单相交流调压电路1000W电力电子技术 课程设计论文.docx
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单相交流调压电路1000W电力电子技术课程设计论文
电力电子技术课程设计（论文）
题目：
单相交流调压电路（1000W）
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师签字：
教师职称：
起止时间：
09-7-6至09-7-12
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
电气
学号
学生姓名
专业班级
课程设计（论文）题目
单相交流调压电路（1000W）
课程设计（论文）任务
将单相220V交流电转换为连续可调的交流电，为1台电阻炉供电。
一、技术要求
1、输入单相交流220V电源。
2、输出电压Ud在0～220V连续可调。
3、输出最大功率1000W。
二、设计任务
1、方案的经济技术论证。
2、主电路设计。
3、通过计算选择整流器件的具体型号。
4、设计合适的触发电路。
5、绘制主电路图。
6、课程设计总结
指导教师评语及成绩
平时考核：
设计质量：
论文格式：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
第1章课程设计方案1
1.1概述1
1.2系统总体结构1
第2章课程设计内容3
2.13
2.25
2.37
2.48
第3章课程设计总结9
参考文献9
10
第一章课程设计方案
1.1交流调压电路概述
把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闸管开通相位的控制，可以方便的调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。
交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。
单相交流调压电路是后者的基础，和整流电路一样，交流调压电路的工作情况也和负载性质有着很大的关系，因此分别对电阻负载和阻感负载分别予以讨论。
1.2系统总体结构
将一种交流电能转换为另一种交流电能的过程称为交流-交流变换过程，凡能实现这种变换的电路为交流变换电路。
对单相交流电的电压进行调节的电路。
用在电热控制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。
与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。
结构原理简单。
该方案是由变压器、触发电路、整流器、以及一些电路构成的，为一台电阻炉提供电源。
输入的电压为单相交流220V，经电路变换后，为连续可调的交流电。
下图为系统总体结构框图。
图1系统结构框图
图1中的220V为交流市电输入，经过调压环节的变压器等电路转换为连续可调的交流电，输出连续可调的交流电源部分作用：
为电阻炉提供电源。
第2章课程设计内容
2.1单相交流调压电路工作情况与负载性质的关系
2.1.1电阻性负载
图2.1电阻负载单相交流调压电路
图2.1为电阻负载单相交流调压电路图。
图中晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。
在交流电源U1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角电源α进行控制就可以调节输出电压。
正负半周α起始时刻（α=0）均为电压过零时刻。
在稳态情况下，应使正负半周的α相等。
可以看出负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也是电源电流）和负载电压的波形相同。
上述电路在开通角为α时，负载电压有效值U0、负载电流有效值I0、晶闸管电流有效值IT和电路的功率因数
分别为：
负载电压有效值
（4-1）
负载电流有效值
（4-2）
晶闸管电流有效值
（4-3）
功率因数;
;（4-4）
从图2.1及上式中可以看出，输出电压与α的关系：
移相范围为0≤α≤π。
α=0时Uo=U1，最大，α的增大，Uo降低，α=π时，Uo=0。
λ与α的关系：
α=0时，λ=1，α增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低
u的正半周内，晶闸管V1承受正向电压，当ωt＝α时，触发V1使其导通，则负载上得到缺α角的正弦半波电压，当电源电压过零时，V1管电流下降为零而关断。
在电源电压u的负半周，V2晶闸管承受正向电压，当ωt＝π＋α时，触发V2使其导通，则负载上又得到缺α角的
正弦负半波电压。
持续这样的控制，在负载电阻上便得到每半波缺α角的正弦电压。
改变α角的大小，便改变了输出电压有效值的大小。
随着α角的增大，Uo逐渐减小;当α＝π时，Uo＝0。
因此，单相交流调压器对于电阻性负载，其电压的输出调节范围为0～U，控制角α的移相范围为0～π。
2.12阻感负载
电路图及其波形如图2.2所示
图2.3阻感负载单相交流调压电路及其波形
