大型电气课程设计报告交直流通用型调压器设计报告文档格式.docx

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1、设计出通用型交直流调压器，可用于直流电机及单相交流电机的调速。

2、输入电源：

220V，50Hz单相交流电源。

3、输出：

交流调压：

0~220VAC

直流调压：

0~220VDC

功率：

大于或等于500W

4、能通过简单的改变接线实现交、直流调压器输出的切换。

5、具有过流保护功能。

主要内容

本课题主要研究交直流调压器的工作原理与设计，采用单向桥式全波整流，同步信号获取，锯齿波信号获取，利用反相器放大电路方向，与控制电压通过电压比较器比较，经推挽电路放大驱动信号功率，调节控制电压控制MOSFET导通角，从而实现调压目的。

该同学主要工作是各模块控制电路的设计，实际电路的焊接、测试与实现。

基本内容：

1、设计交直流调压器总体方案；

2、主回路设计；

3、同步信号、锯齿波发生电路设计；

4、调压控制驱动信号产生电路设计；

5、MOSFET驱动电路与过流保护电路设计；

6、记录波形分析数据。

主要参

考资料

及文献

阅读任务

一、主要参考文献

1、电力电子技术，王兆安，机械工业出版社；

2、计算机控制技术及工程应用，林敏，国防工业出版社；

摘要

电力电子技术主要是研究各种电力电子器件，以及这些器件构成的装置，对电能进行变换和控制的技术。

它包括对电压、电流波形和相数等的变换。

电能变换技术一直为电工界的重要研究课题。

器件、电路及其应用是电力电子技术的主要研究内容。

本设计介绍了交流调压器电路的设计原理、工作过程、波形以及主电路中所用器件的参数计算。

通过MOSFET驱动电路实现调压电路的控制，最后可实现外接220V电压同时通过调节滑动变阻器实现电灯的亮度调节。

另外，为了保证MOSFET驱动器件及电路能够长期可靠地运行工作，必须采取恰当的保护措施。

因此，本设计还加入了短路保护电路，当电路中发生短路时，可实现电路有效保护，当短路解除后，电路正常工作。

关键词：

交直流调压；

短路保护；

MOSFET驱动电路

交直流通用型调压器设计

1.系统概述

1.1设计指标

1）设计出通用型交直流调压器，可用于直流电机及单相交流电机的调速。

2）输入电源：

3）输出：

0—220VAC

0—200VDC

功率：

大于500W

4）能通过简单的改变接线实现交、直流调压器输出的切换。

5）具有过流保护功能。

1.2设计要求分析

1）主回路可以采用但功率MOSFET控制的交、直流通用型调压电路，通过简单的变换接线方式，实现输出的交流、直流变化。

2）设计合理的同步电路，解决导通控制信号与主电路的同步问题。

导通控制信号为MOSFET驱动信号，不能采用原用于可控硅SCR的触发脉冲信号。

3）设计合理的MOSFET驱动电路，实现对主电路的控制，要简单，低耗。

4）由于要与主电源同步，驱动信号应与同步电路协调，输出与电源同步的信号。

5）由于是可关断的MOSFET器件，应能设计出更好的过流保护电。

1.3系统总体框图

根据设计要求，系统控制电路应该包括如下电路单元：

2硬件电路设计

2.1主回路

采用通用型交、直流调压电路作为主回路，具体电路如下：

其中，二极管D1~D4作为不可控整流电路，控制环节由Q1MOSFET器件来实现，D5为直流输出时的续流元件，防止Q1受反电势冲击损坏。

工作原理：

