《电力电子技术》课程设计
目 录
摘要 I
introduction.. II
1 引言... 3
1.1 课程设计的目的... 3
1.2 课程设计的内容... 3
1.3 设计要求... 3
2 设计过程... 4
2.1 系统总体方案... 4
2.2 电源控制、显示与保护电路设计... 4
2.3 自耦变压器设计... 5
2.4 调压主电路设计... 6
2.5 调压算法设计... 7
2.6 调压控制电路设计... 7
2.6.1 控制电源电路... 7
2.6.2 输出电压检测电路... 7
2.6.3 控制器电路... 8
3 系统仿真及调试... 10
3.1 仿真软件的选择及仿真图的绘制... 10
3.1.1 仿真软件... 10
3.1.2 仿真图的绘制... 10
3.2 仿真程序设计... 11
3.3 仿真结果... 14
4 结束语... 15
4.1 实验总结... 15
4.2 展望... 15
参考文献... 16
附 录 17
摘要
现代用电设备各式各样，而由于大功率用电器并入电网时使电网的电压产生比较大的变化，这对电源要求较高的设备，如测量设备，计算机等影响很大。基于这一问题，我们设计了一款单相交流电源自动稳压器。该设备以一片AT89C52单片机为核心控制芯片，通过模数转换ADC0804实时测量实际输出电压现代用电设备各式各样，而由于大功率用电器并入电网时使电网的电压产生比较大的变化，这对电源要求较高的设备，如测量设备，计算机等影响很大。基于这一问题，我们设计了一款单相交流电源自动稳压器。该设备以一片AT89C52为核心控制芯片，通过ADC0804实时测量实际输出电压，通过控制连接在自耦变压器各档位的可控硅的导通，实时控制输出电压范围在215V-225V。并在输入端设计了过流保护，最大电流为15A±0.5A。
关键词：单片机，自动稳压，模数转换，过流保护
introduction
Time Modern electrical equipment are various, and with high power appliances connection with power grid to make the grid voltage produce big change, the power to demand higher equipment, such as measuring equipment, computer etc influence. Based on this problem, we design a new single-phase ac power automatic voltage-stabilizer. This equipment to a AT89C52 microcomputer as the core control chip, through frequency-field ADC0804 real-time measuring actual output voltage modern electrical equipment are various, and with high power appliances connection with power grid to make the grid voltage produce big change, the power to demand higher equipment, such as measuring equipment, computer etc influence. Based on this problem, we design a new single-phase ac power automatic voltage-stabilizer. This equipment to a AT89C52 as the core control chip, through ADC0804 real-time measuring actual output voltage, through control connection in self coupling transformer each gear silicon-controlled conduction, real-time control output voltage range in 215V - 225V. And in the input design overcurrent protecting, maximum current for 15 ± 0.5 A.
