毕业设计铁道学院机电系新型单相调压器设计.docx
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毕业设计铁道学院机电系新型单相调压器设计
毕业设计说明书
课题名称：
新型单相调压器设计
专业系轨道交通系
班级铁电092
学生姓名文毅峰
指导老师周辉山
完成日期2011.11.16
1.2技术参考
2.4触发电路设计....................................................................................................................................
2,5技术要求...............................................................................................................................
2.6触发电路原理分析..........................................................................................................................
2,7单相调压器总电路图及原理分析..............................................................................................
前言
电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制。
它包括电力电子器件、电力电子电路和控制技术三部分，它的研究任务是电力电子器件的应用、电力电子电路的电能变换原理、控制技术以及电力电子装置的开发与应用。
电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制与应用，它是以低频技术处理问题为主的传统电力电子技术，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子技术方向发展的。
电力电子器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的动力，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机的。
它的根本任务是实现电能的变换和控制。
电力电子技术在一般工业、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源以及日常生活中得到了广泛的应用。
总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术，并使其飞速发展。
电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。
电力电子技术对节省电能有重要意义。
特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。
能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术在21世纪中将会起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。
电力电子技术是一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。
ABSTRACT
PowerElectronicsistheelectronicsandcontroltechnologyintoconventionalpowertechnologies,theuseofsemiconductorpowerswitchingdevices,powerconversioncircuitcomposedofavarietyofenergytransformationandcontrol.Itincludespowerelectronicdevices,powerelectronicsandcontroltechnologyofthreeparts,itsmissionistostudytheapplicationofpowerelectronicdevices,powerelectronicpowerconversioncircuittheory,controlandpowerelectronicstechnologydevelopmentandapplication.Powerelectronicstechnologydependsonthedevelopmentofpowerelectronicdevicesandapplications,itismainlylow-technologytreatmentofthetraditionalpowerelectronicstechnology,tohigh-frequencytechnologytodealwiththeproblemofamodernpowerelectronicstechnology,thedirectionofdevelopment.Powerelectronicdevicesisthebasisofpowerelectronics,powerelectronicstechnologyisthedrivingforce,powerelectronicstechnology,everyleapistheemergenceofanewdeviceasanopportunity.Itsfundamentalmissionistoachievethetransformationandcontrolofelectricalenergy.Powerelectronicstechnologyingeneralindustrial,transportation,powersystems,communicationssystems,computer
systems,newenergyandlifehasbeenwidelyused.Inshort,thepowerelectronicstechnology,awiderangeofapplications,tostimulatepeopletolearn,studypowerelectronicstechnology,anditsrapiddevelopment.Powerelectronicdevicesisprovidedtoloadavarietyofpower,itcanbesaidofpowerelectronicstechnologyisthepoweroftechnology.Powerelectronicstechnologytosaveenergyareimportant.Especiallyinlarge
fans,pumpswithfrequencycontrol,theuseofaverylargeamountoflightingpower,etc.,soitisalsoknownasenergy-savingtechnologies.Energyisaneternaltopicofhumansociety,poweristhemosthigh-qualityenergy,therefore,powerelectronicstechnologyinthe21stcenturywillplayanimportantrole,hasaverybrightfuture.Powerelectronicstechnologyisanewtechnologyinthe21stcenturywillcontinueatarapidpace.
