电力电子技术课程设计

课程设计任务书学生姓名：某人专业班级：自动化0605指导教师：吴勇工作单位：自动化学院题目:亮度可连续调节电路设计初始条件：输入交流电源：单相220V，频率50HZ。要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、负载（灯泡）要求0~24V直流电压；2、，最大负载电流3A。3、完成总电路设计和参数设计。时间安排：课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书目录亮度可连续调节电路设计............................................................................................11绪论.....................................................................................................................11.1设计要求..................................................................................................11.2设计方案...................................................................................................12系统的硬件设计.................................................................................................12.1系统的结构框图......................................................................................12.2整流变压器的选择..................................................................................22.3整流电路的选择......................................................................................32.4晶闸管选择..............................................................................................42.5触发电路的选择......................................................................................42.6晶闸管的保护设计..................................................................................52.7系统总电路图..........................................................................................73心得与体会.........................................................................................................9参考文献......................................................................................................................10武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书1亮度可连续调节电路设计1绪论电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。所以说我们学好电力电子，是很有必要的。1.1设计要求主要任务：利用可控器件组成整流电路，将输入交流电变成可利用的直流电，供给电阻负载，并且可以控制输出电压的幅值，要求给出电路图，选定器件的参数。基本要求：输入电压，220V单相交流电，频率50Hz；输出电压，0～24V直流电；最大负载电流3A，带电阻性负载。1.2设计方案整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样。要实现亮度可连续调节，可通过变压器变压，将220V交流电压变为要求幅值（24V）的交流电，再由整流电路把交流电变为直流电，带动灯泡发光，通过导通角α的控制调节输出直流电压的大小。主电路分为变压器变压、交流电整流和保护电路三个部分，整流电路的选择有多种方案，我采用的是单相全控桥式整流电路。2系统的硬件设计2.1系统的结构框图交流电源首先要经过变压器变压，然后还要有整流电路把交流电变为直流电，同时晶闸管还需要有触发电路、过电流过电压保护电路，变为直流电后，再接负载（灯泡）。系统的结构框图如图1所示。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书2单相全控桥式整流电路晶闸管触发电路晶闸管保护电路单相交流电源变压器交流侧保护电路灯泡图1系统的结构框图2.2整流变压器的选择2.2.1整流变压器的作用(1)变换整流器的输入电压等级。由于要求整流器输出直流电压一定，若整流桥路的交流输入电压太高，则晶闸管运行时的触发延迟角需要较大；若整流器输入电压过低，则可能在触发延迟角最小时仍不能达到负载要求的电压额定值。所以，通常采用整流变压器变换整流器的输入电压等级，以得到合适的二次电压。(2)利用变压器漏抗限制晶闸管导通时，整流器短路时上升率dtdi/增大。