電力電子課程設(shè)計---交流調(diào)壓

1、<p>　　電力電子課程設(shè)計報告</p><p><b>　　——交流調(diào)壓</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言4</b></p><p>　　2 電源設(shè)計的基本要求5</p><p&

2、gt;　　3 電路總體方案的設(shè)計及相關(guān)原理5</p><p>　　3.1 基本電路圖及相關(guān)原理5</p><p>　　3.2 設(shè)計方案6</p><p>　　4 主電路設(shè)計及參數(shù)計算8</p><p>　　4.1 主電路設(shè)計8</p><p><b>　　4.2參數(shù)計算8</b>&

3、lt;/p><p>　　5 控制電路設(shè)計10</p><p>　　5.1 控制電路10</p><p>　　5.2 控制電路中需注意問題10</p><p>　　6 課程設(shè)計總結(jié)11</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)11</b></p><p><b&g

4、t;　　1 引言</b></p><p>　　電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)，分為電力電子器件制造技術(shù)和交流技術(shù)（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。一般情況下，它是將一種形式的工業(yè)電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的工業(yè)電能的科學(xué)，而它現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研

5、制出的第一個晶閘管為標(biāo)志的，電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管和晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。此前就已經(jīng)有用于電力變換的電子技術(shù)，所以晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前或黎明時期。70年代后期以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場效應(yīng)管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件全速發(fā)展，使電力電子技術(shù)的面貌煥然一新進(jìn)入了新的發(fā)展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型

6、器件集驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，通態(tài)壓降小，在流能力大于一身，性能優(yōu)越使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，后</p><p>　　由此可以預(yù)見，在21世紀(jì)電力電子技術(shù)仍將以迅猛的速度發(fā)展。電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用。</p><p>　　而在此我們要討論的交流-交流變流

7、電路，是把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路，應(yīng)用十分廣泛。我們將兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流電力。這種電路的特點是不改變交流電的頻率，因此稱為交流電力控制電路。在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，就可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路被稱為交流調(diào)壓電路。</p><p>　　交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制）及異步電動機(jī)的軟起動，也用于

8、異步電動機(jī)調(diào)速。在供電系統(tǒng)中，這種電路還常用于對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。</p><p>　　交流調(diào)壓電路可分為單相交流調(diào)壓電路和三相交流調(diào)壓電路。對亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)燈光電路，用單相交流調(diào)壓電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。</p><p>　　2 亮度調(diào)節(jié)電路的基本要求</p><p>　　本次設(shè)計的亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)的燈光電路的基本要求為：</p><p>　　1.

9、輸入220v單相交流電，負(fù)載（燈泡）的規(guī)格：額定電壓110V，額定功率100 W；</p><p>　　2.燈泡的亮度要能根據(jù)周圍環(huán)境的亮暗程度來自動的進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證能夠照亮周圍環(huán)境，同時也能適當(dāng)?shù)墓?jié)約電能；</p><p>　　3.最好使電路能構(gòu)成手動調(diào)節(jié)部分，在不需要自動調(diào)節(jié)的時候能對其進(jìn)行手動調(diào)節(jié)亮暗；</p><p>　　4.保護(hù)電路，對于電路而言，為了防止

10、短路電流過大，基本都要進(jìn)行過電流保護(hù)，同時，某些重要的電力電子器件也要對其進(jìn)行保護(hù)，以保證電路功能的良好實現(xiàn)。</p><p>　　3 電路總體方案的設(shè)計及相關(guān)原理</p><p>　　3.1基本電路圖及相關(guān)原理</p><p>　　3.1.1 單相交流調(diào)壓</p><p>　　單相交流調(diào)壓在負(fù)載和交流電源間用兩個反向并聯(lián)的晶閘管VT1、VT

