新版单向交换调压操纵灯光明度的设计.docx

单向交流调压控制灯光亮度的设计

课程设计指导教师评定成绩表
项目
分值
优秀
(100>x≥90)
良好
(90>x≥80)
中等
(80>x≥70)
及格
(70>x≥60)
不及格(x<60)
评分
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
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380V10% 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，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
5班题目方向：相控整流技术的工程应用
6班题目方向：交流调压或调功技术的工程应用

目录
1.引言-------------------------------------------------------------------------------2
2.单向交流调压电路原理-------------------------------------------------------3
3.方案论述-------------------------------------------------------------------------8
4.器件的选择----------------------------------------------------------------------8
5.主电路的设计-------------------------------------------------------------------9
5.1 主电路工作原理--------------------------------------------------------------------------9
5.2 电路图设计--------------------------------------------------------------------------------9
6.触发电路的设计--------------------------------------------------------------10
7.使用multisim的仿真-------------------------------------------------------13
8.小结-----------------------------------------------------------------------------14
9.参考文献-----------------------------------------------------------------------15

灯光调节课程设计
一．绪论
电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术。可以预见在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能的科学，而它现已成为现代电气工程与不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。
只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电路。在每个半周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。
交流调压电路广泛应用于灯光控制及异步电动机的软启动，异步电动机的调速等设计上。在供用电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流的直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多哦晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不会太小。在变压器二次侧只需要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小，成本低，易于设计制造。
交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。对亮度可连续调节灯光电路，用单相交流调压电路就可实现。

二．单向交流调压电路原理
电阻负载
图1、图2分别为反电势电阻负载单相交流调压电路图及其波形。图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。在交流电源U2的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的移相控制角 进行控制就可以调节输出电压。

图1-1

图1-2.
正、负半周起始时刻（=0），均为电压过零时刻。在时，对VT1施加触发脉冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。在时，对VT2施加触发脉冲，当VT2正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在时，电源电压过零，VT2自然关断。
当电源电压反向过零时，由于反电动势负载阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点。稳态时，正负半周的相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（电源电流）和负载电压的波形相似。
阻感负载
由于感性负载本身滞后于电压一定角度，再加上相位控制产生的滞后，使得交流调压电路在感性负载下大的工作情况更为复杂，其输出电压、电流波形与控制角、负载阻抗角都有关系。其中负载阻抗角,相当于在电阻电感负载上加上纯正弦交流电压时，其电流滞后于电压的角度为。为了更好的分析单相交流调压电路在感性负载下的工作情况，此处分三种工况分别进行讨论。
（1） 情况，如图1-3 波形如图1-4

图1-3.

上图所示为单相反并联交流调压电路带感性负载时的电路图，以及在控制角触发导通时的输出波形图，同电阻负载一样，在的正半周角时，触发导通，输出电压等于电源电压，电流波形从0开始上升。由于是感性负载，电流滞后于电压，当电压达到过零点时电流不为0，之后继续下降，输出电压出现负值，直到电流下降到0时，自然关断，输出电压等于0，正半周结束，期间电流从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角。由后面的分析可知，在工况下，因此在脉冲到来之前已关断，正负电流不连续。在电源的负半周导通，工作原理与正半周相同，在断续期间，晶闸管两端电压波形如图1-4所示。
为了分析负载电流的表达式及导通角与、之间的关系，假设电压坐标原点如图所示，在时刻晶闸管T导通，负载电流i应满足方程
L==sin
其初始条件为 i|=0,
解该方程，可以得出负载电流i在≤≤区间内的表达式为
i=.
当=时，i=0，代入上式得，可求出与、之间的关系为
sin（-）=sin（-）e
利用上式，可以把与、之间的关系用下图的一簇曲线来表示。

图1-5 与、之间的关系曲线

图中以为参变量，当=0时代表电阻性负载，此时=180-；若为某一特定角度，则当 时，=180 ，当>时，随着的增加而减小。
上述电路在控制角为时，交流输出电压有效值U、负载电流有效值I、晶闸管电流有效值I分别为
U=U
I=2I
I= I
式中，I为当=0时，负载电流的最大有效值，其值为
I=
为晶闸管有效值的标玄值，其值为
=
由上式可以看出，是及的函数下图给出了以负载阻抗角为参变量时，晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线。