(3)实现电网与整流装置的电气隔离，改善电源电压波形，以减少整流装置的谐波对电网的干扰。2.2.2整流变压器的特点(1)由于整流器的各桥臂在一周期内轮流导通，整流变压器二次绕组电流并非正弦波（近似方波），电流中含有直流分量，而一次电流不含直流分量，使整流变压器视在功率比直流输出功率大。(2)当整流器短路或晶闸管击穿时，变压器中可能流过很大的短路电流。为此要求变压器阻抗要大些，以限制短路电流。(3)整流变压器由于通过非正弦波电流引起较大的漏抗压降，因此，它的直流电压输出外特性较软。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书3(4)整流变压器二次侧可能产生异常的过电压，因此要有很好的绝缘。2.2.3整流变压器参数计算(1)二次相电压2U的计算由于连接的是电阻负载，对变压器要求不高，所以变压器二次相电压可采用简便公式：VbKUUUVN)6.35~4.25()05.1~9.0(9.024)2.1~1()2.1~1(2=××==（1）其中，NU为负载的额定电压，在这里VUUdN24max==，UVK为整流电压系数，对于单相全控桥9.0=UVK，电网电压波动系数05.1~9.0=b。(2)二次相电流2I的计算变压器二次相电流AIKIdNIV3312=×==（2）其中，IVK为二次相电流计算系数，对于单相全控桥1=IVK，额定直流电流AIIIdNdN3max===。(3)一次相电流的计算变压器一次侧相电流AKIKINIL4.06.7311≈×==（3）其中，ILK为一次相电流计算系数，对于单相全控桥1=ILK，电压器的电压比6.729220≈=K。(4)变压器容量的计算变压器容量VAAVIUS)8.106~2.76(3)6.35~4.25(22=×==（4）2.3整流电路的选择整流电路按电路的构成形式，可分为半波、全波和桥式（含全控桥式和半控桥式）整流电路。半波整流电路只利用了交流电的正半周，而全波整流电路不仅利用了正半周，而且还巧妙地利用了负半周，从而大大地提高了整流效率，但是全波整流电路，需要变压器有一个使两端对称的次级中心抽头，这给制作上带来很多的麻烦，同时绕组及铁心对铜、武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4铁等材料的消耗更多，在当今世界上有色金属资源有限的情况下，这是不利的。另外，这种电路中，每只晶闸管承受的最大反向电压，是变压器次级电压最大值的两倍，因此需用能承受较高电压的晶闸管。而桥式整流电路，不仅具有全波整流电路的优点，同时在一定程度上也克服了它的缺点。所以本次设计选择了单相全控桥。2.4晶闸管选择晶闸管的选择主要是根据整流器的运行条件，计算晶闸管电压、电流量，选出晶闸管的型号规格。在工频整流装置中一般选择KP型普通晶闸管，其主要参数为额定电压、额定电流值。(1)额定电压TNU的计算晶闸管额定电压VUKUUTTN)6.150~6.71()6.35~4.25(41.1)3~2()3~2(2=××==（5）其中，UTK为晶闸管的电压计算系数，对于单相全控桥41.1=UTK。(2)额定电流)(AVTI的计算当整流电路电抗足够大且整流电流连续时，晶闸管额定通态平均电流可用经验公式AIKIdITAVT)7.2~2(345.0)2~5.1()2~5.1(max)(=××=≥（6）其中，ITK为晶闸管电流计算系数，对于单相全控桥45.0=ITK。2.5触发电路的选择晶体管为一种可控开关器件，欲使其由阻断转为导通，应在晶闸管阳极和阴极之间加正向电压、门极与阴极之间加上足够功率的正向触发电压，导通后控制信号失去作用。正确设计选择与使用触发电路，可以充分发挥晶闸管及装置的功能。由于本次设计采用的是单相桥式整流电路电阻性负载，所以要求的移相范围为��180~0，同时所需触发的晶闸管的额定电流很小，所以可以采用单结晶体管触发电路。单结晶体管触发电路具有结构简单，成本低，触发脉冲前沿陡，工作可靠，抗干扰能力强，温度补偿性能好、易于调试的优点，但其不能附加放大环节，所以只可触发50A以下的晶闸管，且移相范围一般小于�180，正好满足本次设计的要求。单结晶体管触发电路如图2所示。由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经VD1半波整流，再由稳压管V1、V2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7及等效可变电阻V5向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压时，单结晶体管武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书5V6导通，电容通过脉冲变压器原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。同时由于放电时间常数很小，C1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压，使V6关断，C1再次充电，周而复始，在电容C1两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。在一个梯形波周期内，V6可能导通、关断多次，但只有输出的第一个触发脉冲对晶闸管的触发时刻起作用。充电时间常数由电容C1和等效电阻等决定，调节RP1改变C1的充电的时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制。图2单结晶体管触发电路图2.6晶闸管的保护设计2.6.1过电流保护过电流是晶闸管电路经常发生的故障，因此，过电流保护应当首先考虑。由于晶闸管承受过电流的能力比一般电器差很多，故必须在极短的时间内把电源断开或把电流值降下来。造成晶闸管过电流的主要原因有：电网电压波动大，电动机轴上负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。晶闸管过流保护方式有脉冲移相限流保护、直流快速断路器保