1）作为直流调压器使用时，短路1、2端子，负载接入3、4端子，控制MOSFET器件的通断，实现调压。

2）作为交流调压器使用时，短路3、4端子，负载接入1、2端子。

本电路中的MOSFET器件采用IRFP450场效应晶体管。

2.2同步信号电路

同步信号的目的就是与主电源的过零点同步起来。

同步获取电路与电源电路结合，省掉同步信号的变压器绕组，直接通过主电源电路的整流电路来获取。

具体电路设计如下：

其中，D5起隔离作用，这样UA的波形为全波整流波形，不受后级的滤波电容影响。

R1，R2，C3为滤波电路，由于回路工作模式为波形切块运行，会引入很多的谐波分量，如不加滤波电路易受干扰，尤其是输出电压低时。

工作时，可以得到C点的与主回路过零点同步的短路信号，每次主回路过零时，C点均受到短路，保持与主回路的同步关系。

2.3锯齿波发生电路设计

有了同步信号后，需产生一个锯齿波信号，又锯齿波信号来获取调压控制信号就相对简单了，所以需要利用同步信号来产生一个锯齿波波形。

具体电路如下：

锯齿波发生电路是由同步信号与恒流充电电路组成，其中，R5、R6、R7、T3构成一个恒流充电电路，给C4电容充电，恒流电流计算公式：

由于后级比较电路采用运放单电源工作方式构成，所以输入电压不能到0，为此电路中可以垫入一个二极管D6，使锯齿波波形最低电压变为0.7V，为后级电路正常工作做准备。

2.4调压控制驱动信号产生电路

为了得到调压控制信号，将

电压波形进行处理，可以运用运放的反相放大电路。

与控制电压Uk作比较时可以得到不同导通角度的驱动信号，实现调压控制的目的。

反相放大电路如下所示：

2.5MOSFET驱动电路

驱动MOSFET可以选用专用的驱动电路，但对于本电路而言，由于工作频率降低而且没有调制的高频，所以驱动电路可以选用简单的推完电路来实现。

2.6过电流保护电路

由于主回路有电流采样电阻获得了电流信号，利用这个信号设计一个可靠的过流保护电路，实现对电路的可靠保护。

2.7系统总体线路图

综上所述得到上图的系统总电路图，其中电位器调节电压实现输出电压的调节，控制电路为开环控制方式。

3系统方案验证

在同步信号获取电路中，上面的设计电路采用的是全波整流电路，在实际电路中采用的是半波整流电路。

3.1同步信号的获取

同信号获取电路采用与电源供电电路同一变压器绕组，节省了一个绕组，这样的设计能取得同步信号，对电源电路有影响，电源电路的电压会变小了，同类型的电路可以采用半波整流电路。

具体仿真电路如下图：

绿色曲线——A点整流仿真

蓝色曲线——B点尖峰脉冲

图中正弦波为A点电压波形，当A点电压波形过零点时，B点会产生相应的冲激波形，实现与电源电压的同步，便实现与主回路的同步。

红色曲线——A点整流仿真

绿色曲线——T2输出点（C点）电压波形

图中当A点电压过零点时，T2输出点便会短路，相当于一个短路信号，保持与主回路的同步。

3.2锯齿波信号发生电路

在锯齿波发生电路上，其电路是由同步信号与恒流充电电路组成，其中R5、R6、R7、T3构成一个恒流充电电路，给C4电容充电，恒流电流可以计算：

假设锯齿波幅值最高为6V，因为锯齿波幅值最高要6V，所以PNP的B级电压要高于6V，所以取R5=10K,R6=20K，得到

充电电压：

0.7~5.7V

所以C4=Q/U=0.1uF。

在反相放大电路中，R10=10K，R11=20K，求得两电阻中的电压为U=4V

（Uc4-U）/R8=（U-UD）/R9

根据斜率的变化可以估算出R9/R8=1/2;

由此可以得出R8=10K,R9=20K.