11、2或采用雙向晶閘管VT相聯(lián)。</p><p>　　當(dāng)電源處于正半周的時候，觸發(fā)VT1導(dǎo)通，電源的正半周施加到負(fù)載上；當(dāng)電源處于負(fù)半周的時候，觸發(fā)VT2導(dǎo)通，電源負(fù)半周便加到負(fù)載上。電壓過零時交替觸發(fā)VT1、VT2，則電壓全部加到負(fù)載。</p><p>　　通過控制晶閘管在每個電源周期內(nèi)的導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。</p><p>　　3.1.2 單相交流調(diào)壓

12、原理（電阻負(fù)載） </p><p>　?。▓D1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形）</p><p>　　根據(jù)該電路圖分析可知：</p><p>　　電源在正半周時，晶閘管VT1承受正向電壓，當(dāng)?shù)臅r候，觸發(fā)VT1使其導(dǎo)通，則負(fù)載上得到了缺角的正弦半波電壓；</p><p>　　當(dāng)電源電壓過零時，VT1管的電流下降為零而關(guān)斷；</p&g

13、t;<p>　　在電源電壓u的負(fù)半周，晶閘管VT2承受正向電壓，當(dāng)時，觸發(fā)VT2使其導(dǎo)通，則負(fù)載上又得到了缺 角的正弦半波電壓。</p><p>　　如此往復(fù)，則在負(fù)載電阻上得到了每半波缺角的正弦電壓。</p><p>　　此時，負(fù)載電壓有效值U0、負(fù)載電流有效值I0、晶閘管電流有效值IVT和電路的功率因數(shù)分別為：</p><p><b>

14、　　（1）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?） </b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由以上四式可以看出，的移相范圍為。當(dāng)時，相當(dāng)于晶閘管一直接通，輸出電壓為最大值。隨著

15、的增大，逐漸降低。直到時，。此外，時，功率因數(shù)，隨著的增大，輸入電流滯后于電壓，且發(fā)生畸變，也逐漸降低。</p><p>　　因此，通過對導(dǎo)通角的控制，就能實現(xiàn)對輸出電壓有效值的連續(xù)控制，從而實現(xiàn)對燈亮暗的控制。</p><p><b>　　3.2 設(shè)計方案</b></p><p>　　3.2.1 總體設(shè)計方案</p><p

16、>　　總體的基本設(shè)計方案如下流程所示：</p><p>　　(圖2 總體設(shè)計方框圖)</p><p>　　通過該方框圖可知，該電路主要由變壓器、交流調(diào)壓電路和觸發(fā)電路，以及負(fù)載電路四個部分組成，其總電路圖3所示：</p><p>　?。▓D3 總體電路設(shè)計圖）</p><p>　　如圖所示，電網(wǎng)電壓220V經(jīng)過一個2:1的交流變壓器被

17、降為110V的，適合負(fù)載的電壓。然后通過四個二極管組成的整流器將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，再進(jìn)行調(diào)壓處理?？刂齐娐分校饕δ苡晒饷綦娮韪чl管實現(xiàn)，通過光敏電阻阻值的變化，其與R2的分壓比發(fā)生變化，導(dǎo)致電容充放電，而電容的充放電對晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行控制，從而控制了負(fù)載電壓的大小，實現(xiàn)了光亮度的自動控制功能。</p><p>　　3.2.2 設(shè)計方案改進(jìn)完善</p><p>　　1.根據(jù)負(fù)載（燈泡）

18、的要求的電壓范圍為：0—110V，因此電壓要控制在110V一下。那么，可以通過一簡單的交流變壓器實現(xiàn)對其電壓的降壓功能；</p><p>　　2.由于負(fù)載（燈泡），甚至整個電路對電流也有一定的要求，即不能過高。當(dāng)電流高于6A時就有可能損壞電路元件，甚至將整個電網(wǎng)燒毀。為了解決這個問題，可以設(shè)計一個電流保護(hù)裝置。在這里呢，我選用的是保險絲，對整個工作電路能起到一個電流保護(hù)作用；</p><p&g

