单相交流电源自动稳压器.docx

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单相交流电源自动稳压器

单相交流电源自动稳压器

电力电子应用课程设计报告

院系电子与电气工程学院专业班级学号姓名

2012年月

目录

一、设计目的…………………………………………………………………………2

二、设计依据…………………………………………………………………………2

三、设计要求…………………………………………………………………………2

四、设计程序…………………………………………………………………………2

1、简要的设计要求与数据资料……………………………………………………2

2、系统总体设计……………………………………………………………………3

2.1、系统总体结构图…………………………………………………………………3

2.2、系统总体说明……………………………………………………………………3

3、系统环节电路设计………………………………………………………………3

3.1、电源控制、显示与保护电路设计…………………………………………………3

3.2、自耦变压器设计………………………………………………………………4

3.3、晶闸管触发电路设计……………………………………………………………5

3.4、调压控制电路……………………………………………………………………5

3.5、输出电压电流表选择……………………………………………………………6

五、电路仿真…………………………………………………………………………6

六、相关性，调试，使用，改进说明………………………………………………9

七、元器件清单……………………………………………………………………10

八、设计总结………………………………………………………………………11

九、参考文献………………………………………………………………………11

前言

近几年来，随着我国经济建设的发展，通信设备和通信网点在全国各地迅速增长，通信手段越来越先进。

在各种程控数字交换设备和数字传输网得到广泛应用的同时，对系统供电设施的要求也越来越高。

目前，国内的各类程控电源已相继投入市场，通信电源系统正在逐步向集中监控、少人职守或无人职守的方向发展。

早期的供电方式为集中供电，即供电设备集中和供电负载集中。

这种方式的优点是：

整流器、蓄电池、监控和配电设备都集中放置在配电室，各种电压的电池组都放置在电池室，因而供电容量大，且无须考虑电池兼容问题，供电设备的干扰也不会影响主通信设备。

但是此种方式也有很多缺点：

设备体积和重量较大，供电线路笨重，系统扩容困难。

为改进这些不足，分散供电方式逐渐得到广泛的使用。

所谓分散供电，就是指供电设备有独立于其他供电设备的负载，即负载分散或电池与负载都分散。

此种方式的优点包括：

占地面积小，节省材料，较低的损耗，运行维护费用低，供电可靠性高等等。

无论哪种方式供电，程控数字交换设备一般都以直流电源供电为主。

直流电源又由基础电源和机架电源构成。

基础电源是指包括整流器、蓄电池、监控和配电设备在内的直流供电系统。

机架电源则是指交换机上的插件电源。

对于基础电源来讲，为产生所需要的各种直流电压（一般为-48V，也有少量采用-24V），都需要将工频电网的单相220V或三相380V交流电压进行AC/DC和DC/DC变换。

因此，变换器性能的好坏直接关系到整个通信电源系统的供电质量。

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。

一、设计目的

1、了解交流调压电路的工作原理。

2、掌握晶闸管电路的设计方法。

3、通过课程设计培养学生的自学能力和分析问题解决问题的能力。

4、通过课程设计使学生具有一定的计算能力、制图能力、查阅手册、使用国家技术标准的能力和一定的文字表达能力。

二、设计依据

利用双向晶闸管设计0-220V连续可调的交流稳压电路，要求进行过流过压保护。

三、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、按时作设计报告。

3、上交完整的设计报告书

四、设计程序

1、简要的设计要求与数据资料

1.1、电源输入电压：

单相交流50HZ，200~240V

1.2、输出电压：

0-220V

1.3、调压方式：

自耦变压器分档+晶闸管无触点开关+开环或闭环自动控制

1.4、电源控制：

空气开关+接触器+起动/停止按钮

1.5、保护：

熔断器过流保护+压敏电阻过压保护

1.6、显示：

输入有电发光二极管显示，输出电压表，分流器+电流表显示

2、系统总体设计

2.1、系统总体结构图：

2.2、系统总体说明：

当输入电压ui=200～240V时，电压经过开关控制。

当开关闭合时，开关控制电路电源显示，说明电路正处于工作状态；然后电压经过流过压保护装置，送到调压控制装置和自耦变压器，在调压控制下，触发晶闸管，从而控制自耦变压器的变比k；最后电压ui经过自耦变压器再经过电压电流显示，输出电压。

3、系统环节电路设计

3.1、电源控制、显示与保护电路设计：

（1）、电路图（电源开关、接触器与起动/停止控制电路、发光二极管电路，熔断器、压敏电阻、电阻、电容）

（2）、工作原理说明：

1）、电路闭合工作原理：

当电源开关S1闭合，输入电压ui经过电路熔断器

（防止过流），按下起动按钮开关S2，接触器JC处于工作导通作态，使开关JC-1、JC-2，JC-3闭合，从而电路导通，发光二极光显示亮，工作状态正常。

2）、电路断开工作原理：

按下停止按钮开关S4，开关电路断开，接触器J使开关K、S3断开，从而整个电路断开。

3.2、自耦变压器的设计

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：

1000*106Pt*106Ap=Ae*Aq=Pt*10==5.562?

fBm?

KmKc2*0.9*100*103*1000*2*0.5*1

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=4.18cm2,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：

314*108Vinmax*108?