第一章单相调压器设计任务
1.1技术背景
单相调压器是工厂和实验室的常见的电气设备，它的功能是把输入的交流正弦电压变换成同频率的另一个正弦电压值。
它的构造有一个铁心线圈，一个石墨碳刷，一个转轴，一个手柄，支架及外壳组成。
虽然这种形式的调压器目前使用十分广泛。
而且是唯一的，但它的缺陷是存在的。
譬如：
重量体积的问题。
因内部有铁心线圈的存在，而且还要考虑容量，铁心又必须做得很大，同时线圈是使用铜线，有色金属国际市场价格是长期向上的走势，成本的不利因素也是一个方面。
第二，使用上，必须分清原副边，而且石墨碳刷有磨损，而且需要定期清扫石墨粉和更换石墨，很是麻烦。
第三，对负载短路或过载的保护完全没有。
为了克服现有的调压器的结构复杂，元器件数目众多，容易出现故障，性能不稳定，制作成本等方面的不足，因此设计一种新型单相交流电子调压器，该电子调压器结构简单，性能稳定，成本低，电压连续可调，可代替原有的自耦调压器，并且具有电压实时显示的功能。
1.2技术参考
单相交流电源的应用是非常广泛的。
比如在农村,轻工业，家用电器的小功率传动领域以及电力机车供电系统。
对于单相交流电源，调压和稳压是最为普遍的要求。
目前能够实现这一要求的调压器有下面三种：
1）磁饱和式调压器该调压器通过控制主电路中电感的饱和程度，以改变电抗值以及其上的电压，实现对输出电压的调节。
这种调压器具有一定的动态性能，但输出电压的调节范围，体积和重量较大。
2）机械式调压器机械式调压器由电动机带动碳刷实现输出电压的调节。
这种调压器输出波形较好，但体积，重量大，动态性能差。
3）电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。
目前有晶闸管调压器和逆变式调压器两种。
晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式，其输出波形和动态响应较好。
从上面可知，电子调压器具有较好的性能。
电子调压器的结构不仅具有调压，稳压的能力，而且还可以实现电压无级调压。
他是采用相控调压方式实现的。
电了调压器的工作稳定性，操作方便性，结构简单，成本低，体积小，重量轻等优点。
新型调压器可以考虑采用电子式调压器。
1.3设计要求
本实用新型的有益效果是，可以实现电压的0V到输入电源电压值之间的无级调节，调压器能在带负荷情况下，无级、平滑、连续地调节输出电压并且可以实时显示输出电压的大小；电压变换效率好，接线端子接线错误时，不会有烧毁调压器的危险。
结构简单，性能稳定，体积小，重量轻等优点
第二章单相调压器设计方案
采用一个开关管（GTO）,调节此开关管（GTO）的导通时间调节电压。
设计单相调压电路。
将一种交流电能转换为另一种交流电能的过程称为交流一交流变化过程，凡能实现这种变换的电路为交流变换电路。
该方案由变压器，触发电路，整流器，以及一些电路构成，输出的电压为单相交流0-220V。
各部分电路的作用
220V交流输入部分作用，为电路提供电源，主要是电输入。
调节环节的作用，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部分作用，为负载提供电源。
2.1主电路设计
新型单相调压器为了能实现电压0V到输入电源电压值之间的无级调压并且其结构简单，性能稳定，经济成本低等问题。
本设计采用第一章章节中采用的电子式调压器中的晶闸管调压器。
如图1-1所示其输入电源电压为交流220V。
主电路采用四个二极管和一个可关断晶闸管组成。
图1-1
2.2技术要求
新型单相调压器为了防止输入电源接错而烧毁调压器的危险，设计了由四个二极管桥式整流换向使得晶闸管VT的电压始终是上正下负。
为了保证晶闸管的可靠导通采用触发电流大晶闸管，且触发电流越大，正向转折电压越低可以有效的抑制晶闸管的“硬开通”，防止损坏管子。
2.3主电路原理分析
单相交流调压器的主电路是在交流电源侧的负载通过四个二极管桥式整流换向作用与晶闸管VT相连。
由二极管桥式整流换向作用使得流经晶闸管VT的电流始终是从上至下的。
如果关断晶闸管VT，负载间就不会有电流流过，便不能在负载上得到电压。
电路通过控制晶闸管在每一个电源周期内导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。
当晶闸管VT被触发导通导通角度为a时，负载两边的电压表达式为：
Ud=
······
······················（2.1）
负载电流i0的表达式为
i0=
······
······················
（2.2）
···································（2.3）
····································（2.4）
第三章触发电路设计
3.1晶闸管对触发电路的要求
触发信号的种类：
晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：
第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当正向电压、电流信号（触发信号）。
门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。
a）直流信号：
在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通。
这种触发方式在实际中应用极少。
因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。
若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗；在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损坏。