19、t;　　3.在該電路圖中，起重要調(diào)壓作用的晶閘管并沒有任何保護(hù)裝置對其進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，因此，這里需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，用RC對其進(jìn)行過電壓保護(hù)；</p><p>　　4.電容的充放電實現(xiàn)了對晶閘管導(dǎo)通角的控制，但是，一旦電容被擊穿，那么，整個電路的功能就無法實現(xiàn)。所以，這里，我們用了一個雙觸發(fā)二極管，利用導(dǎo)通0.7V的壓降來保護(hù)其能正常工作。</p><p>　　綜上可知，經(jīng)過一定改進(jìn)的電路

20、如下所示</p><p>　?。▓D4 改進(jìn)之后的總體電路圖）</p><p>　　4 主電路設(shè)計及參數(shù)計算</p><p><b>　　4.1主電路設(shè)計</b></p><p>　　主電路如上圖所示，各個參數(shù)如下：</p><p>　　燈泡參數(shù)：110V，100W</p><

21、p>　　電阻：R1=100K,R2=45K</p><p>　　光敏電阻RL： 0—100K</p><p><b>　　電容C：0.02F</b></p><p><b>　　4.2 參數(shù)計算</b></p><p>　　4.2.1 變壓器部分</p><p>　　變

22、壓器部分相對比較簡單，變壓器直接用單相變壓器就可以，使用變壓器就是為了達(dá)到降壓的目的，使電壓能滿足設(shè)計要求的110V。</p><p>　　根據(jù)公式: （5）</p><p>　　其中，為輸入的220v單相交流電壓；為單相交流調(diào)壓電壓的輸入電壓110V。</p><p>　　則可可

23、以求出 ，可令 匝，匝。</p><p>　　4.2.2 燈泡參數(shù)設(shè)定</p><p>　　根據(jù)前面的信息可得，燈泡參數(shù)為：額定電壓為110V，額定功率為 100 W，</p><p>　　根據(jù) (6)</p><p>　　可求得，R=

24、121 。</p><p>　　4.2.3 調(diào)壓電路原理</p><p>　　調(diào)壓電路如圖5所示，對于一般調(diào)壓電路的計算過程如下：</p><p>　　單相相控交流調(diào)壓電路中，通過改變控制角來調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通時間，進(jìn)而起到調(diào)節(jié)負(fù)載電壓有效值的作用。 </p><p>　　（圖5 調(diào)壓電路

25、圖）</p><p>　　電源正半周VT1承受正向電壓，在ωt=α?xí)r，觸發(fā)VT1導(dǎo)通，負(fù)載電壓uo=u，由于是電阻性負(fù)載，負(fù)載電流io= u/R，到ωt=π時，正半周結(jié)束，io=0，VT1關(guān)斷。此后uo=0。在電源負(fù)半周，VT2承受正向電壓，ωt=π+α?xí)rVT2被觸發(fā)導(dǎo)通，uo=u，ωt=2π時，VT2關(guān)斷。負(fù)載電壓的波形如圖所示。</p><p>　　根據(jù)以上過程可知，負(fù)載電壓的有效值U

26、o的大小為：</p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　隨著控制角的增大，負(fù)載電壓減小，控制角的移相范圍為0<α<π。由于是純電阻負(fù)載，負(fù)載電流瞬時值io與負(fù)載電壓uo呈正比關(guān)系，而負(fù)載電壓有效值與負(fù)載電流有效值的關(guān)系為:。</p><p>　　4.2.4 晶閘管參數(shù)計算</p><p&

27、gt;　　額定電壓： （8）</p><p><b>　　其中；</b></p><p><b>　　所以，取</b></p><p>　　額定電流： (9)<

28、/p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　其中，R=121Ω，=0</p><p>　　代入式（10）中可求得 。則，取。</p><p><b>　　5 控制電路設(shè)計</b></p><p><b>　　5.1 控制電路</b><

