中北大学电力电子课程设计说明书中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 刘洋 学 号：1503042130 学 院： 自动控制系 专 业： 电气工程及其自动化 题 目： 单相交流调压电路设计 指导教师： 李郁峰 职称: 讲师 2016年1月6号 中北大学电力电子课程设计任务书 15/16 学年第 一 学期学 院：自动控制系专 业：电气工程及其自动化学 生 姓 名：刘洋学 号：1503042130课程设计题目：单相交流调压电路设计起 迄 日 期:12月28日 - 1月8日课程设计地点:计算机实验室指 导 教 师:李郁峰系主任：王忠庆 下达任务书日期: 2015年12月28 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：（1） 能够根据功能要求查找相关的元器件的说明书。（2） 能够对元器件的说明书进行学习并掌握元器件的控制方法和要求。（3） 能够利用Matlab软件编写控制程序并应用Multisim、Proteus仿真软件对电路进行仿真调试。（4）能够按着规范的课程设计的格式完成课程设计报告。进一步加深对变流电路基本原理的理解，提高运用基本技能的能力.2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：设计内容：设计一个单相交流调压电路交-交变流主要指直接方式。其中，只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电路，改变频率的电路称为变频电路。采用相位控制的交流电力控制电路，即交流调压电路；采用通断控制的交流电力控制电路，即交流调功电路和交流无触点开关。要求:1 进行设计方案的比较，并选定设计方案。 2 完成单元电路的设计和主要元器件的说明。 3 完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择。 4 驱动电路的设计。 5 电路的仿真。主电路仿真采用Matlab进行，利用Simulink中模块进行建模。主控制电路仿真采用Multisim进行，利用Multisim中自带模型所建原理图。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1. 根据具体设计课题的技术指标和给定条件，独立进行方案论证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整； 2. 查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数，对设计方案进行仿真；3.完成设计说明书，说明书中要有设计方案，设计电路图，还要有仿真结果；课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1李维波，MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社，2007 2王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5 3李传奇，电力电子技术计算机仿真实验（M），机械工业出版社20065设计成果形式及要求：1设计任务书 2设计方案 3主电路图 4驱动电路和保护电路图 5电路参数计算及元器件选择清单 6主电路和驱动电路工作原理分析 7主要节点电压和电流波形 8参考文献 。6工作计划及进度：2015 12月28日12月30日 查找资料，确定方案1月1日 1月3日 设计硬件电路，绘制电路原理图1月4日 1月6日 软件设计，并调试通过1月7日1月8日 编写课程设计报告，答辩或成绩考核系主任审查意见： 签字： 年 月 日目录1单相交流调压电路的设计12 设计方案选择13 设计原理24设计内容原理图3 4.1 主电路的设计3 4.2 控制电路的设计5 4.2.1触发信号的种类5 4.2.2 触发电路的设计55保护电路的设计8 5.1过电压保护 8 5.2过电流保护96 总电路图107 单相交流调压电路仿真结果及结果分析11 7.1 仿真结果11 7.2 结果分析148 设计体会16参考文献17第 页 共 页1单相交流调压电路的设计 设计目的和要求分析 设计一个单相交流调压电路，要求触发角为60度。输入交流U2=210伏。要求分析： 1. 单相交流调压主电路设计，原理说明； 2触发电路设计，每个开关器件触发次序与相位分析； 3保护电路设计，过电流保护，过电压保护原理分析； 4参数设定与计算(包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算，输出波形分析，器件额定参数确定等可自己添加分析的参数)；5. 相关仿真结果。 由以上要求可知该系统设计可分为四个部分：交流调压主电路设计、触发电路设计、保护电路设计及相关计算和波形分析部分。 2 设计方案选择 本系统主要设计思想是：采用两个晶闸管反向并联加负载为主电路，外加触发电路；触发电路控制晶闸管的导通，从而控制输出。其系统框图如下所示：主 电 路电阻负载输出交流输入触发电路图2.1 系统整体框图 第 6 页 共 17 页3 设计原理 本实验采用了锯齿波移相触发器。该触发器适用于双相晶闸管或两只反并联晶闸管电路的交流相位控制，具有控制方式简单的优点。 图为电阻负载单相交流调压电路图以其波形。图中的晶闸管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的触发延迟角进行控制就可以调节输出电压。正负半周起始时刻（=0 ）均为电压过零时刻。在稳态情况下，应使正负半周的相等。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（也即电源电流）和负载电压的波形相同，因此通过触发延迟角的变化就可以实现输出电压的控制。 上述电路在触发延迟角时，负载电压有效值U0、负载电流有效值I0、晶闸管电流有效值IVT和电路的功率因数分别为4设计内容原理图4.1 主电路的设计 所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软启动，也用于异步电动机调速。此外，在高电压小电流或低电压流之流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。本次课程设计主要是研究单相交流调压电路的设计。由于交流调压电路的工作情况与负载的性质有很大的关系，因此下面就反电势电阻负载予以重点讨论。图1、图2分别为反电势电阻负载单相交流调压电路图及其波形。图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。在交流电源U2的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的移相控制角进行控制就可以调节输出电压 正、负半周起始时刻=0，均为电压过零时刻。在时，对VT1 施加触发脉冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。在时，对VT2施加触发脉冲，当VT2正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在时，电源电压过零，VT2自然关断。 当电源电压反向过零时，由于反电动势负载阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点。稳态时，正负半周的相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（电源电流）和负载电压的波形相似。 4.2 控制电路的设计 4.2.1触发信号的种类 晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当正向电压、电流信号(触发信号)。门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。 1 .直流信号： 在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通。这种触发方式在实际中应用极少。因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗；在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损坏。 2 .交流信号： 在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压uc=ut时，晶闸管导通。ut是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变u。值，可改变触发延迟角。这种触发形式也存在许多缺点，如：在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定，可通过交流电压u