電力電子課程設(shè)計(jì)

1、湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目：基于集成電路的的單相交流調(diào)壓器仿真 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班 級：電氣三班 姓 名： 劉雪晴 學(xué) 號：1304010308 指導(dǎo)教師： 郭小定 2016年 6 月 17 日II信息與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2015 2016 學(xué)年 第 2 學(xué) 期專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班級： 電氣三班 學(xué)號： 1304010308 姓名： 劉雪晴 課程設(shè)計(jì)名稱 ： 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目：基于集成電路的單相交流調(diào)壓器仿真（輸出：100V，220A,普通晶閘管） 完成期限：自 2016 年 6 月 14 日至 2016 年 6 月

2、 17 日共 1 周設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要內(nèi)容一、設(shè)計(jì)依據(jù)基于集成電路的單相交流調(diào)壓器 輸入：220V輸出：100V,220A選擇器件：普通晶閘管（SCR）二、要求及主要內(nèi)容    1主電路、保護(hù)電路、控制電路設(shè)計(jì)；    2主電路元件的參數(shù)計(jì)算與選擇；     3計(jì)算整流變壓器參數(shù)、選擇其容量和規(guī)格；    4主電路中過電壓過電流保護(hù)電路的選擇及相應(yīng)電路元件的計(jì)算與選擇；    5繪制主

3、電路、保護(hù)電路、控制電路設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)原理圖；6寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告。其中設(shè)計(jì)報(bào)告要包括有設(shè)計(jì)的目的，設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算，元器件選型，器件表，電路圖的設(shè)計(jì)說明以及設(shè)計(jì)的心得等；設(shè)計(jì)報(bào)告3000字以上；指導(dǎo)教師（簽字）： 批準(zhǔn)日期：2016 年 6月 14日評語： 成績： 評閱人： 日期： 摘 要 本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的題目為單相橋式半控整流器設(shè)計(jì)。整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。整流電路的應(yīng)用十分廣泛，例如直流電動(dòng)機(jī)，電鍍、電解電源，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，通信系統(tǒng)電源等。整流電路可從各種角度進(jìn)行分類，主要分類方法有：按組成的器件可分為不可

4、控、半控、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。本文所要設(shè)計(jì)的項(xiàng)目就是單相橋式半控整流器的設(shè)計(jì)，不同于單相橋式全控整流電路，為了對每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，只需要一個(gè)晶閘管就可以了，另一個(gè)晶閘管可以用二極管代替，即成為單相橋式半控整流電路。關(guān)鍵詞：整流器 單相橋式半控整流 晶閘管 觸發(fā)脈沖 目 錄一、 設(shè)計(jì)目的及意義5二、 主電路設(shè)計(jì)5三、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)6四、 參數(shù)計(jì)算與器件選型7五、 仿真8（一）仿真平臺與過程8（二）仿真分析9六、 心得體會(huì)11參考文獻(xiàn)12附錄13A主電路13B觸發(fā)電路13C器件表14 一、設(shè)計(jì)目的及意義 電力電子技術(shù)是一門新興技術(shù)，

5、它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而成的，已成為現(xiàn)代電氣 工程與自動(dòng)化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)本專業(yè)人才中占有重要地位。 電力電子課程設(shè)計(jì)的目的在于進(jìn)一步鞏固和加深所學(xué)的電力電子基礎(chǔ)知識。使學(xué)生能綜合運(yùn)用相關(guān)課程的基本知識，培養(yǎng)學(xué)生檢索文獻(xiàn)的能力，特別是利用網(wǎng)絡(luò)檢索需要的文獻(xiàn)資料，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力以及方案選擇等。樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意提高分析和解決實(shí)際問題的能力；迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力，計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；用簡潔的文字，清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。 通過課程實(shí)際使學(xué)生認(rèn)識到理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要

6、性，只靠從書本上學(xué)到的知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，顯示的生活中需要更為豐富的知識，只有把碩學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在在課程設(shè)計(jì)工程中查閱資料，了解查閱資料的重要性，鼓勵(lì)他們克服心理上的不良情緒，不斷的學(xué)習(xí)和解決難題，不斷磨練學(xué)生意志的過程。通過課程設(shè)計(jì)是學(xué)生所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識得到鞏固，并使學(xué)生可以運(yùn)用所學(xué)理論知識解決實(shí)際問題的初步訓(xùn)練。進(jìn)一步提高學(xué)生的分析、綜合能力以及工程設(shè)計(jì)中分析設(shè)計(jì)的基本能力，為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)做必要的準(zhǔn)備，并為畢業(yè)后的工作學(xué)習(xí)打下了很好的基礎(chǔ)。二、主電路設(shè)計(jì) 所謂單相交流調(diào)壓就是將兩個(gè)晶閘管反并

7、聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中， 在每半個(gè)周波內(nèi)對晶閘管開通相位的控制,可以方便地調(diào)節(jié)輸出交流電壓的有效值,實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓。本次采用的是帶電阻性負(fù)載的單相交流調(diào)壓電路,主電路如下圖所示： 晶閘管的導(dǎo)通角只與控制角有關(guān),分別對兩個(gè)晶閘管的開通角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負(fù)半周起始時(shí)刻 (=0)均為電壓過零時(shí)刻,在穩(wěn)態(tài)情況下,應(yīng)使正負(fù)半周的相等。的移相范圍應(yīng)為0<<。對觸發(fā)脈沖的要求除了要保證與電源同步外,脈沖本身的寬度也要保證晶閘管能正常導(dǎo)通。 當(dāng)負(fù)載電阻為R，輸入的電源電壓有效值為U1，則電路的基本電氣參數(shù)如下：1、負(fù)載電阻R上的交流電壓有效值：2、負(fù)載電阻R上的電流有效值：3、晶閘管電流