当、已知时，可由该曲线查出晶闸管电流标幺值，进而求出负载电流有效值I及晶闸管电流有效值I。
（2）=情况
当控制角=时，负载电流i的表达式中的第二项为零，相当于滞后电源电压角的纯正弦电流，此时导通角=180，即当正半周晶闸管T关断时，T恰好触发导通，负载电流i连续，该工况下两个晶闸管相当于两个二极管，或输入输出直接相连，输出电压及电流连续，无调压作用。
(3) 情况
在工况下，阻抗角相对较大，相当于负载的电感作用较强，使得负载电流严重滞后于电压，晶闸管的导通时间较长，此时式仍然适用，由于，公式右端小于0，只有当时左端才能小于0，因此，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在时刻被触发导通，由于其导通角大于180，在负半周时刻为发出出发脉冲时，还未关断，因受反压不能导通,继续导通直到在时刻因电流过零关断时，的窄脉冲已撤除，仍然不能导通，直到下一周期再次被触发导通。这样就形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情况，始终为单一方向，在电路中产生较大的直流分量；因此为了避免这种情况发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。
综上所述，当单相交流调压电路带感性负载时，为了可靠、有效的工作，并实现调压的目的，应使控制角的移相范围保持在之间，同时为了避免出现直流分量，晶闸管的控制脉冲应采用宽脉冲或脉冲列触发。

三、方案论述
晶闸管工作波形的变化可以使得电流发生变化，可采用电阻或电感串接在电路中来改变它的工作区域。
在设计中，我们可以利用控制触发滞后角的方法,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。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。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。

四、器件的选择
查阅资料可得，适合的元件如下：
一套调光灯元件
名称
型号
数量
备注
电阻
510Ω
2

电阻
15K
1

电阻
1k
1

电阻
100Ω
1

电位器
50K
1
管脚三角形分布
电容
0.22uF/63V
1
非电解电容
电容
0.01uF/630V
1
非电解电容
二极管
IN4007
5

稳压管
IN4742A
1

晶闸管
BT136
1

晶体管
BT33
1
BT35也可
散热片
不焊接的最小的
1
配螺丝螺母
细导线1m

同时，需要用作触发电路的KC05可控硅移向触发器。
五、主电路的设计
5.1 主电路的工作原理
交流调光灯电路原理图 D1、D2、D3、D4 构成整流电路，它们与R、D6、D62CW5构成了控制电路，能够控制晶闸管导通。而R3和C2起到保护晶闸管的作用。
假设晶闸管导通，则其正半周期为2-D1-VT1-D4-RL-1；其负半周期是 1-RL-D2-VT1-D3-2。
在整个电路中控制角越小，负载灯泡RL越亮。
在无控制电路的情况下，交流电源承受正向电压。单结晶体管触发电路导通时，经整流后流经R1-D5-R6-RP3-C1；晶闸管导通后，控制电路短路；改变RP3的值可以改变电容C的充放电速度的快慢。R越大，C充电时间越长。
5.2 电路图设计

如上图所示，RL为被控制的灯泡。并联在单向调压电路中，通过电压变化调节亮度。
在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护也是必要的。
为了实现晶闸管的过电流保护，我们常常在设计电路中加入熔断器FU。它能针对晶闸管热容量小，过电流能力差的特点，有效地保护大功率半导体元件使其不被烧坏。其熔断时间小于20ms，能保证在晶闸管故障之前快融切断短路故障。
查阅资料可得，熔的额定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的元件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流Ir(AV)来选择，一般应小于被保护晶闸管的额定有效值1.57 Ir(AV)。即可按下式选择：
1.57 Ir(AV)≥IRN≥ITM (管子实际最大电流有效值)
通过上述公式我们选择熔断器为RS3-80，额定电压为250V,电流10A的快速熔断器 。

六、触发电路的设计
集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，现已逐步取代分立式电路。目前国内常用的有KJ系列和KC系列，两者生产厂家不同，但很相似。
查阅资料可知，晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要要的时刻有阻断转为导通。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，对反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发； 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加为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也许增加，一般需达1-2A/us；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）应有的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
分析上述情况，采用KC05可控硅移向触发器是比较理想的。
KC05适用于双向可控硅或二只反向并联可控硅线路的交流相位控制；移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制，有失交保护，输出电流大等优点。是交流调光、调压的理想电路。
KC05的引脚如下图所示：