27.15Np==34*100*10*1000*3.14164fBmAe

3.3、晶闸管触发电路

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。

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。

3.4、调压控制电路设计

（1）输出电压检测与控制电源电路设计

3.5、输出电压、电流表选择

，

输出电压表：

量程为0～300V

输出电流表：

选带电阻的分流器电流表量程为0～20A

五、电路仿真

（1）阻感负载下稳态式α的移相范围应为φ≤α≤π。

取α=60度时电路波形如图5—1

图5—1电路波形

波形分析：

在α=60度的时候方波脉冲触发上面的晶闸管导通，此时电路开始导通，负载电流由零开始逐渐增大，在负载电压过零后一段时间电流衰减为零。

再经过一小段时间下面的晶闸管被触发导通，电流反向逐渐增大至峰值，然后再衰减至零。

负载电压在晶闸管被触发导通的时候跟随电源电压，当电源电压过零时，由于存在电感，负载电压过零，知道晶闸管两端反向截止，负载电流为零，负载电压为零。

当负载通过电流时，负载电压再次跟随电源电压变化。

（2）α=90度时电路波形如图5—2

图5—2电路波形

此波形分析与在α=60度时相似。

（3）在α=180度时电路波形如图5—

3

图5—3电路波形

此时电流为理想的正弦波，负载电压也为正弦波且超前负载电流φ角，由此了的阻感负载下稳态时的α移相范围为φ≤α≤π。

（4）如上所述，阻感负载时α移相范围为φ≤α≤π。

但是α<φ=8.5度时，并非电路不能工作，仿真波形如图5—4所示。

图5—4电路波形

当φ<α<π时，VT1和VT2的导通角均小于π。

α越小，θ越大；α=φ时，θ=π。

当α继续减小，例如在0≤α＜φ的某一时刻触发VT1，则VT1导通时间将超过π，到wt=π+α时刻触发VT2，负载电流尚未过零，VT1仍在导通，VT2不会立即导通。

直到负载电流过零后，如VT2触发脉冲有足够的宽度而尚未消失，VT2就会导通。

因为α<φ，VT2提前导通，负载L被过充电，其放电时间也就延长，使得VT1结束导电时刻大于π+φ并使VT2推迟导通，VT2的导通角当然小于π。

此时wt的范围就不再是α≤wt≤α＋θ,而是扩展到α≤wt≤∞,因为这种情况下I0已不存在断流区，其过渡过程和带R--L负载的单相交流调压

电路完全相同。

可以看出，I0由两个分量组成，第一项为正弦稳态分量，第二

项为指数衰减分量。

在指数分量的衰减过程中，VT1的导通时间逐渐缩短，VT2的导通时间逐渐延长。

当指数分量衰减到零后，VT1和VT2的导通时间都趋近到π,其稳态的工作情况与α＝φ时完全相同。

六、相关性能，调试，使用，改进说明：

（1）相关性能：

采用补偿式无触头交流全自控稳压电源，采用控制稳压电源一次电压来改变二次补偿电压，解决线路调压瞬间断电现象。

使用开环调节，调整输入电压而达到输出目的电压。

使用大功率晶闸管来控制调压，因而工作十分可靠，使用寿命极长，能连续无故障运行。

电源控制显示保护能够保证稳压电源工作更加有保障和安全。

采用空气无触点开关，响应速度极快，容量为30KVA，实现了无触点调压，具有稳定性能好，效率特高等优点，对电网无污染，能在各种恶劣的电网和复杂的负载下可靠地连续工作。

（2）、调试，使用：

1）当输入电压ui=200~240V时，如230V（即在档2内），电压经过开关控制，电源开关S1闭合后，输入电压ui经过电路熔断器（防止过流），按下开关S2，接触器J处于工作导通作态，使开关K、S3闭合，从而电路导通。

开关控制电路电源显示，说明电路正处于工作状态；

2）然后电压经过过流过压保护装置，送到调压控制装置和自耦变压器。

在调压控制电路，输入电压经过变压器与可变电阻，输入给电路中比较器,由LM339输出之前设计好的各档位。

3）经过比较器，调压控制电路输入输出高低电平而触发电路，从而达到调

档输出电压值。

（3）、改进说明：

电路控制方面可以改进为闭环控制，已达到全自动，由系统内部自己调节。

调压控制电路部分可以采用集成片，使整个电路电路图显得更加简洁，原理更清晰。

或者可以试着采用单片机调节控制整个电路，这样使用编程更加准确的控制调节电路。

七、元器件清单：

八、课程设计体会与总结

此次《电力电子技术》课程设计顺利完成，设计了单相交流稳压电源。

设计按照指导老师提示的课程设计指导书做参考综合了其他资料，并最终汇总成这一份完整的课程设计报告。

此次课程设计内容个人觉得相对还是有点难度和深度，运用到的知识面比较广，综合了电力电子电路及综合模拟电路,数字电路,自动控制原理各门学科，所以完成起来有了一定的困难，也碰到很多设计中不懂的问题。

特别是对每部分电路设计的原理说明和工作过程都比较模糊。

触发电路设计时也要考虑很多因素，最起码的一点就是双向晶闸管要接地。

本次课程设计利用了protel设计软件为辅助完成电路图设计，很多元器都要查找和查阅资料才能找到，花费也较长时间，而且有一些需要自己画。

列元件清单时，元件的型号，参数设计也是较头疼的部分，需要结合实际配元器件，还要符合设计要求。

通过此次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。

此课程设计涉及的知识难度较大，设计需要较长时间，而且网上的资源比较有限，需要去图书馆参考各种资料。

但是这也让我对有关交流稳压电源的知识有更多的了解，深深体会到了设计需要的知识面有多广，需要较强的自学和选读参考资料的能力。

九、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]周志敏开关电源实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