重庆大学电子电子课程设计基于相控整流电路灯泡亮度连续可调电路设计Word文件下载.docx
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参考标准
学习态度
15
学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作
学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务
学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作
学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务
学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度
技术水平与实际能力
25
设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信
设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信
设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信
设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错
设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题
创新
10
有重大改进或独特见解，有一定实用价值
有较大改进或新颖的见解，实用性尚可
有一定改进或新的见解
有一定见解
观念陈旧
论文（计算书、图纸）撰写质量
50
结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；
图纸非常工整、清晰
结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；
图纸工整、清晰
结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；
图纸比较工整、清晰
结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；
图纸比较工整
内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；
图纸不工整或不清晰
指导教师评定成绩：
指导教师签名：
年月日
自动化学院2010级自动化专业
电力电子技术课程设计任务书
一、课程设计的教学目的和任务
电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。
电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。
因此，提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。
通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的：
1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。
2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
4、提高学生的电力电子装置分析和设计能力。
5、提高学生课程设计报告撰写水平。
二、课程设计的基本要求
1.教师确定方向，在教师的指导下，学生自立题目
注意事项：
①所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周内完成，题目要结合工程实际。
学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、UPS电源等，但不允许选择其他班题目方向的内容设计（复合变换除外）。
②通过图书馆和Intel网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。
自立题目后，首先要明确自己课程设计的设计内容。
要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入技术数据，输出技术数据，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。
如：
直流电动机调压调速可控整流电源设计
主要技术数据
输入交流电源：
三相380V
10%f=50Hz
直流输出电压：
0~220V
50~220V范围内，直流输出电流额定值100A
直流输出电流连续的最小值为10A
设计内容：
整流电路的选择
整流变压器额定参数的计算
晶闸管电流、电压额定的选择
平波电抗器电感值的计算
保护电路的设计
触发电路的设计
画出完整的主电路原理图和控制电路原理图
列出主电路和控制电路所用元器件的明细表
2.在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。
要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。
具体电路元器件的选择应有计算和说明。
课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过刨析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。
