课程设计说明书设计题目：单相交流调压技术专业班级： 2009级电气工程及其自动化姓名：王昊学号： 0915140068 指导教师：褚晓锐2011年12月23日（提交报告时间）一.课程设计题目：单项交流调压技术的工程应用二.课程设计日期: 2011年12月19日三．课程设计目的：“电力电子技术”课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。

因此，要求学生能综合应用所学知识，设计出具有电压可调功能的直流电源系统，能够较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌整流电路设计的基本方法。

培养学生独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；培养分析、总结及撰写技术报告的能力。

四．课程设计要求：:按课程设计指导书提供的课题，根据第下表给出的基本要求及参数独立完成设计，课程设计说明书应包括以下内容：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、确定变压器变比及容量。

5、确定平波电抗器。

7、触发电路设计或选择。

8、课程设计总结。

9、完成4000字左右说明书，有系统电气原理图，内容完整、字迹工整、图表整齐规范、数据详实。

设计技术参数工作量工作计划1、单相交流220V电源。

2、交流输出电压Ud在0～220V连续可调。

3、交输出电2000W。

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。

第一周：周一：收集资料。

周二～三：方案论证。

周四：主电路设计。

4、触发电路设计。

5、绘制主电路图。

周五：理论计算。

第二周：周一：选择器件的具体型号 周二～三：触发电路设计。

周四～五：总结并撰写说明书。

五．课程设计内容：设计方案图及论证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。

各部分电路作用220V 交流输入部分作用：为电路提供电源，主要是市电输入。

调压环节的作用：将交流220V 电源经过变压器、整流器等电路转换为连续可调的交220V 交流输入调压环节输出连续可调的交流电触发电路流电输出。

触发电路部分作用：为主电路提供触发信号。

输出连续可调的交流电源部分作用：为电阻炉提供电源。

总体电路与分析触发电路与变压器变比的设计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。

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*10KmKc fBm Pt δη210*6=1*5.0*2*1000*10*100*9.0*210*100036=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 2它的磁芯窗口面积为Aq= 4.18 cm 2,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=fBmAeVin 410max*8=15.271416.3*1000*10*100*410*31438=单向晶闸管交流调压电路如图所示。

负载RL 串接在交流回路中，流过它的电流受控于单向晶闸管VS 的导通与截止。

交流 电压经整流后加在VS 的A-K 极间的电压是单向脉动电压UAK ，如图所示。

只要改变单向晶闸管导通角θ的大小，就可以改变负载RL 两端交流电压的有效值，达到交流调压的目的。

如图所示的是一种家用电器调压装置，它适用于电宠斗、电热毯的调温，也可用于台灯的调光。

由VD1~VD4整流输出的脉动直流电除供晶闸管VS 使用外，它还经稳压二极管VD5削波，得到梯形波电压供触发电路使用。

触发电路由VT1、VT2、RP 、R1~R6、C 组成，在R5上获得的放电脉冲经VT1放大后触发晶闸管使其导通。

改变RP 阻值的大小，就接在负载两端的电压发生变化，达到调压的目的。

单相交流调压电路的理想模型电路及其波形如下⎪⎩⎪⎨⎧双向导电无惯性无损耗理想开关：⎪⎩⎪⎨⎧=tU u s m iωsin 电压波形无畸变内阻为零理想电源：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=⎩⎨⎧频率恒定占空比等宽脉冲：理想控制信号线性元件理想负载：cT D G RLC τ工作原理：当G=1时，S1合上，S2断开，U0=U i 当G=0时，S1断开，S2合上，U0=0续流实际实现电路及工作原理前面分析了理想条件下单相调压电路的工作原理，理想条件中假设的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。

iu Gu tωtωτcTU01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。

位控制调压 利用控制触发滞后角α的方法,控制输出电压。

晶闸管承受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角α。

在有效移相范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。

有效移相范围随负载功率因数不同而不同，电阻性负载最大,纯感性负载最小。

图3是阻性负载时相控方式的交流调压电路的输出电压波形。

相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。

另外它还会引起电源电压畸变。

为减少对电源和负载的谐波影响，可在电源侧和负载侧分别加滤波网络。

斩波控制调压 使开关在一个电源周期中多次通断，将输入电压切成几个小段，用改变小段的宽度或开关通断的周期来调节输出电压。

斩控调压电路输出电压的质量较高,对电源的影响也较小。

图4是斩波控制的交流调压电路的输出电压波形。

在斩波控制的交流调压电路中，为了在感性负载下提供续流通路，除了串联的双向开关S 1外，还须与负载并联一只双向开关S 2。

当开关 S 1导通，S 2关断时，输出电压等于输入电压；开关S 1关断，S 2导通时,输出电压为零。

控制开关导通时间与关断时间之比即能控制交流调压器的输出电压。

开关 S 1、S 2ou01i动作的频率称斩波频率。

斩波频率越高,输出电压中的谐波电压频率越高,滤波较容易。

当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时，输出电压中会产生分数次谐波。

当斩波频率较低时，分数次谐波较大，对负载产生恶劣的影响。

将斩波信号与电源电压锁相，可消除分数次谐波。

斩波控制的交流调压电路的功率开关元件必须采用功率晶体管或其他自关断元件，所以成本较高。

参数计算负载电压有效值(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)输出电压与α 的关系： 移相范围为0≤α ≤π。

α =0时U o =U 1，最大，α的增大，U o 降低，α =π时，U o =0λ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降低一、电阻性负载在电源u 的正半周内，晶闸管V 1承受正向电压，当ωt ＝α时，触发V 1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，V 1管电流下降为零而关断。

在电源电压u 的负半周，V 2晶闸管承受正向电压，当ωt ＝π＋α时，触发V 2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。

设2sin u U t ω=, 则负载电压的有效值为从上式中可以看出，随着α角的增大，U o 逐渐减小; 当α＝π时，U o ＝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。

二、电感性负载Ru ouV 1V 2παπαπ-+==2sin 21R U R U I o o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i o 的表达式为当ωt ＝α＋θ时，i o ＝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。

0uαα＋πωt0u g1ωt0u g2ωti o θωtRLL R Z t ωϕωθαωαarctan])([2122=+=+≤≤040801201401804080120140180α / °θ / (° 15°30°45°60°75°ϕ＝90°)ϕθϕαϕθαtan )sin()sin(--=-+e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。