电力电子课程设计

湖南科技大学 信息与电气工程学院

《电力电子技术课程设计报告》

题 目：基于集成电路的的单相交流调压器仿真 专 业：电气工程及其自动化 班 级：电气三班 姓 名： 刘雪晴 学 号：08 指导教师： 郭小定

2016年 6 月 17 日

信息与电气工程学院课程设计任务书

2015 — 2016 学年 第 2 学 期

专业：电气工程及其自动化 班级： 电气三班 学号： 08 姓名： 刘雪晴 课程设计名称 ： 电力电子技术课程设计

设计题目：基于集成电路的单相交流调压器仿真（输出：100V，220A,普通晶闸管） 完成期限：自 2016 年 6 月 14 日至 2016 年 6 月 17 日共 1 周 设计依据、要求及主要内容 一、设计依据

基于集成电路的单相交流调压器 输入：220V 输出：100V,220A

选择器件：普通晶闸管（SCR） 二、要求及主要内容

1．主电路、保护电路、控制电路设计； 2．主电路元件的参数计算与选择； 3．计算整流变压器参数、选择其容量和规格；

4．主电路中过电压过电流保护电路的选择及相应电路元件的计算与选择； 5．绘制主电路、保护电路、控制电路设计电气系统原理图；

6．写出课程设计报告。其中设计报告要包括有设计的目的，设计原理，设计参数的计算，元器件选型，器件表，电路图的设计说明以及设计的心得等；设计报告3000字以上；

指导教师（签字）：

批准日期：2016 年 6月 14日

评语： 成绩： 评阅人： 日期： 摘 要 本次电力电子技术课程设计的题目为单相桥式半控整流器设计。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀、电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。整流电路可从各种角度进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路。 本文所要设计的项目就是单相桥式半控整流器的设计，不同于单相桥式全控整流电路，为了对每个导电回路进行控制，只需要一个晶闸管就可以了，另一个晶闸管可以用二极管代替，即成为单相桥式半控整流电路。 关键词：整流器 单相桥式半控整流 晶闸管 触发脉冲 目 录

一、 设计目的及意义 ..................................................... 5 二、 主电路设计 ......................................................... 5 三、触发电路设计 ........................................................ 6 四、 参数计算与器件选型 ................................................. 7 五、 仿真 ............................................................... 8 （一）仿真平台与过程 .................................................. 8 （二）仿真分析 ........................................................ 9 六、 心得体会 .......................................................... 11 参考文献 ............................................................. 12 附录 ................................................................. 13 A主电路 .............................................................. 13 B触发电路 ............................................................ 13 C器件表 .............................................................. 14

一、设计目的及意义

电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，已成为

现代电气 工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养本专业人才中占有重要地位。 电力电子课程设计的目的在于进一步巩固和加深所学的电力电子基础知识。使学生能综合运用相关课程的基本知识，培养学生检索文献的能力，特别是利用网络检索需要的文献资料，培养学生综合分析问题、发现问题，解决问题的能力以及方案选择等。树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意提高分析和解决实际问题的能力；迅速准确的进行工程计算的能力，计算机应用能力；用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。

通过课程实际使学生认识到理论与实践相结合的重要性，只靠从书本上学到的知识是远远不够的，显示的生活中需要更为丰富的知识，只有把硕学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和思考的能力。在在课程设计工程中查阅资料，了解查阅资料的重要性，鼓励他们克服心理上的不良情绪，不断的学习和解决难题，不断磨练学生意志的过程。通过课程设计是学生所学的基础理论知识得到巩固，并使学生可以运用所学理论知识解决实际问题的初步训练。进一步提高学生的分析、综合能力以及工程设计中分析设计的基本能力，为今后的毕业设计做必要的准备，并为毕业后的工作学习打下了很好的基础。

二、主电路设计

所谓单相交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中， 在每半个周波内对晶闸管开通相位的控制,可以方便地调节输出交流电压的有效值,实现交流调压。

本次采用的是带电阻性负载的单相交流调压电路,主电路如下图所示：

晶闸管的导通角只与控制角α有关,分别对两个晶闸管的开通角进行控制就可以调节输出电压。正负半周起始时刻 (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。α的移相范围应为0<α<π。对触发脉冲的要求除了要保证与电源同步外,脉冲本身的宽度也要保证晶闸管能正常导通。

当负载电阻为R，输入的电源电压有效值为U1，则电路的基本电气参数如下： 1、负载电阻R上的交流电压有效值：

2、负载电阻R上的电流有效值：

3、晶闸管电流平均值

4、晶闸管通态平均电流及其有效值

5、电路功率因数

α角的移相范围为0～180°，α=0时，相当于晶闸管一直接通，输出电压为最大值，UR=U1随着α的增大，UR降低，直到α=π时，UR=0，此外，α=0时，功率因数λ=1，随着α的增大，输入电流落后于电压并且发生畸变，λ也随之降低。