课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。
（注意：
所确定的主电路方案如果没有论证说明[1]，成绩不能得优；
设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引注，否则也不能得优）。
3.在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。
要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型），严禁抄袭。
4.课题设计的主要内容是主电路的设计，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。
5.课题设计报告要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。
6.课题设计报告字数要求为6000字左右。
（A4纸打印8页左右）
三、课程设计的工作计划
课程设计时间6天。
第1天上午，指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。
第1天下午和第2天学生到图书馆和Intel网上按照指导教师的要求查找所需要的文献，并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容，交指导教师审阅。
第3天学生的主要任务是确定方案。
第4天至第6天，学生的任务是综合所学知识，进行主电路和控制电路的设计，撰写课程设计报告。
四、各班的题目方向
7班题目方向：
相控整流技术的工程应用
8班题目方向：
交流调压或调功技术的工程应用
目录
1．引言1
2.方案论证1
2.1电路设计框图1
2.2相控整流电路的选择2
3.主电路总体设计方案及其工作原理2
3.1总体电路原理图3
3.2相桥式全控整流电路带电阻性负载的工作原理3
4.主电路参数设计4
4.1变压器的参数设计4
4.2晶闸管的参数设计5
5.相控触发电路的设计6
6.保护电路的设计7
6.1限流保护7
6.2过流保护8
7．元件清单9
8.课程设计总结10
参考文献10
1引言
以电力为对象的电力技术成为电力电子技术，它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。
电力电技术能够实现对电流、电压、频率和相位等基本参数的精确控制和高效处理，是一项高新技术。
当前，电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。
在不远的将来，电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、是用，为实现高效率和高品质用电打下基础。
[1]
随着电力电子技术的日益发展，人们对电路的要求也越来越高，在生产实际中有时需要亮度连续可调节的灯光，而能达到这个目的的电路有很多，在电力电子技术中，相控整流电路（AC-DC），交流调功调压电路（AC-AC），直流斩波电路（DC-DC）等电路都可以实现输出电压的连续可调，从而实现对灯光亮度的连续可调。
由于电灯发光主要与流过电灯的有效值有关，通过灯丝时产生足够的热量使得灯丝发光，因此可采用相控整流电路通过调节晶闸管的触发延迟角来改变输出电压的平均值和有效值来调节灯光的亮度。
电性能好，结构简单，经济实用，对电网影响小，是目前获得直流电能的主要方法，得到广泛应用。
因此采用相控整流电路控制灯光亮度连续可调，则通过灯泡的电流为直流。
2方案论证
设计基于相控整流的灯光亮度连续可调的灯光电路，对于普通的电灯，输入电压为220V，频率为50HZ的单相交流电。
负载（灯泡）额定值为220V,40W，电阻视为线性电阻。
经分析需要单相相控整流电路来实现灯光的可连续调节。
触发延迟角α在0≤α≤π范围变化，则灯光亮度改变。
在电路中还需要建立一个保护电路。
2.1电路设计框图
电路一共由触发电路、单相整流电路和保护电路三个主要部分组成。
通过晶闸管组成的整流电路进行相控整流，通过触发电路调节晶闸管触发延迟角使灯泡的亮度连续可调。
电路设计框图如图1所示。
2.2相控整流电路的选择
单相可控整流电路主要分为单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相全波可控整流电路、单相桥式半控整流电路等几种形式。
这些电路的交流侧都接单相交流电源。
[2]
单相半波可控整流电路结构最简单，但整流变压器中有直流电流分量流过，存在直流磁化，变压器效率低，输出电压、电流纹波大，因此在工程上实际很少使用。
单相全波可控整流电路，变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率高。
但触发电路若采用分立元件触发电路，时间差问题难以解决，根据两个晶闸管的接线方式有时可能则会导致电路短路。
单相桥式半控整流电路，由于有两个晶闸管可控制，两个为不可控的二极管，因此一旦触发脉冲丢失或延时触发，则会出现失控，不能达到相控整流的目的
单相桥式全控整流电路输出平均电压是单相半波可控整流电路的2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。
且有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。
综上述比较分析，单相桥式全控整流电路为灯光连续可调的最佳相控整流电路。