阻感负载下稳态时的移相范围为φ《α《π。
当VT2导通时，只是I0的极性相反，且相相差180°
晶闸管的导通角θ的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角有关。
一个晶闸管导通时，其负载电流io的表达式为
图2.4单相交流调压电路以φ为参变量的α和θ的关系曲线
当ωt＝α＋θ时，io＝0。
将此条件代入可求得导通角θ与控制角α、负载阻抗角φ之间的定量关系表达式为
针对交流调压器，其导通角θ≤180°，再根据上式可绘出θ＝f（α，φ）曲线，单相交流调压电路以φ为参变量时θ与α的关系。
下面分别就α＞φ、α＝φ、α＜φ三种情况来讨论调压电路的工作情况。
（1）当α＞φ时，由式可以判断出导通角θ＜180°,正负半波电流断续。
α越大，θ越小，波形断续愈严重。
（2）当α＝φ时，由式可以计算出每个晶闸管的导通角θ＝180°。
此时，每个晶闸管轮流导通180°，相当于两个晶闸管轮流被短接，负载电流处于连续状态，输出完整的正弦波。
（3）当α＜φ时，电源接通后，在电源的正半周，如果先触发V1，则可判断出它的导通角θ＞180°。
如果采用窄脉冲触发，当V1的电流下降为零而关断时，V2的门极脉冲
已经消失，V2无法导通。
到了下一周期，V1又被触发导通重复上一周期的工作，结果形成单向半波整流现象，如图6-5所示，回路中出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。
解决上述失控现象的办法是：
采用宽脉冲或脉冲列触发，以保证V1管电流下降到零时，V2管的触发脉冲信号还未消失，V2可在V1电流为零关断后接着导通。
但V2的初始触发控制角α＋θ-π＞φ，即V2的导通角θ＜180°。
从第二周开始，由于V2的关断时刻向后移，因此V1的导通角逐渐减小，V2的导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角θ＝180°时达到平衡。
根据以上分析，当α≤φ并采用宽脉冲触发时，负载电压、电流总是完整的正弦波，改变控制角α，负载电压、电流的有效值不变，即电路失去交流调压作用。
在感性负载时，要实现交流调压的目的，则最小控制角α＝φ（负载的功率因素角），所以α的移相范围为φ～180°。
2.2单相交流调压触发电路的选择
闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。
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，对感性和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发，对变流器的起动、双星形带平衡电抗器电路的触发脉冲应宽于30o，三相全控桥式电路应采用宽于60o或采用相隔60o的双窄脉冲。
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大为器件最大触发电流的3~5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1~2A/μs。
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）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
图2.5触发电路的设计
如图2.3所示，556和VT1、C1等组成了一个变形的单稳触发器，另外556和R3、R4、
C2等组成一个可控多谐振荡器，利用单稳的延时性进行相移，利用振荡器产生系列脉冲输出，触发SCR，即使负载为变压器的二次回路等感性负载，也能使SCR在各种导通角下输出波形十分对称的交流电压。
为了同步，由D1~D4、DW1、R1组成的同步检测电压，将交流同步电压变为幅度为12V的梯形电压，在梯形电压过零时，使单稳电路进入暂稳态。
移相控制信号Vx加至VT1的b极，VT1可按照信号幅度的高低改变C1的充电速率，改变达到阙值电平的时间，从而达到自动控制移相角度。
5脚输出的暂稳脉冲加至多谐振荡器的8、12脚，控制振荡器的起振和停振，使之在9脚有系列脉冲。
振荡器的频率f=1.44/（R1+R4）C2,改变其时间常数，可改变系列脉冲的频率，图示参数的振荡频率约为5kHZ。
该电路的移相控制信号电压Vk在0~2V;移相范围》170°；输出脉冲幅度为10V；正负半周相位不均衡度《1°。
2.3变压器变比的计算：
当1000W全桥软开关电源采用PQ50/50芯片时先给出主功率变压器原边绕组的圈数计算公式和计算过程。
考虑到UC3875的最佳工作频率，又因为采用了高频开关特性良好的MOSFET功率管，所以选取开关频率为100KHZ。
首先根据功率容量Ap乘积公式来进行估算。
为了多留些余地，可再减小主功率变压器的最大工作磁通密度Bm=1000GS,由计算式得到：
Ap=Ae*Aq=Pt*10
=
=5.56
当最大磁通密度选用1500GS时，功率容量降低到3.7。
若开关频率降低到50KHZ，则功率容量乘机增大一倍约11.12，余量就小了。
PQ50/50铁氧体磁芯的有效中心柱截面积为Ae=3.1416cm
