题目：单相交流调压电路（2000W）
院（系）：电气工程学院
专业班级：
学 号：
学生姓名：
指导教师：
教师职称： 副教授
起止时间：0８-6-９至08-６-２２
课程设计（论文）任务及评语
目 录
第1章 课程设计目的与要求......................................................................................... 1
1.1 课程设计目的 ........................................................................................................... 1
1.2 课程设计的预备知识 ............................................................................................... 1
1.3 课程设计要求 ........................................................................................................... 1
第2章 课程设计内容....................................................................................................... 2
2.1 设计方案图及经济论证 ........................................................................................... 2
2.2 各部分电路的作用 ................................................................................................... 2
2.3 总体电路与分析 ....................................................................................................... 2
2.4 触发电路与变压器变比的设计 ............................................................................... 4
2.5 单相交流调压电路的理想模型 ............................................................................... 5
2.6 实际实现电路及工作原理 ....................................................................................... 6
2.7 参数计算 ................................................................................................................... 8
2.8 设计总结 ................................................................................................................... 11
第3章 课程设计的考核 .................................................................................................. 12
3.1 课程设计的考核要求 ............................................................................................... 12
3.2 课程性质与学分 ....................................................................................................... 12 参考文献 ................................................................................................................................ 12
第1章 课程设计目的与要求
1.1 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。
1.2 课程设计的预备知识
熟悉电力电子技术课程、电机学课程的相关知识。
1.3 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。
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第2章 课程设计内容
2.1 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。
2.2 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
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。
2.3 总体电路与分析
2
3
2.4 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*10Pt*1062?fBm?KmKc=1000*10362*0.9*100*10*1000*2*0.5*1=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=3.1416cm2它的磁芯窗口面积为Aq=
4.18 cm2,因此PQ50/50的功率容量乘积为：
Ap=Ae*Aq=3.1416*418=13.2
4
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=
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，就可使接在负载两端的电压发生变化，达到调压的目的。
2.5 单相交流调压电路的理想模型
内阻为零?
?理想电源：?电压波形无畸变 ?u?Usin?tms?i?无损耗?理想开关：?无惯性?双向导电?Vinmax*104fBmAe8=314*10384*100*10*1000*3.1416?27.15
?线性元件理想负载：??RLC
理想控制信号?等宽脉冲???G：?占空比D?Tc???频率恒定
电路及其波形如下
5
工作原理：
当G=1时，S1合上，S2断开，U0=Ui
当G=0时，S1断开，S2合上，U0=0续流
2.6 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。
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U01是U0
的基波分量，i01是i0的基波分量；i01与u01将产生 ? 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。
波控制调压 使开关在一个电源周期中多次通
7 斩断，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S1外，还须与负载并联一只双向开关S2。当开关 S1导通，S2关断时，输出电压等于输入电压；开关S1关断，S2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 S1、S2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。
2.7 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??的关系：?移相范围为0≤??≤π。??=0时Uo=U1，最大，
?的增大，Uo降低，??=π时，Uo=0
λ与??的关系：??=0时，λ=1，??增大，输入电流滞后于电压且畸变，
λ降低
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一、电阻性负载
在电源u的正半周内，晶闸管V1承受正向电压，当ωt＝α时，触发V1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，V1管电流下降为零而关断。在电源电压u的负半周，V2晶闸管承受正向电压，当ωt＝π＋α时，触发V2使其导通，则负载上又得到缺α角的
Io?UoR?U
R12?sin2?????
?
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u?sin?t, 则负载电压的有效值为
u从上式中可以看出，随着α角的增大，Uo逐渐减小; 当α＝π时，Uo＝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
9
???t????
1
Z?[R?(?L)]2
22
??arctan
?LR
180
?＝
61401208040
90°
? / (°)
04080120140180
? / °
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io的表达式为
?
?当ωt＝α＋θ时，io＝0θ与控制角α、负载阻抗角φ之间tan?
sin(?????)?sin(???)e
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，
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φ）曲线，单相交流调压电路以φ为参变量时θ与α的关系。
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。
(2) 当α＝φ时， 由式可以计算出每个晶闸管的导通角θ＝180°。此时，每个晶闸管轮流导通180°，相当于两个晶闸管轮流被短接， 负载电流处于连续状态，输出完整的正弦波。
图6-5 感性负载窄脉冲触发时的工作波形
(3) 当α＜φ时， 电源接通后，在电源的正半周，如果先触发V1， 则可判断出它的导通角θ＞180°。 如果采用窄脉冲触发，当V1的电流下降为零而关断时，V2的门极脉冲 已经消失，V2无法导通。到了下一周期，V1又被触发导通重复上一周期的工作， 结果形成单向半波整流现象， 如图6-5所示，回路中出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。 解决上述失控现象的办法是：采用宽脉冲或脉冲列触发， 以保证V1管电流下降到零时，V2管的触发脉冲信号还未消失， V2可在V1电流为零关断后接着导通。 但V2的初始触发控制角α＋θ-π＞φ，即V2的导通角θ＜180°。从第二周开始，由于V2的关断时刻向后移，因此V1的导通角逐渐减小，V2的导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角θ＝180°时达到平衡。
根据以上分析，当α≤φ并采用宽脉冲触发时，负载电压、电流总是完整的正弦波， 改变控制角α，负载电压、电流的有效值不变，即电路失去交流调压作用。在感性负载时，要实现交流调压的目的，则最小控制角α＝φ（负载的功率因素角），所以α的移相范围为φ～180°。
2.8 设计总结
通过本次课程设计让我对电力电子的理论知识得到了深化和理解，不但提高了自己的 查找资料能力，同时也提高了独立思考、独立收集资料、独立设计的能力。通过课设使我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，并初步掌握单相交流调压电路设计以及相关的知识。本课设主要利用晶闸管触发电路、变压器等电路，达到输出交流电压可调的目的。
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第3章 课程设计的考核
3.1 课程设计的考核要求
课程设计采用五级(优、良、中、及格、不及格)评分制。
最后成绩依据课程设计论文及平时成绩决定，其中平时考核成绩占20%。
3.2 课程性质与学分
电力电子技术课程设计的课程性质：考查
学分：2
参考文献： [1] 王兆安.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,2003
[2] 刘胜利 现代高频开关电源实用技术 电子工业出版社 2001.9
[3] 苏玉刚 电力电子技术 重庆大学出版社 2004.3
[4] 叶慧贞 开关稳压电源 北京：国防工业出版社 1990
[5]张占松 高频开关稳压电源 广州：广东科技出版社 1993[6] 周志敏用技术 人民邮电出版社 2004.1
[7] 张占松 高频开关稳压电源 广州：广东科技出版社 1993 12 开关电源实