29、;/p><p>　　如圖6所示，通過電容的充放電的速度來控制晶閘管的導(dǎo)通角，雙向觸發(fā)二極管適當(dāng)保護(hù)電容，防止電容被擊穿，而使電路失去調(diào)壓功能。同時，此雙觸發(fā)二極管也具有一定調(diào)節(jié)控制角的功能。</p><p>　?。▓D6 控制電路簡圖）</p><p>　　5.2 控制電路中要注意的問題</p><p>　　1.根據(jù)實際分析，在現(xiàn)實生活中，110

30、V的用電器一般是很少見到的，也就是說，這里為了保護(hù)每個電子元件，使其所受電壓相對較低而設(shè)定的電壓值110V在現(xiàn)實生活中是沒有多大的意義的。所以在這里，首先要對其進(jìn)行更正，將負(fù)載，也就是燈泡改為220V，40W，作為臺燈用電器使用；</p><p>　　2.由于對主要用電器參數(shù)的改動，那么其他的電路參數(shù)也要適當(dāng)進(jìn)行更改，改動后的參數(shù)如下：</p><p>　　電阻：R1=100K, R2=4

31、5K</p><p>　　光敏電阻RL： 4—150K</p><p>　　電容C：0.022F</p><p><b>　　晶閘管參數(shù)：</b></p><p>　　① 由（8）式可得，額定電壓：，而此時</p><p><b>　　所以，取</b></p>

32、<p>　?、?由（9）式可得，額定電流：，代入式（10）中，式中，R=1210Ω，=0，則可求得 。則，取。</p><p><b>　　6 設(shè)計總結(jié)與體會</b></p><p>　　本次課程設(shè)計，雖然總體來說，都是紙上談兵，但是對于我們來講，還是有很多的收獲的。</p><p>　　首先，設(shè)計過程中，我們需要查閱很多資料，書本的

33、，網(wǎng)上的，等等很多資料，我們就不得不用到手邊的很多工具，像圖書館還有網(wǎng)絡(luò)檢索功能等一些工具，鍛煉了我們自己查資料的能力。</p><p>　　其次，對我們提出問題，分析問題，解決問題的能力有了一定程度上的提高。對于初次做這種設(shè)計的我們來說，我們的很多能力都需要提高，尤其像這幾種能力，也是在日常生活中很重要的幾個方面要設(shè)計一個產(chǎn)品，首先就要知道他的功能，那么，我們要如何實現(xiàn)呢？在實現(xiàn)的過程中，或多或少會遇到這樣那樣

34、的問題，我們就必須一個一個的分析這些問題，然后想辦法去解決他。在這一系列的過程中，自然而然的就提高了我們這幾方面的能力。同時呢，為了解決某些問題，這些問題很可能是我們根本就不熟悉，甚至是沒有見過的問題，這樣我們就需要查資料去解決，不知不覺中，又提升了查資料相關(guān)的本領(lǐng)。</p><p>　　最后，熟悉了很多軟件，尤其是Visio作圖軟件。在此之前，我只知道Visio能畫流程圖，不知道它還能畫電路圖。所以說經(jīng)過這次課

35、程設(shè)計，又多學(xué)到了一個軟件的用途，也熟悉了它的用法，對我們來說，是一個很好的嘗試與應(yīng)用。</p><p>　　總的來說，這次設(shè)計的收獲很大，雖然最終還是有很多不足，自己不是很滿意的地方需要進(jìn)一步解決，但是畢竟時間有限，所學(xué)的知識也是非常的不足，需要慢慢積累，希望在以后的學(xué)習(xí)中，能得到更多的長足的進(jìn)步與收獲。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p&g

36、t;<p>　　[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,第四版</p><p>　　[2] 龔素文.電力電子技術(shù).北京:北京理工大學(xué)出版社,2009</p><p>　　[3] 黃繼昌，張海貴.北京:人民郵電出版社,2000</p><p>　　[4] 電力電子實用技術(shù).黃詩萱.北京:中國電力出版社, 2010 </p><