8、平均值4、晶閘管通態(tài)平均電流及其有效值5、電路功率因數(shù) 角的移相范圍為0180°，=0時(shí)，相當(dāng)于晶閘管一直接通，輸出電壓為最大值，=隨著的增大，降低，直到=時(shí)，=0，此外，=0時(shí)，功率因數(shù)=1，隨著的增大，輸入電流落后于電壓并且發(fā)生畸變，也隨之降低。三、觸發(fā)電路設(shè)計(jì) 本次觸發(fā)電路采用555定時(shí)器。555定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極型（TTL）工藝制作的稱為 555，用 互補(bǔ)金屬氧化物（CMOS ）工藝制作的稱為 7555，除單定時(shí)器外，還有對應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556。555 定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 31

9、8V 工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 觸發(fā)電路如下圖所示： 555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時(shí)，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時(shí) TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出

10、為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為低電平。(三）、保護(hù)電路 關(guān)于保護(hù)電路，考慮在主電路中加入熔斷器，根據(jù)電流要求選擇250A的熔斷器進(jìn)行保護(hù)。四、參數(shù)計(jì)算與器件選型 由于單相交流調(diào)壓電路帶電阻性負(fù)載主電路主要原件是晶閘管，所以選取原件主要考慮晶閘管的參數(shù)及選取原則。1、額定電壓TNU通常取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓UTM的23倍，以保證電路的工作安全。因此晶閘管額定電壓： 2、額定電流I(AV)又稱為額定通態(tài)平均電流，國標(biāo)規(guī)定為晶閘管在

11、環(huán)境溫度為40°C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許留過的最大貢品正弦半波電流的平均值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流要注意的是若晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正弦波的半個(gè)周期即使正向電流值沒超過額定值，但峰值電流將非常大，可能要超過管子所能提供的極限，使管子由于過熱而損壞。使用時(shí)應(yīng)按十幾電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管，而且應(yīng)留有一定的裕量，一般取1.52倍。正弦半波電流平均值I(AV)電流有效值I和電流最大值Im三者的關(guān)系為： 各種有直流分量的電流波形，其電流波形的有效值I與I(AV)之比，稱為這個(gè)電流的波形系數(shù)，用Kf表示。因

12、此在正弦半波情況下電流波形系數(shù)為： 晶閘管承受的最大電壓為： 考慮到23倍的安全裕量，則晶閘管的額定電壓為： 那么單獨(dú)流過一個(gè)晶閘管的電流有效值為： (考慮（1.52）倍的安全裕量則晶閘管的額定電流為： 3、 負(fù)載R：  五、仿真(一）、仿真平臺與過程1、multisim軟件介紹 Multisim 是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了S

13、PICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。 2、仿真過程 第一步：添加原器件 第二步：根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的圖紙，在電路中將各個(gè)原器件連接好線，完成電路連接。 第三步：啟動(dòng)仿真，觀察運(yùn)行狀態(tài)，由仿真中出現(xiàn)的問題來排查線路錯(cuò)誤，故障。 第四步：觀察輸出波形，調(diào)整器件參數(shù)，從而使仿真運(yùn)行在最佳狀態(tài)。（二）、仿真分析1、=0°時(shí)，輸入電壓的波形圖：2、=45

14、76;時(shí)，電路中輸出電壓的波形圖：4、=135°時(shí)，電路中輸出電壓的波形圖： 5、輸出電壓為100V,輸出電流為220A時(shí)，118.1°：此時(shí)觸發(fā)脈沖波形圖：輸出電壓波形圖：晶閘管波形圖：從以上波形圖可知，主電路、控制電路設(shè)計(jì)正確。五、心得體會(huì) 這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到很多有關(guān)我們專業(yè)知識方面的知識，豐富了自己的知識點(diǎn)，使自己得到提升。同時(shí)對multisim仿真有了新的認(rèn)識。multisim提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分 析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量編寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰、仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈

15、活等優(yōu)點(diǎn)。multisim提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。 在電路進(jìn)行仿真的過程中，開始會(huì)經(jīng)常遇到問題：線路連接錯(cuò)誤、參數(shù)設(shè)置等。這次課程設(shè)計(jì)增強(qiáng)了自己的設(shè)計(jì)和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，加深對multisim軟件功能的理解，學(xué)會(huì)了如何用multisim設(shè)計(jì)三相交流調(diào)壓器，學(xué)會(huì)分析理論與實(shí)際之間的誤差，為以后理論在實(shí)踐中的應(yīng)用打下一個(gè)很好的基礎(chǔ) 。其次懂得了各個(gè)課程知識不是孤立的，而是相互之間聯(lián)系的，我們要學(xué)會(huì)綜合理解知識點(diǎn)以及運(yùn)用各知識。這次課程設(shè)計(jì)涉及到了電力電子技術(shù)、電路、數(shù)學(xué)，控制等眾多知識面，因而我們需要把把各個(gè)學(xué)科之間的知識融合起來，形成一個(gè)整體，提升了自己的綜合知識素養(yǎng)?？偠灾@無疑提高了我們理論知識的運(yùn)用能力，這將對我們今后的學(xué)習(xí)或者實(shí)習(xí)和以后參加工作都將產(chǎn)生一定的影響。 六、參考文獻(xiàn)1王兆安，黃俊主編電力電子技木第四版北京：機(jī)械工業(yè)出版社。2王云亮主編電力電子技術(shù)第一版北京：電子工業(yè)出版社。3梁廷貴主編現(xiàn)代集成電路實(shí)