电路来实现。 具体 电路如下：VCC：R6：5.1kCR1An2N2221 R2*WVQ3 2200IRFP441 D1 点一2N1132A二二 K 二 BA6821 -过电流保护电路由于主回路有电流采样电阻获得了电流信号， 利用这个信号设计一个可靠的 过流保护电路，实现对电路的可靠保护。RTvcc12V:ikaR6

10、 SCl IkQ ： Dd BA6B2U1 :IC1 6iok；o浙江理工大学大型电气课程设计系统总体线路图综上所述得到上图的系统总电路图，其中电位器调节电压实现输出电压的调 节，控制电路为开环控制方式。3系统方案验证在同步信号获取电路中，上面的设计电路采用的是全波整流电路，在实际电路中采用的是半波整流电路。同步信号的获取同信号获取电路采用与电源供电电路同一变压器绕组， 节省了一个绕组，这 样的设计能取得同步信号，对电源电路有影响，电源电路的电压会变小了，同类 型的电路可以采用半波整流电路。具体仿真电路如下图：把D 怕 ftMLraw浙江理工大学大型电气课程设计绿色曲线A点整流仿真蓝色曲线一一

11、B点尖峰脉冲图中正弦波为A点电压波形，当A点电压波形过零点时，B点会产生相应的冲激 波形，实现与电源电压的同步，便实现与主回路的同步。红色曲线A点整流仿真绿色曲线一一T2输出点(C点)电压波形个短路信号，保持与图中当A点电压过零点时，T2输出点便会短路，相当于 主回路的同步。锯齿波信号发生电路在锯齿波发生电路上，其电路是由同步信号与恒流充电电路组成，其中R5Ra R7、T3构成一个恒流充电电路，给 C4电容充电，恒流电流可以计算：,(12-0.7-R)*12I 二R7假设锯齿波幅值最高为6V,因为锯齿波幅值最高要6V,所以PNP的B级电 压要高于6V,所以取R5=10K,R6=204,得到(1

12、2 -0.7 -8)二 0.05mA68K充电电压：0.75.7V所以 C4=Q/ U= 0.1uF 。在反相放大电路中，R10=10K R11=20K求得两电阻中的电压为 U=4V(Uc4-U)/R8=(U-U d)/R9根据斜率的变化可以估算出 R9/R8=1/2;由此可以得出 R8=10K,R9=20K.具体仿真电路如下图所示：浙江理工大学大型电气课程设计上Drft31 ,raw4VSI m ?(|11十m 0VW2V8V4V口 I2.L LIO.。如图波形是C点波形和B点波形的叠加效果，可以看出锯齿波的每个波形之 间都有小段间隔，中间的间隔便是同步信号时间。（电路中可以垫入一个二极管，

13、 使锯齿波到最低电压变为0.7V）驱动信号的获取驱动信号采用反相比较器电路，而比较器由运放组成，运放为单电源供电。 这样在输入控制电压 U从0上升时，在低数值0时会造成比较器失控，为了克 服这一问题，可以在电源输入的电路前加一个二极管 D6,使得U最低电位从0.7V 开始。绿色曲线一一锯齿波信号蓝色曲线一一反相放大调制信号浙江理工大学大型电气课程设计总体波形整合各波形，得到总体波形如下图:Vn003是A点的电压变化曲线;Vn013是B点的电压变化曲线;Vn014是C点的电压变化曲线;Vn002是D点的电压变化曲线;Vn012是E点的电压变化曲线。4电路板设计根据实际系统允许安装尺寸，设计相应电

14、路板板，尽量减少板的面积以节省 成本。电路板面积受限时，宜采用直插元器件与贴片器件相结合的方法。注意直插元器件需放置在正面，背面焊接；贴片元件需在背面焊接。为提高焊接质量， 降低焊接难度，贴片元件PCB4寸装均比实物封装大一个等级。电阻电容等均以 1206型号PCB寸装对应实物0805型号。5电路焊接电路焊接部分也是本课程设计需要注意的一部分，焊接需注意以下几点：1）初次接触贴片元件焊接的同学，在焊接时宜先用焊锡点一下焊盘一端，用银 子摆正元件，先完成一边的焊接，再完成另一边。掌握一定技巧后，可以用 焊锡点焊盘两端，再用焊枪蘸点焊锡直接吸附元件放置在焊盘之上。2）焊接时还需注意先低后高的原则，

15、同时对于有方向的元器件一定要注意焊接浙江理工大学大型电气课程设计方向，如二极管、三极管等。3）本设计需要焊接接线端子以及变压器等模块，这些模块所需引脚比较粗，因 此焊接之前需对电路板进行打孔。4）焊接直插元器件时，一定要主要直插期间位置的放置，焊接完成之后需确认 器件是否焊接固定住。5）焊接时一定要注意，不能虚焊。具体焊接电路板如下图：浙江理工大学大型电气课程设计6系统调试实物焊接完成之后，需对系统进行调试。调试所需器件：示波器、万用表、焊枪焊丝、导线等。电路波形检测首先通过示波器测试电路，显示各部分电路的输出波形，具体波形如下：1）整流信号系统的输入信号为220V的交流电压，需通过整流桥电路

16、，将交流电压整流 为直流电，然后进行各信号的获取和检测。具体整流波形如下图所示：以上波形便是经过整流桥之后的全波整形波形。削顶部分为同步信号。2）同步信号同步信号的目的就是与主电源的过零点同步起来。具体波形如下图所示:浙江理工大学大型电气课程设计3）锯齿波信号通过锯齿波发生电路，便可得到一个正向锯齿波。4）反相锯齿波将得到的正向锯齿波电路通过反向放大电路，便可实现波形的反向，得到反 向锯齿波。浙江理工大学大型电气课程设计5）驱动信号将反向锯齿波与控制电压分别输入至比较器的两端，通过调节控制电压的大小，便可实现驱动信号的可控输出。短路保护检测当电路中发生短路时，电路中的短路保护电路工作，便可关断MOSFET动浙江理工大学大型电气课程设计电路，控制驱动信号的关断，电路停止工作；当短路故障解除之后，采样电路便 可将信息反馈给保护电路，停止关断电路，电路正常工作。7心得体会将近一个月的课程设计，使我受益匪浅。通过此次课程设计，使我对硬件电路设计有了更深入的了解。如整流电路、 锯齿