Keywords: MCU，automatic voltage regulation，frequency-field ，Over-current protection
单相交流电源自动稳压器
电气1081，200811631114，霍兆权，
指导教师：刘丹
1 引言
电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。
1.1 课程设计的目的
通过课程设计,掌握电力电子电路及综合模拟电路,数字电路,自动控制设计的各环节基本内容与要求,完成将来实际工程设计的必需的基础训练。
1.2 课程设计的内容
单相交流电源自动稳压器
调压方式：自耦变分级+晶闸管无触点开关+开环或闭环自动控制
性能指标：容量3KVA，输入200~240V，输出220±5V
1.3 设计要求
1.学生在教师指导下，参照设计程序，完成系统总体方案设计、各环节(主电路、自动调压与触发电路、电源控制及保护显示电路等)的结构设计、设计原理说明、电路图、各元件的计算选择、及相关实验或仿真
2. 分组作设计报告 3. 上交完整的设计报告书
2 设计过程
2.1 系统总体方案
采用自顶向下的设计方法，为满足各性能指标，有如下系统结构图2.1
图2.1 系统结构图
2.2 电源控制、显示与保护电路设计
电源开关采用无触点继电器开关，可以有效减少普通开关带来的危险和电弧放电问题。通过空气开关和压敏电阻（耐压值450V）当电流过大（大于15A）时，压敏电阻过电流而导通使电流急剧增大，空气开关过流而断开。通过保险丝来“二重保护”，防止电流太大。显示部分采用绿色高亮LED串200K电阻。该部分电路图如图2.2
图2.2 电源控制、显示与保护电路
2.3 自耦变压器设计
1、采用均匀电压分档，有以下计算：
输出额定电压分档：
设输入220V时各档输出电压U1,U2,…UN:
(1) 相邻Uk档与Uk+1档配合：
设输出偏差为ΔV时, 由上图应有Ui:
（Uk/220）*Ui=220-ΔV，（Uk+1/220）*Ui=220+ΔV
均匀分档(档间恒压差ΔUA):
ΔVk= 220*ΔUA/(Uk + Uk+1), 最低两档电压配合偏差最大
(2) 输入电压范围计算:
输入最高UIH时,最低U1档输出<=上限225
(U1/220)* UIH <= 225
所以最高允许输入: UIH=225*220/U1 >=240V 或 U1<=206.25 ;
输入最低UIL时,最高UN档输出>=下限215
(UN/220)*200>=215
所以最低允许输入电压:UIL=215*220/UN <=200V 或 UN>=236.5
(3) 参考程序
均匀分档(恒压差):
dua=6 % 档电压差
u=[220];u1=min(u);un=max(u); % 初始电压分档
while un<236.5 % 如最高档过低,则加高一档
un=un+dua;u=[u,un];
end
while u1>206.25 % 如最低档过高,则加低一档
u1=u1-dua;u=[u1,u];
end
n=length(u),u % 分档结果
dv=220*dua/(u(1)+u(2)) % 输出偏差
ui=[(220-5)/(u(n)/220),(220+5)/(u(1)/220)] % 输入电压范围
2、采用均与分档，分档电压为6V,由MATLAB计算结果如下：
dua =
6
n =
7
u =
202 208 214 220 226 232 238
dv =
3.2195
ui =
198.7395 245.0495
分档自耦变压器结果如图2.3
图2.3 自耦变压器
2.4 调压主电路设计
(1) 主电路，如图2.4
图2.4.1调压主电路 图2.4.1驱动晶闸管 电路
通过控制各档位可控硅的开关，可以使输出的出的电压值发生变化，使输出值保持在220V附近，通过单片机实时快速的测量和调节，可以很好的达到稳定输出电压的效果。
(2) 晶闸管选择： 双向晶闸管
电压: (2~3)*电源峰值电压= 800V
电流有效值: (2~3)*额定电流=30A
选型: 2N6075A
确定触发电流
触发电流采用PNP三极管S8550,驱动电流可达100mA,低电平驱动，可以很好的与逻辑芯片相连接。
2.5 调压算法设计
(1)闭环算法: 离散I算法
输出电压Uo<220-ΔV à ?已输出最高档: Yà保持
Nà上调1档
输出电压Uo<220+ΔV à ?已输出最低档: Yà保持
Nà下调1档
(2)控制周期T > Uo检测电路稳定时间, 可取20个工频周期以上.