三、触发电路设计

本次触发电路采用555定时器。555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极型（TTL）工艺制作的称为 555，用 互补金属氧化物（CMOS ）工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 ~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 触发电路如下图所示：

555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为低电平。

(三）、保护电路

关于保护电路，考虑在主电路中加入熔断器，根据电流要求选择250A的熔断器进行保护。

四、参数计算与器件选型

由于单相交流调压电路带电阻性负载主电路主要原件是晶闸管，所以选取原件主要考虑晶闸管的参数及选取原则。

1、额定电压TNU通常取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压应为正常工作峰值电压UTM的2～3倍，以保证电路的工作安全。因此晶闸管额定电压：

UTNminUDRM,URRM

UTN2~3UTM

2、额定电流I(AV)又称为额定通态平均电流，国标规定为晶闸管在环境温度为40°C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许留过的最大贡品正弦半波电流的平均值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能要超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。使用时应按十几电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，而且应留有一定的裕量，一般取～2倍。正弦半波电流平均值I(AV)电流有效值I和电流最大值Im三者的关系

为：

IT120ImIsinwtdwtI2

2mm各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值I与I(AV)之比，称为这个电流的波形系数，用Kf表示。因此在正弦半波情况下电流波形系数为：

KfITITAV21.57

晶闸管承受的最大电压为：

UTM2U22220V311V

考虑到2～3倍的安全裕量，则晶闸管的额定电压为：

UN2~3311(622~933)V

那么单独流过一个晶闸管的电流有效值为：

IVT

IR155A ( 2考虑（～2）倍的安全裕量则晶闸管的额定电流为：

I(148~197)A 3、负载R：

RUR/I100V/220A0.45

五、仿真

(一）、仿真平台与过程 1、multisim软件介绍

Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 2、仿真过程

第一步：添加原器件

第二步：根据已经设计好的图纸，在电路中将各个原器件连接好线，完成电路连接。 第三步：启动仿真，观察运行状态，由仿真中出现的问题来排查线路错误，故障。 第四步：观察输出波形，调整器件参数，从而使仿真运行在最佳状态。

（二）、仿真分析

1、α=0°时，输入电压U1的波形图：

2、α=45°时，电路中输出电压的波形图：

4、α=135°时，电路中输出电压的波形图：

5、输出电压为100V,输出电流为220A时，α°：

此时触发脉冲波形图：

输出电压UR波形图：

晶闸管VT1波形图：

从以上波形图可知，主电路、控制电路设计正确。

五、心得体会

这次课程设计，我学到很多有关我们专业知识方面的知识，丰富了自己的知识点，使自己得到提升。同时对multisim仿真有了新的认识。multisim提供一个动态系统建模、仿真和综合分 析的集成环境。在该环境中，无需大量编写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。适应面广、结构和流程清晰、仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点。multisim提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。

在电路进行仿真的过程中，开始会经常遇到问题：线路连接错误、参数设置等。这次课程设计增强了自己的设计和理论联系实际的能力，加深对multisim软件功能的理解，学会了如何用multisim设计三相交流调压器，学会分析理论与实际之间的误差，为以后理论在实践中的应用打下一个很好的基础 。其次懂得了各个课程知识不是孤立的，而是相互之间联系的，我们要学会综合理解知识点以及运用各知识。这次课程设计涉及到了电力电子技术、电路、数学，控制等众多知识面，因而我们需要把把各个学科之间的知识融合起来，形成一个整体，提升了自己的综合知识素养。

总而言之，这无疑提高了我们理论知识的运用能力，这将对我们今后的学习或者实习和以后参加工作都将产生一定的影响。

六、参考文献

1．王兆安，黄俊主编．电力电子技木．第四版．北京：机械工业出版社。

2．王云亮主编．电力电子技术．第一版．北京：电子工业出版社。

3．梁廷贵主编．现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册．北京：科学技术文献出版社。 4．刘雨棣主编．电力电子技木及应用．西安：西安电子科技大学出版社。 5．张石安，张炜主编．电力电子技木基础．北京：电子工业出版社。 6.曲学基，于明扬主编。电力电子整流技术及应用。北京：电子工业出版社。

附录

A主电路

B触发电路

C器件表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8

名称 电源 电源 晶闸管 电阻 电阻 电阻 电阻 电容

型号

交流电源220V 50Hz 交流电源5V50Hz

2N3669 电阻器Ω 电阻器100Ω 电阻器Ω 电阻器10443MΩ 电容器10nF

个数 1 2 2 1 1 1 1 2