2021W电烤箱温度控制电路

2021W电烤箱温度控制电路辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）题目：2021W电烤箱温度控制电路院（系）：电气工程学院专业班级：电气093班学号：0903030**学生姓名：*****指导教师：（签字）起止时间：2021-12-26至2021-1-5课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：电气教研室注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算摘要随着.的不断发展，人们改造自然的能力也在不断的提高。机器的诞生，为我们减少了部分或者全部的脑力劳动和体力劳动。电子技术的诞生更是带来了翻天覆地的变化。本文是设计一个2021W电烤箱温度控制电路，为了实现温度控制，可以利用的方法有很多，例如：通过晶闸管等电力电子器件对输入和输出之间的交流电进行变换与控制的电路形式，其常用的控制方式有四种：①通断控制；②斩波控制；③相位控制；④周期控制等。可以根据不同的控制方式把交流电力控制系统分为以下几种基本类型。（1）交流调压电路（2）交流电力电子开关（3）交流斩波调压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。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶间管开通相位的控制，以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联，这都是十分不经济的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。但这种交流调压电路控制方便，体积小、投资省计制造简单。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。电路控制：用晶闸管触发电路来有效的控制晶闸管的导通与截止，来完成对电烤箱交流调压电路的工作控制。电路保护：用阻容吸收网络和快速熔断器来防止晶闸管因过电压或过电流造成的损坏。器件选择：通过计算对晶闸管、触发电路、阻容吸收网络、快速熔断器各个器件进行选择。关键词：交流调压电路；晶闸管；晶闸管触发电路；阻容吸收网络；快速熔断器目录第1章绪论11.2本文设计内容2第2章2021W烤箱温度控制电路设计32.12021W烤箱温度控制电路32.2具体电路设计42.2.1主电路设计42.2.1.1主电路图的波形分析42.2.1.2主电路的参数计算52.2.2控制设计52.2.3保护电路设计72.3元器件型号选择92.4系统调试或仿真数据分析122.4.1数据分析：122.4.2单相交流调压电路的MATLAB仿真122.4.3仿真结果分析13第3章课程设计总结15参考文献17第1章绪论温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。根据温度变化快慢，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温度控制为模型设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制采用PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了极大的方便。后来，又把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC）。目前，电力电子集成技术的发展十分迅速，其发展焦点是混合集成技术。随着全控器件的开关损耗也随之增大。为此，零电压开关、零电流开关应运而生，以提高功率。从而提高了电力电子装置的功率密度。电力电子线路的基本形式之一，即交流—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。在进行交流—交流变换时，可以改变交流电的电压、电流、频率或相位等。其中，只改变电压、电流而不改变交流频率的电路成为交流—交流电力控制电路，包括交流调压电路，交流调功电路，交流电力电子开关等。1.1本文设计内容本文利用晶闸管构成的交流调压电路，通过对晶闸管触发角的控制来调节输出电压，改变电烤箱电热丝的电压，从而改变电烤箱的温度，并实现连续调温。满足人们对不同食物烘烤温度的不同要求。交流调压电路就是利用两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制来控制交流输出。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值。下面对晶闸管的工作原理进行简单的介绍：只有在晶闸管承受正向电压并且门极有触发电流时晶闸管才能导通，晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通，只有在晶闸管承受反向电压时，使流过晶闸管的电流降到某一数值以下才会截止。用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便的调节输出电压有效值。可用于电炉、电烤箱的温度控制、灯光调节、异步电动机的启动和调速等；用晶闸管触发电路来有效的控制晶闸管的导通与截止，来完成对电烤箱交流调压电路的工作控制。第2章2021w烤箱温度控制电路设计2.12021w烤箱温度控制总体设计方案总体设计方案框图如下所示：输出连续可调的220V交流输入→→→交流调压环节→→→→交流电↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑晶闸管触发电路保护电路将一种形式的交流电能转换成另一种形式交流电能过程称为交流—交流变换过程，凡是能实现这种变换的电路称为交流—交流变换电路。对于单相交流电的电压进行调节的电路可用于温度控制、交流电动机调速控制、灯光控制等场合。与自耦变压器调压等方法相比，交流调压电路控制方便、经济可靠，调节速度快，装置的重量轻、体积小，减少能源消耗，结构原理简单。因此，本方案采用交流调压电路来进行对电烤箱的连续温度控制。下面对各部分功能进行简单的说明：1、220V交流输入部分：为电路提供电源输入，主要是市电输入。2、交流调压环节部分：由单相交流调压电路来产生连续可调的输出电压有效值来实现电烤箱温度的控制。3、晶闸管触发电路：由晶闸管触发电路来实现晶闸管的导通与截止。4、保护电路：由保护电路（包括过电流保护、过电压保护）来实现整体电路的可靠工作，防止电力电子器件由于故障损坏。5、输出连续可调交流电部分：为电烤箱提供电源输入2.2具体电路设计2.2.1主电路设计图2.2.1主电路图2.2.1.1主电路图的波形分析图2.2.1.1工作波形图从工作波形图可以看出，α的移相范围为0≤α≤π。α=0时，相当于晶闸管一直导通，输出电压为最大值，Uo=Ui。随着α的增大，Uo逐渐减小。直到α=π时，Uo=0。2.2.1.2主电路的参数计算Uo=Ui当α=0时，Uo最大，Uo=Ui=220V因此R选取R==24.2ΩIo===9.1A因此IVT==6.5A2.2.2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。下面对晶闸管触发电路进行简单的介绍：①触发电路的选择采用KC05晶闸管移相触发器，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，移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制，有失交保护，输出电流大等优点，是交流调压电路的理想电路。②触发电路的工作原理下图是KC05晶闸管移相触发器内部电路原理图。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。παπα22-22sin+22021220WVRU0Ω2.24220V20I各点波形图如下所示。图2.2.2.(a)晶闸管触发电路图2.2.2.(b)晶闸管触发电路波形图③KC05的电参数电源电压：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10kΩ)。移相输入端偏置电流≤l0μA。锯齿波幅度：≥7～8.5V。输出脉冲：a．脉冲宽度：l00μs～2ms(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：BVceo≥l8V(测试条件：Ie=100μA允许使用环境温度：-l0～70℃。)2.2.3保护电路设计因为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。但又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，必须充分发挥器件应有的过载能力。因此，在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好以外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是必要的。过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压包括：操作过电压、雷击过电压。内因过电压包括：换相过电压、关断过电压。过电流分为过载过电流和短路过电流两种情况下面对过电压保护、过电流保护进行简单的介绍：1、过电压保护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为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，当达到一定电压值时，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。将阻容吸收网络并联在晶闸管两端，当晶闸管两端的电压过大时时，利用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电压。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的振荡，单相交流调压的过压保护电路如图2.2.3(a)所示:图2.2.3（a）过电压保护电路图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。由于电力电子期间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、应用最广泛一种过电流保护措施。快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。熔断器FU是最简单有效的且应用最普遍的过电流保护器件。针对晶闸管热容量小、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。在选择快熔是应考虑一下问题：1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2)电流容量也应按其主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接。3）快熔的I2t值应小于被保护器件的允许的I2t值。4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。根据以上所述设计的保护电路图如图2.2.3（b）所示：图2.2.3（b）过电流保护电路图2.