2.6 调压控制电路设计
2.6.1 控制电源电路
因为本设计使用的器件只用到+5V电源，可以使用如下交直变流电路实现为控制器件提供+5V电压如图2.6.1.1
图2.6.1.1
2.6.2 输出电压检测电路
输出电压为交流电压，可以使用变压器先降10压，降压比为10:1，然后整流，用稳压二极管降压20V，得到电压幅值为0-4V，并通过电位器来微调检测电压值。电压值与交流电压有效值对应关系如下：
范围 控制目标
Uo： 200~240V(设) 215~225V ，
uf=0.1Uo: 20~24V 21.5~22.5V
uo=uf-20V: 0~4V 1.5~2.5V
电路图如图2.6.2
电路图如图2.6.2
2.6.3 控制器电路
本设计采用AT89C52单片机为控制核心，用模数转换器ADC0804一路AD转换，把输出的电压值输入到单片机，通过单片机控制可控硅的导通。这种设计可以很好的提高设计的精度，而且可以通过编程，采用不同的编程算法，可以得到不同的稳压效果，方便调试该系统。
（1） AT89C52最小系统设计
单片机只要提供一个时钟和简单的复位电路，就可以构成最小系统，电路图如图2.6.3.（1）
图2.6.3.（1）89C52最小系统
（2） ADC0804电压测量电路
ADC0804的管脚图如图2.6.3.（2）
图2.6.3.（2）.1 ADC0804架构图
它的主要电气特性如下：
l 工作电压：＋5V，即VCC＝＋5V。
l 模拟输入电压范围：0～＋5V，即0≤Vin≤＋5V。
l 分辨率：8位，即分辨率为1/28=1/256，转换值介于0～255之间。
l 转换时间：100us（fCK＝640KHz时）。
l 转换误差：±1LSB。
l 参考电压：2.5V，即Vref＝2.5V。
电路图如图2.6.3.（2）.2
图2.6.1.（2）.2
(3) 综上所述，通过ADC0804实时测量的输出交流电压值，通过单片机实现离散控制算法，并通过驱动S8550来驱动相应档位的可控硅，从而实现对输出交流电压的实时、精确闭环控制。
图
3 系统仿真及调试
3.1 仿真软件的选择及仿真图的绘制
3.1.1 仿真软件
由于本设计用到了AT89C52可编程单片机，在Multisim中找不到相应的仿真元件，而在Proteus中，可以通过载入编写好的程序机器代码而产生相应的逻辑效果，对系统的仿真有很大的方便性。
3.1.2 仿真图的绘制
（1）各部分电路可以在Proteus中找到相应的元件，这里不再累述其电路图。由于Proteus是基于可编程逻辑功能的仿真软件，不能像Multisim那样提供强大的模拟仿真功能。Proteus中没有自耦变压器，为了实现同样的功能，我们把多个交流电源并联在一起，产生同样的分档效果。在如图3.2.1
图3.1.2 模拟自耦变压器效果图
在模拟等效电源一端处串联一个幅值为10V，频率为100Hz的交流源，等效为信号噪声源，如上图左侧。
（2）仿真电路总图
仿真电路总图采用模块化的划分，通过标号连接，方便调试与整体的组合，如图3.1.2
图3.1.2 仿真电路总图
3.2 仿真程序设计
（1）仿真程序基于上述的离散控制算法，有如下程序流程图如图
（2）仿真源程序
/**************************************************************************
**********离散控制单相稳压电源控制程序*************************************
**************Designed By FOX(霍兆权)***************************************
**************************************************************************/
#include<reg52.h>
#include<intrins.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
sbit wr=P3^6;
sbit rd=P3^7;
sbit csda=P3^2;
uchar output,input;
uchar code level[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf};//电压档位由高到低
uchar code extent[]={
0,51,77,102,128,154,179};//档位为分度为0-1,1-1.5,1.5-2,2-2.5,2,5-3.，3-3.5 ，3,5-5V,对应8位二进制=V/5*256
void delay(uint z);
void init();
void conversion();
void main()
{
init();
while(1)
{
conversion();
delay(50);
if(input>=extent[0] && input<=extent[1])
output=level[0];
if(input>=extent[1] && input<=extent[2])
output=level[1];
if(input>=extent[2] && input<=extent[3])
output=level[2];