它的磁芯窗口面积为Aq=4.18cm
因此PQ50/50的功率容量乘积为：
Ap=Ae*Aq=3.1416*418=13.2
可见，在开关频率为100KHZ时，采用PQ50/50铁氧体磁芯做1000W主功率变压器，它的功率容量是合理的。
再来计算原边绕组的匝数值：
Np=
=
2.4晶闸管的选择
Ud=220V时，不计控制角余量按
=0º计算
由Ud=2
U2得
U2=
=94V取120V
U
=（2~3）U
=（2~3）
U2
=（2~3）
120V
=588~882V
取U
为700V
当
=60
时，流过每个晶闸管的电流有效值为：
=
=
60A=35A
晶闸管额定电流
=
=
=23A
取
=1
，考虑2倍裕量：
取50A
当
=3A时
=
=
3A
=1
A
=
=1.1A
考虑2倍裕量：
取5A
按要求表明应取
=0º来选择晶闸管。
即
=50A
所以晶闸管型号为KP50—7。
2.6实际实现电路及工作原理
理想条件下单相调压电路假设主电路功率器件具有理想功能，实际上这种器件是不不存在的，因此必须根据电路的特点和器件的实际性能来组构电路。
U01是U0的基波分量，i01是i0的基波分量；i01与u01将产生Ø的滞后角。
在过零点附近出现；i01与u01不同相问题。
在ax￠[0，∮]，u>0,u1>0,而i<0,电流为负值，由于T1恒通T2横断，u=ui无斩波。
出现了失控现象，即；u01的控制信号不能实现斩波。
2.5总体电路图及其波形图
图3.1总体电路图及波形图
如图2.3所示，556和VT1、C1等组成了一个变形的单稳触发器，另外556和R3、R4
、C2等组成一个可控多谐振荡器，利用单稳的延时性进行相移，利用振荡器产生系列脉冲输出，触发SCR，即使负载为变压器的二次回路等感性负载，也能使SCR在各种导通角下输出波形十分对称的交流电压。
为了同步，由D1~D4、DW1、R1组成的同步检测电压，将交流同步电压变为幅度为12V的梯形电压，在梯形电压过零时，使单稳电路进入暂稳态。
移相控制信号Vx加至VT1的b极，VT1可按照信号幅度的高低改变C1的充电速率，改变达到阙值电平的时间，从而达到自动控制移相角度。
5脚输出的暂稳脉冲加至多谐振荡器的8、12脚，控制振荡器的起振和停振，使之在9脚有系列脉冲。
振荡器的频率f=1.44/（R1+R4）C2,改变其时间常数，可改变系列脉冲的频率，图示参数的振荡频率约为5kHZ。
该电路的移相控制信号电压Vk在0~2V;移相范围》170°；输出脉冲幅度为10V；正负半周相位不均衡度《1°。
参考文献
[1]王兆安.电力电子技术.第四版.北京：
机械工业出版社,2003
[2]
[3]
[4]
[5]
辽宁工学院课程设计（论文）管理规定
2005-10-18 教务处
一、课程设计（论文）的目的
课程设计（论文）是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次专业训练。
通过课程设计（论文）使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）打基础。
1、进一步巩固和加深学生所学的专业理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；
2、培养学生独立分析和解决工程实际问题的能力；
3、培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。
二、课程设计（论文）大纲及指导书
院（系）、教研室应根据教学计划制定相应的课程设计（论文）大纲，课程设计（论文）大纲一般应包括以下几部分内容：
课程设计（论文）的目的及要求、时间安排（开设学期及具体时间安排）、说明书要求等。
课程设计（论文）指导书一般应包括以下几部分内容：
课程设计（论文）的目的、要求、内容、完成步骤、基本格式规范要求、考核、参考资料等。
三、课程设计（论文）的选题
1、课程设计（论文）题目应根据课程相关内容并依据课程设计（论文）大纲拟定，选题应具有一定的综合性并能发挥学生的创造性，难度和份量要适当，使学生经过努力能在规定的时间内完成。
2、注重理论联系实际，优先选择与生产、科研、实验室建设等密切相关，具有实际应用价值的题目。
3、课程设计（论文）题目须经教研室、院（系）审定。
四、课程设计（论文）的指导
1、指导课程设计（论文）的教师一般应具有中级或中级以上专业技术职称，并具有一定的实践教学经验及科研工作能力。
2、每名教师指导学生人数一般不应超过20人。
3、指导教师必须对所指导的课程设计（论文）题目进行预设计，提前一周做好相应的准备工作。
4、课程设计（论文）开始后，指导教师要向学生下达任务书，提出具体要求，指导学生确定方案。
5、课程设计（论文）过程中，指导教师每天到位并做具体指导，及时发现和解决问题，督促和检查课程设计（论文）的进度和质量。
6、课程设计（论文）期间，严格控制指导教师出差。
确因工作需要必须出差时，须经院（系）主管领导批准，并事先向学生布置好任务，落实他人代为指导，保证课程设计（论文）正常进行。
五、课程设计（论文）的成绩评定
1、指导教师应认真审阅学生的报告，写出评语，评定成绩。