具体仿真电路如下图所示：

如图波形是C点波形和B点波形的叠加效果，可以看出锯齿波的每个波形之间都有小段间隔，中间的间隔便是同步信号时间。

（电路中可以垫入一个二极管，使锯齿波到最低电压变为0.7V）

3.3驱动信号的获取

驱动信号采用反相比较器电路，而比较器由运放组成，运放为单电源供电。

这样在输入控制电压UK从0上升时，在低数值0时会造成比较器失控，为了克服这一问题，可以在电源输入的电路前加一个二极管D6，使得UK最低电位从0.7V开始。

绿色曲线——锯齿波信号

蓝色曲线——反相放大调制信号

3.4总体波形

整合各波形，得到总体波形如下图：

V[n003]是A点的电压变化曲线；

V[n013]是B点的电压变化曲线；

V[n014]是C点的电压变化曲线；

V[n002]是D点的电压变化曲线；

V[n012]是E点的电压变化曲线。

4电路板设计

根据实际系统允许安装尺寸，设计相应电路板板，尽量减少板的面积以节省成本。

电路板面积受限时，宜采用直插元器件与贴片器件相结合的方法。

注意直插元器件需放置在正面，背面焊接；

贴片元件需在背面焊接。

为提高焊接质量，降低焊接难度，贴片元件PCB封装均比实物封装大一个等级。

电阻电容等均以1206型号PCB封装对应实物0805型号。

5电路焊接

电路焊接部分也是本课程设计需要注意的一部分，焊接需注意以下几点：

1）初次接触贴片元件焊接的同学，在焊接时宜先用焊锡点一下焊盘一端，用镊子摆正元件，先完成一边的焊接，再完成另一边。

掌握一定技巧后，可以用焊锡点焊盘两端，再用焊枪蘸点焊锡直接吸附元件放置在焊盘之上。

2）焊接时还需注意先低后高的原则，同时对于有方向的元器件一定要注意焊接方向，如二极管、三极管等。

3）本设计需要焊接接线端子以及变压器等模块，这些模块所需引脚比较粗，因此焊接之前需对电路板进行打孔。

4）焊接直插元器件时，一定要主要直插期间位置的放置，焊接完成之后需确认器件是否焊接固定住。

5）焊接时一定要注意，不能虚焊。

具体焊接电路板如下图：

6系统调试

实物焊接完成之后，需对系统进行调试。

调试所需器件：

示波器、万用表、焊枪焊丝、导线等。

6.1电路波形检测

首先通过示波器测试电路，显示各部分电路的输出波形，具体波形如下：

1）整流信号

系统的输入信号为220V的交流电压，需通过整流桥电路，将交流电压整流为直流电，然后进行各信号的获取和检测。

具体整流波形如下图所示：

以上波形便是经过整流桥之后的全波整形波形。

削顶部分为同步信号。

2）同步信号

具体波形如下图所示：

3）锯齿波信号

通过锯齿波发生电路，便可得到一个正向锯齿波。

4）反相锯齿波

将得到的正向锯齿波电路通过反向放大电路，便可实现波形的反向，得到反向锯齿波。

5）驱动信号

将反向锯齿波与控制电压分别输入至比较器的两端，通过调节控制电压的大小，便可实现驱动信号的可控输出。

6.2短路保护检测

当电路中发生短路时，电路中的短路保护电路工作，便可关断MOSFET驱动电路，控制驱动信号的关断，电路停止工作；

当短路故障解除之后，采样电路便可将信息反馈给保护电路，停止关断电路，电路正常工作。

7心得体会

将近一个月的课程设计，使我受益匪浅。

通过此次课程设计，使我对硬件电路设计有了更深入的了解。

如整流电路、锯齿波发生电路、电力电子器件驱动电路、过流保护电路、推挽电路以及放大比较电路。

以前接触这些电路大部分是通过书本的知识，并没事实际设计以及检测过。

通过这次实践，我对这些电路的应用及其设计将会更加熟悉和了解，也为以后的学习工作奠定了良好的基础。

通过这次课程设计，自身的动手能力、理论结合实际的能力、综合能力等都有了很大提高。

最好非常感谢此次课程设计，感谢雷老师和王老师以及同学们的帮助。

参考文献

[1]电力电子技术，王兆安，机械工业出版社；

[2]计算机控制技术及工程应用，林敏，国防工业出版社；

附录一：