（电阻性负载）
3主电路总体设计方案及其工作原理
单相220V
设计选用单相桥式全控整流电路，选用TCA785芯片作为晶闸管移向触发集成电路。
与其他芯片相比，TCA785具有温度适用范围宽，对过零点时识别更加可靠，输出脉冲的整齐度更好，移向范围更宽等优点。
另外，由于它输出的脉冲的宽度可手动自由调节，符合设计思想
3.1总体电路原理图
图2
3.2单相桥式全控整流电路带电阻性负载的工作原理
在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。
在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。
若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。
当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。
在u2负半周，仍在触发角α处触发VT2和VT3（VT2和VT3的α=0位于ωt=π处），VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。
到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。
此后又是VT1和VT4导通，如此循环地工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、VT4两端电压波形分别如图2-5b和图c所示。
晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为
U2和
U2[3]
工作原理图如图3
图3
4主电路参数设计
4.1变压器的参数设计
（1）经整流后灯泡两端电影的平均值Ud=0.9U2
（4-1）
α=0时，Ud=Ud0=0.9U2。
α=180o时，Ud=0。
则输出电压的平均值在0~198V范围内。
（2）向灯泡输出的直流均值为Id=
（4-2）
（3）晶闸管VT1，VT2和VT3，VT4轮流导电，流过晶闸管的电流均值为电流均值的一半，即IdVT=
Id
（4）
负载上得到的直流输出电压有效值
和电流有效值
分别为
（4-3）
（5）因为电路中两组晶闸管是轮流导通的，所以流过一只晶闸管的电流的平均值为直流输出电流平均值的一半，其有效值为直流输出电流的有效值的
倍，即
（4-4）
灯泡的电阻R=
=1210欧（4-5）
经上述计算公式，当α=0时，有输出直流电流有效值I最大，I=
，即灯泡的额定电流Id=0.9I=0.9I2=198/1210=0.16A，额定电压为Ud=0.9U2=0.9*220=198V,IVT=
I2=
=0.13A（4-6）
变压器的容量为
S=U2I2=220*0.13*
=40.44V·
A，匝数比为1：
1.（4-7）
4.2晶闸管的参数设计
（1）额定电压
选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍。
晶闸管额定电压UN=（2~3）*
*U2=622.25~933.38V，取UN=900V（4-8）
（2）额定电流
一般取电流定额的1.5~2倍
晶闸管额定电流IN=（1.5~2）*
=0.19~0.26A，取IN=0.25A（4-9）
5相控触发电路的设计
对相控触发电路的基本要求是：
①触发信号必须保持与主电路的电源频率同步，并保持一定的相位关系；
②触发信号应能在一定的范围内移相；
③多相变流器中各路触发信号的触发滞后角要一致；
④触发器应有足够的输出功率使晶闸管快速导通。
同步信号发生器产生一个与交流电源电压之间有固定相位关系的同步信号，同步信号有方波脉冲、锯齿波等。
按照控制信号的要求，移相器相对于同步信号移相后产生触发信号，触发信号经脉冲输出器放大和隔离后送到晶闸管门极触发晶闸管。
[4]
对于数字式移相触发器TCA785就可以满足这些基本要求。
TCA785是由计数器和其他一些逻辑电路组成。
当同步电压过零时，开始用某一频率的计数脉冲对计数器计数。
当计入数与计数器的预置数相等时，触发电路就输出一个触发脉冲。
根据不同的控制电压，改变计数脉冲的频率或改变预置数，即可改变触发滞后角。
数字式移相触发电路的优点是控制精度高，温度特性好，输出脉冲的不对称度小。
TCA785将相控触发电路的重要基本单元集成在一块单晶半导体上，形成体积小、功耗低、调试方便、性能稳定可靠的集成式相控触发器。
基于本次设计的要求，触发电路产生的触发信号应设定为50HZ。
TCA785工作原理框图
图4
同步电压发生器的作用是产生同步信号。
移相器的作用是将信号的相位移动一个角度，通过控制信号来控制移相大小。
在本设计电路中通过改变电阻的阻值来移相。
脉冲输出器输出的信号作用于晶闸管整流电路，通过改变触发的时刻来改变晶闸管在一个周期内导通的时间，从而达到改变输出电压的平均值，使灯泡的亮度连续可调。
TCA785控制导通角的方法主要是通过延时移相控制法。
延时移相控制法由同步环节提供自然换相点，再由自然换相点开始计时，以控制角对应的延时时间来确定触发脉冲产生的时刻。
如图5，由可变电阻和电容C组成的阻容移相环节。
R和C两端的总电压为U，电容C两端的电压为Uc。
图5
当t=0时，Uc=0，零初始条件下的RC电路响应，则Uc=U（1-e^（
））（5-1）
令ωt=α，UC=UG，代入上式可求得，α=-ωRCln（1-
）（5-2）
由上式可知，当U和UG一定时，α与R为线性关系，调节可调电阻R的阻值，即可调节导通角α。
6保护电路的设计