b）交流信号：
在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压uc=u。
时，晶闸管导通。
ut是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变u。
值，可改变触发延迟角α。
这种触发形式也存在许多缺点，如：
在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定，可通过交流电压u。
值来调节，调节的变化范围较小（00≤α≤900）。
c）脉冲信号：
在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。
因此，触发信号多采用脉冲形式。
触发电路的要求：
晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等；所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻—电感性负载、反电势负载等。
仅管不同的情况对触发电路的要求也不同，但其基本要求却是相同的，具体如下：
（a）触发信号应有足够的功率（触发电压、触发电流）
由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流值受温度影响会发生变化。
例如元件温度为100℃时触发电流、电压值比在室温时低2-3倍；元件温度为-400c时，触发电流、电压值比在室温时高2-3倍。
为了使元件在各种工作条件下都能可靠地触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录，设计触发电路的输出电压、电流值，并留有一定的裕量。
一般可取两倍左右的触发电流裕量，而触发电压按触发电流大小来决定，但应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。
（b）触发脉冲信号应有一定的宽度：
普通晶闸管的导通时间一般为6μs，故触发脉冲的宽度至少应有6μs以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5～1ms，否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的掣住电流时，此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。
3.2触发电路设计
新型单相调压器控制部分的触发电路采用脉冲触发如图1-2
图1-2
控制电路由一个整流桥和一个晶闸管VT构成，触发电路由两个整流桥、一个滤波电容、一个定值电阻和一个可变电阻组成。
通过触发电路给予晶闸管触发信号，实现电压的调节。
新型单相调压器控制电路可以等效为单相桥式整流电路和单相桥式整流电容滤波电路的组合电路。
调压器控制电路工作原理分析可以先通过对两桥式整流电路的分析。
单相桥式整流电路如图1-3所示
图1-3
电路工作原理：
设电源变压器二次绕组电压V2（U2）正半周时瞬时极性上端为正，下端为负。
二极管D1、D3正偏导通，D2、D4反偏截止。
导电回路正极——D1——RL——D3——负极。
负载上电压极性上正下负。
负半周时，V2瞬时极性上端为负，负极端为负，二极管D1,D3反偏截止，D2,D4正偏导通,导电回路负极——D2——RL——D4——正极，负载上电压极性同样上正下负。
UO=0.9V2
单相桥式整流电容滤波电路
如图1-4所示为单相半波可控整流电路，整流变压器起变换电压和隔离的作用，整流桥整二次电压U3，C1电容起滤波作用。
设滤波电容C1初始电压值为零，电压U经单相桥式整流后，在一个周期内，U3对电容充电二次，电容对负载放电的时间大大缩短，输出电压波形更加平滑近似为一条直线。
U3=1.2U3URL+URP=UC
URL=U3-URP=1.2U3-URP
图1-4
第四章单相调压器总电路图及原理分析
图1-5单相交流电子调压器电路是本实用新型的电路原理图，负载为调压器输出端子，用来接负载，AC220V为调压器输入，用来接单相交流电源，图的下部为控制电路，上部D1-D4，GTO组成调压器的主电路。
图1-5
主电路由一个整流桥和一个晶闸管VT构成，控制触发电路由两个整流桥、一个滤波电容、一个定值电阻和一个可变电阻组成。
主电路通过控制电路调节晶闸管VT的导通时间，调节输出电压。
控制电路的触发则通过比较电阻R上的电压。
如图所示控制电路部分输入电压U2整流后得到的是一个脉动直流和U3整流滤波后得到一个稳定的直流。
它们都会在R上形成一个压降，VT的导通取决于这两个压降的关系。
只要控制这两个压降的大小就能控制VT的导通角，从而实现调压。
它们的关系如下：
说明：
U2表示（上）变压器二次侧的电压。
U3表示（下）变压器二次侧的电压。
R表示定值电阻。
Rp表示可变电阻。
VT表示晶闸管。
Ar表示在U2r上的压降。
Br表示U3在R上的压降。
触发回路根据电压比较电路中Br与Ar的比值来控制晶闸管VT的导通或截止则
r=Br/Ar
因此可以通过改变r来调节晶闸管VT的导通角。
第一种情况：
Br和Ar的峰值相切或Br完全在Ar之上。
如图1-6所示其图形表示为
r=Br/Ar>1
r=Br/Ar=1图1-6
在输出端得到一个220V的交流电如图1-7所示。
图1-7
第二种情况：
Br和Ar相交其图像如图1-8所示为
r=Br/Ar<1（r>0）
图1-8
在一个周期内VT的导通时间为0～α;π-α～π;π～π+α;2π-α～2π;
很显然Br只有和Ar相交于F之下才是调节的范围；才能通过Rp调节。
Rp最大时r分压最小其波形为图1-9所示
图1-9
Rp最小时r分压最大其波形如图1-10所示