if(input>=extent[3] && input<=extent[4])
output=level[3];
if(input>=extent[4] && input<=extent[5])
output=level[4];
delay(50);
if(input>=extent[5] && input<=extent[6])
output=level[5];
if(input>=extent[6])
output=level[6];
P2=output;
}
}
void init()//系统初始化函数，开始输出为220V档位
{
output=level[3];
P2=level[3];
}
void delay(uint z)//简单延时函数，延时时间1ms
{
uint x,y;
for (x=z;x>0;x--)
for (y=110;y>0;y--);
}
void conversion()//AD转换初始化函数
{
csda=0;
wr=1;
wr=0;
wr=1;
delay(10);
rd=0;
input=P1;
delay(10);
rd=1;
}
3.3 仿真结果
通过载入程序，可以观察到，输出电压在215-223V中保持相对稳定，仿真效果可以满足设计要求。如图3.2.1
图3.2.1 仿真结果图
（3）过流保护仿真
过流过压保护在Proteus下不易仿真，本设计只是用保险丝仿真过流保护如图3.3.2
图3.2.2 电流过流错误
4 结束语
4.1 实验总结
这次设计在老师指导，网上查阅资料，同学的互相帮助下顺利的完成了。通过自己学到的知识和老师的指导，我首先确定了系统的总体方案为用单片机加ADC芯片来作为总的控制模块。该方案相比用逻辑器件，有结构简单，快速性好，运行稳定，测量精度高，更重要的是，通过修改程序，可以很方便的修改控制算法和各个系统的参数，如响应的精度，范围，等等。在调试中带来极大的方便。而且成本相对单单用逻辑芯片来说，也不是太高。在性价比的考虑下，我选择了这个方案。
在设计之前我已经学过单片机了，深知用单片机来当控制的核心是当今的一个不可逆转的趋势。在这次设计中，我学习到了如何把电力电子技术的知识结合控制的思想应用到实际中。其实，电力电子作为驱动的部分在原理上是很简单的，不过要注意如何按照设计的要求选择器件和器件的特性要有一定的了解。在知道它的输入输出特性下，设计与控制器结合的驱动电路来实现驱动。在驱动部分上，电路越简单越好，因为越简单的系统越可靠。
再设计好驱动电路后，就可以设计控制电路了。采用单片机设计，可以在最小系统支持下，实现数字控制方法：A/D—微机—D/A的控制流程。而在D/A上，本设计无需使用D/A器件来实现，可以通过离散的控制，当控制对象有一定的积分效果时，可以通过采样周期适中的闭环控制来控制输出交流电压。而单片机控制的电路十分成熟，稳定，可以保证系统的稳定性和高精度的要求。
在设计好电路后，经过简单的测试，如测试给一个控制上输出量，观察观测是否开启相应档位。在这里，我使用了单片机仿真软件Proteus来仿真。当可以有效的驱动后，就可以放心得写驱动程序了。根据一定的算法，如离散算法，在单片机上是比较容易实现的，但是要有一定的编程基础。通过编程，然后用Proteus仿真。在这个过程中，我深深感受到使用单片机的好处。它可以实现多种算法，多种效果，而不必要对电路做过多的修改，这对要求产品更新换代如此高的现代社会来说，有着它极大的优势。而且也大大减少了设计者的工作量。
总的来说，这次设计使我学到的设计的许多知识。在一个设计中，要先有一个设计目标，在有一个设计方案。再设计方案中，根据自己的经验和查阅资料，分析方案的可行性和成本是很是必要的。而且，再设计过程中，合作显得尤为重要。集思广益才能得到最好的效果。这次设计又让我学习到课本上许多没有的知识，而这些知识正是为我们以后参加工作打下坚实的基础。
4.2 展望
本设计使用了单片机加控制，AD检测，如果使用ADC0809来检测，可以实现多路A/D检测。那么，可以在输出端串一个电流互感器，外加一些检测处理电路，可以把实际电流和电压大小检测回来，通过单片机简单的运算，得出真实值，驱动LCD液晶显示。这样一来，可以省去了电压表和电流表，成本大大减小，达到完全的数字化处理。这是本设计今后发展的方向。
参考文献
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[2]日本电气学会电力半导体变流方式调研专门委员会著．电力半导体变流电路．王兆安，张良金译。北京：机械工业出版社，1993
[3]黄俊，秦祖荫编．电力电子自关断器件及电路．北京：机械工业出版社，1991
[4]黄俊主编．半导体变流技术实验与习题．北京：机械工业出版社，1989
[5] 王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补尝．北京：机械工业出版社，1998
[6]邵丙衡主编．电力电子技术．北京：中国铁道出版社，1997
[7]赵良炳．现代电力电子技术基础．北京：清华大学出版社，1995
[8]李序葆，赵永健．电力电子器件及其应用．北京：机械工业出版社，1996
[9]陈治明．电力电子器件基础．北京：机械工业出版社，1992
[10]赵可斌，陈国雄．电力电子变流技术．上海：上海交通大学出版社，1993
附 录
1. 元件清单