6.1限流保护
限流保护是在整流装置工作在恒压状态下所加入的一种保护措施。
当整流装置输出电流超过额定值时，这种保护能使整流装置输出电压降低，从而使装置输出电流降低，并使装置继续运行，如图6所示。
图6
图6中R1、R2、R4、N1构成反向运算放大器，R5、R6、R7、N2构成反相器；
V1、V2组成自复式选通电路；
R8、R9、R10、R12、C1、N3构成PI调节器；
RP1来完成限流值的U设置；
RP2来完成整流装置输出电压值的设定。
电流反馈信号UIF算放大器放大，再经反相器倒相后，与电压反馈信号UVF通过选通电路迭加在一起，作为PI调节器的输入。
这里U’IF=R7/R5（R2/R1*UIF+R2/R3*URP1）（6-1）
运算放弃N1与反相器N2完成电流反馈信号的放大作用。
电路应这样设计和调整，当整流装置输出电流超出输出电流额定值，即|UIF|>
|URP1|，保证U’IF>
UVF；
当整流装置输出电流低于输出电流额定值，即|UIF|<
|URP1|时，保证U’IF<
UVF，而选通电路能保证当U’IF>
UVF时，U’=U’IF-UV2；
当U’IF<
UVF时，U’=U’IF-UV1。
UV1：
二极管V1的管压降，UV2二极管V2的管压降。
综上所述，电流反馈与电压反馈经选通电路后，保证只有一个信号作为PI调节器的输入。
也就是说，当整流装置输出电流超出电流额定值时，则只有电流反馈作为PI调节器的输入，那么整流装置处于恒流工作状态。
当整流装置输出电流低于电流额定值时，只有反馈作为PI调节器的输入，则整流装置工作在恒压状态下。
由此可见，整流装置只有加入限流保护后，在超负荷运行时，电流能受到有效的抑制，元件不会被损坏，装置能得到可靠的保护。
6.2过流保护
采用电子回路作整流装置的过流保护措施，其原理见图7
图7
图7中，R1、R2、N组成比较器，通过RP1来设置过电流保护之；
V1为钳位二极管，UK为可控硅触发脉冲输出的控制新，当整流装置输出电流超出额定值的20%时，电流反馈UIF>
URP1，则比较器输出为“0”电平，使整流装置可靠关断。
这种过电流保护电路的设计，确保了在整流装置输出正负极短路时，不至于损坏装置中的任何元件。
在整流装置中，限流保护胃为第一级保护，过流保护胃第二级保护，只有限流保护失灵时过流保护才起作用。
[5]
7元器件清单
元器件
备注
数量
变压器
变比为1:
1，容量至少为40.44V·
A
1个
晶闸管
额定电流为0.25A，额定电压为900V
4个
灯泡
220V,40W
芯片
TCA785
1块
熔断器
熔断电流为0.5A
8课程设计总结
随着科学技术发展的日新日异，电力电子技术在现代社会生产中占据着非常重要的地位，电力电子技术应用在是生活中可以说得是无处不在如果把计算机控制比喻为人的大脑，电磁机械等动力机构喻为人的四肢的话，则电力电子技术则可喻为循环和消化系统，它是能力转化和传递的渠道。
因此作为二十一世纪的电气专业的学生而言掌握电力电子应用技术十分重要。
电力电子课程设计的目的在于进一步巩固和加深所学电力电子基本理论知识。
使学生能综合运用相关关课程的基本知识，通过本课程设计，培养学生独立思考能力，学会和认识查阅和占有技术资料的重要性，了解专业工程设计的特点、思路、以及具体的方法和步骤，掌握专业课程设计中的设计计算、软件编制，硬件设计及整体调试。
通过设计过程学习和管理，树立正确的设计思想和严谨的工作作风，以期达到提高学生设计能力。
从理论到实践，在专业课程设计持续的日子里，可以培养学生学到很多东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过课程设计教育学生认识理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所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独立思考的能力。
在设计的过程中随时会遇到各式各样的问题，同时会不断发现自己的不足之处。
整了个设计过程对很多学生而言可以说是困难重重，譬如对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，不会查阅资料，觉得无从下手等等。
在课程设计过程中通过互动指导，教育学生一步一步的制定并依次实施计划，并在设计计划执行过程中教会他们查阅资料，鼓励他们克服心理上的不良情绪，不断的学习和解决难题，不断磨练炼学生意志的过程。
总结本次课程设计，根据设计过程学生表现以及实习报告，本次课程设计有效培养了学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题的能力。
通过课程设计的教学实践，使学生所学的基础理论和专业知识得到巩固，并使学生得到运用所学理论知识解决实际问题的初步训练；
使学生接触和了解实际局部设计从收集资料、方案比较、软硬件设计及整体调试的全过程，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提供了借鉴思路。
参考文献
[1]郝万新.电力电子技术.化学工业出版社.2002
[2]任国海.电力电子技术.杭州：
浙江大学出版社.2009
[3]王兆安、黄俊.电力电子技术.北京：
机械工业出版社，2007
[4]XX百科“相控触发电路”
[5]任桂萍李文全张波.限流、过电流保护在相控整流可控硅整流充电装置中的应用.中国电工技术学会电力电子学会第八届学术年会论文集
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