图1-10
很显然r的分压最大触发电压也最大能等于Br的峰值电压。
（图中阴影部分表示的是VT导通的时间）
备注：
实际中Br等于Ar时VT不会导通，Br必须大于Ar+VT的一个管压降才能触发导通。
只是这个管压降很小在这里认为Br等于Ar时VT就能被触发。
移相控制
当Rp增大时，Br就会变小相应的其波形会下移也即和Ar的交点会下移晶闸管VT的导通时间就会变短，输出地电压就也会相应的变小，实现了移相。
脉冲输出
触发电压由r直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。
对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。
所以一般采用脉冲变压器输出。
同步电源
同步电压由变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。
同步电压经桥式整流A、B电容滤波或不经滤，分别得到Ar、Br的同步信号,同时同步信号又是触发主电路电路的晶闸管VT的电压同步，从而实现同步。
第五章单相调压器主要元器件选择与说明
5.1主要元器件的分析
（1）变压器
变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中广泛应用。
变压器主要由铁心和绕组两个基本部分组成。
变压器功能主要有：
电压变换；电流变换，阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等。
变压器的工作原理:
变压器的工作原理图
当变压器的一次绕组接上交流电压U1时，一次绕组中便有电流通过。
电流在铁心中产生闭合磁通，磁通随的变化而变化，从而在二次绕组中产生感应电动势。
如果二次绕组接有负载，在二次绕组和负载组成回路中有负载电流产生。
1.变压器的变压比
K称为变压器的变比。
当电源电压一定时，只要改变匝数比，就可得出不同输出电压。
降压变压器，
1为升压变压器。
2.变压器的变流比
变压器中一、二次绕组的电流之比为
即变压器一、二次绕组的电流与绕组的匝数成反比。
因为整流桥阳极电压都比较高，不能直接引入控制装置，因此需要利用一个变压器来降压，并同时起到一定的隔离作用，所以新型单相调压器的变压器采用同步变压器用来为晶闸管提供同步信号作为其控制电压的。
（2）二极管
二极管又称晶体二极管,简称二极管（diode），另外，还有早期的真空电子二极管；它是一种具有单向传导电流的电子器件。
在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。
一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。
在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。
当外加电压等于零时，由于p-n结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。
正向性
外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN结内电场得阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。
这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。
当正向电压大于死区电压以后，PN结内电场被克服，二极管导通，电流随电压增大而迅速上升。
在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。
反向性
外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流，由于反向电流很小，二极管处于截止状态。
这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。
击穿
外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种形象称为电击穿。
引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。
电击穿时二极管失去单向导电性。
如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被永久破坏，在撤除外加电压后，其性能仍可恢复，否则二极管就损坏了。
因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。
二极管是一种具有单向导电的二端器件，有电子二极管和晶体二极管之分，电子二极管现已很少见到，比较常见和常用的多是晶体二极管。
二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。
二极管的管压降：
硅二极管（不发光类型）正向管压降0.7V，锗管正向管压降为0.3V，发光二极管正向管压降为随不同发光颜色而不同。
主要有三种颜色，具体压降参考值如下：
红色发光二极管的压降为2.0--2.2V，黄色发光二极管的压降为1.8—2.0V，绿色发光二极管的压降为3.0—3.2V，正常发光时的额定电流约为20mA。
二极管的电压与电流不是线性关系，所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。
新型单相调压器电路中采用整流二极管，利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉
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