课程设计（论文）的成绩按优、良、中、及格、不及格五级分评定。
优秀比例一般不应超过20%，优良比例一般不应超过60%。
2、课程设计（论文）成绩评定参考标准
①优秀：
按设计（论文）任务要求圆满完成规定任务；综合运用知识能力和动手能力强，方案合理，计算、分析正确，成果质量高；态度认真，独立工作能力强，有独到见解，水平较高，并具有良好的团队协作精神。
设计（论文）报告条理清晰、论述充分、文字通顺、图纸图表规范、符合设计（论文）报告文本格式要求。
答辩过程中，思路清晰、论点正确、对题目理解深入，问题回答正确。
②良好：
按设计（论文）任务要求完成规定任务；综合运用知识能力和动手能力较强，方案合理，计算、分析基本正确，成果质量较高；态度认真，有一定的独立工作能力，并具有较好的团队协作精神。
设计（论文）报告条理清晰、论述正确、文字通顺、图纸图表较为规范、符合设计（论文）报告文本格式要求。
答辩过程中，思路清晰、论点基本正确、对题目理解较深入，主要问题回答基本正确。
③中等：
按设计（论文）任务要求完成规定任务；能够在一定程度上综合运用所学知识，但有所欠缺，有一定的动手能力，方案基本合理，计算、分析基本正确，成果质量一般；态度较为认真，独立工作能力较差，有一定的团队协作精神。
设计（论文）报告条理基本清晰、论述基本正确、文字通顺、图纸图表基本规范、符合设计（论文）报告文本格式要求。
答辩过程中，思路比较清晰、分析不够深入、主要问题回答基本正确。
④及格：
在指导教师及同学的帮助下，能按期完成规定任务；综合运用所学知识能力及实践动手能力较差，方案基本合理，计算、分析有错误，成果质量一般；态度一般，独立工作能力差。
设计（论文）报告条理不够清晰、论述不够充分但没有原则性错误、文字基本通顺、图纸图表不够规范、符合设计（论文）报告文本格式要求。
答辩过程中，分析较为肤浅，主要问题经启发能回答。
⑤不及格：
有下列情形之一者为不及格：
1、未能按期完成规定任务。
2、抄袭他人的设计（论文）成果。
3、不能综合运用所学知识，动手能力差，方案存在原则性错误，计算、分析错误较多。
4、设计（论文）报告条理不清、论述有原则性错误、图纸图表不规范、质量很差。
5、答辩过程中，主要问题阐述不清，对设计（论文）内容缺乏了解，概念模糊，问题基本回答不出。
六、课程设计（论文）的组织管理
课程设计（论文）环节在教学计划中一般应安排独立的教学周进行，在教务处的统一领导下，由各院（系）具体负责组织安排。
1、教务处负责协调与课程设计（论文）有关的各种资源；负责制定和完善与课程设计（论文）环节有关的各项管理制度；宏观上监督和检查课程设计（论文）的进展情况及完成质量；做好综合性工作总结，组织经验交流。
2、各院（系）组织教研室根据教学计划、课程教学大纲的要求，制定相应的课程设计（论文）大纲及指导书；协调与课程设计（论文）有关的院（系）内各种资源；审定题目及指导教师；具体组织和管理课程设计（论文）环节，检查课程设计（论文）的进展情况及完成质量；设计结束后，写出书面总结报告并报送教务处。
3、各教研室具体制定与本教研室有关的课程设计（论文）大纲及指导书，组织教师审定题目及设计任务；配合教务处、院（系）做好各项检查工作；组织课程设计（论文）答辩工作；做好资料的存档及保管工作；课程设计（论文）的保管期限应不少于3年；优秀课程设计（论文）应长期保管。
4、指导教师按时提交成绩，及时向教研室汇报相关情况。
七、课程设计（论文）报告的内容及其文本格式
1、课程设计（论文）报告要求用A4纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括：
①封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、职称、起止时间等）
②设计（论文）任务及评语
③目录
④正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等）
⑤参考文献
2、课程设计（论文）正文参考字数：
2000字×周数。
3、封面格式
4、设计（论文）任务及评语格式
5、目录格式
①标题“目录”（三号、黑体、居中）
②章标题（四号字、黑体、居左）
③节标题（小四号子、宋体）
④页码（小四号子、宋体、居右）
6、正文格式
①页边距：
上2.5cm，下2.5cm，左2.5cm，右2cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm，左侧装订；
②字体：
章标题，四号字、黑体、居左；节标题，小四号子、宋体；正文文字，小四号字、宋体；
③行距：
1.5倍行距；
④页码：
底部居中，五号；
7、参考文献格式
①标题：
“参考文献”，小四，黑体，居中。
②示例：
（五号宋体）
期刊类：
[序号]作者1,作者2,……作者n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:
页次.
图书类：
[序号]作者1,作者2,……作者n.书名.版本.出版地:
出版社，出版年:
页次.
八、本规定自公布之日起开始执行，由教务处负责解释。
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