主要技术数据如下：
1、 电源电压：直流+15V 波动±5%（±10%时有功能）
2、 电源电流：≤12mA
3、 同步电压：≥10V（有效值）
4、 移相范围：≥170°
5、 移相输入端偏置电流：≤10μA
6、 输出脉冲宽度：100µS——2mS（改变脉宽电容）
7、 输出脉冲幅度:≥13V(1KΩ负载)
8、 最大输出能力:200mA(吸入脉冲电流)
9、 输出管反压：BVceo ≥18V
10、 正负半周脉冲相位不均衡度：≤±3°
11、使用环境温度：-10℃——+70℃
KC05触发芯片具有锯齿波形好，移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制，有失交保护，输出电流大等优点，是交流调光，调压的理想电路。KC05电路也适用于作半控或全控桥式线路的相位控制。同步电压由KC05的15、16脚输入，在TP1点可以观测到锯齿波，RP1电位器调节锯齿波的斜率，Rp2电位器调节移相角度，触发脉冲从第9脚，经脉冲变压器输出。调节电位器RP1，观察锯齿波斜率是否变化，调节RP2，可以观察输出脉冲的移相范围如何变化单相交流调压触发电路原理图如图所示：

七、使用multisim的仿真

七.使用multisim的仿真
通过multisim可以做出上述主电路的仿真。
仿真图如下：

如图所示的单向调压电路，Q1，Q1组成互补型放大器，以构成晶闸管的触发电路。 220V交流电通过灯泡和经D1～D4桥式整流，输出全波脉动电压，此电压经R2、R4、R5向电容C1充电，使Q2发射极电位不断升高。当高于其基极电压时，Q1、Q2即导通，晶闸管D5门极即获得触发脉冲，D5导通。此时，电容C1通过Q1、Q2及R4放电，正电源又重新通过R2、R4与R5向其充电。所以，通过调节电位器的阻值可以改变Q2发射极输出脉冲时间的前移或滞后，即改变晶闸管D5的导通角，亦即可调节灯光的亮度。
在仿真中需注意的是，由于设计电路的时候未考虑谐波的影响，较小电压输出的时候，可能由于谐波较大的原因而影响仿真波形的准确度，波形会发生较严重的畸变。
因此，本电路只适用于阻性负载的白炽灯调压。在实际运用中应随情况进行谐波的调整。

八、小结
电力电子在自动化专业的学习中，占据着重要的地位。电力电子技术的课程设计，对于我的自主学习能力和收集资料的能力都是必要的锻炼，加深了解了在自动化的学习过程中电力电子技术所起到的作用，同时对已经学到的知识得到了较深的巩固和提高。在课程设计过程中，查阅资料文献，使用检索平台，利用网络知识拓展视野，也是对能力的一个锻炼和提高。
在阅读相关文献查阅需要的信息的同时，我得以了解了高校中所教授的知识在实际生活和科学研究中的作用，了解相关知识的最新研究方向和发展成果，掌握当前社会的发展信息和未来的趋势。
此次课程设计，对我提高分析问题、设计方案、查阅资料、解决问题的能力是一个重要的实践。之前对于自己所学的知识，虽然已有一定的认知，但是单单会做题，会应付考试，而不清楚在实际中如何运用。在此次课程设计中，我清楚地了解到所学的知识就在自己的生活周围，每一个简单细小的部分都包含了巨大的知识量。而如何运用课本中的一切提高自己的动手设计能力，便是当今大学生最需要培养的能力。光掌握理论知识，在科学研究中是远远不够的。有效地解决问题的手段和别具一格的创新能力是现代的科研人才最需要的精神。对我们自己来说，在进入大四之前，通过这样的方式，对实际运用能力多加锻炼，无论是对将来的就业还是考研都是重要的环节。
同时，此次课程设计使我学会了如何使用matlab以及multisim画电路图和进行电路仿真。在运用软件的过程中难免出现了各种各样的问题，虽然没能全部解决，不过我已经按照自己的设计做出了最理想的方案，并深刻认识到自己的知识有限，水平还有待提高，以后应该在怎样的方向上更加努力。同时，通过实际操作见识了仿真软件的强大功能和它在电路模拟中的作用。这对于曾经只是单纯钻研课本知识的人来说是一个崭新的平台。
最后，我会更加努力地钻研专业知识，学会更多解决问题的方法，更加灵活的思维方式，和更多查阅文献浏览资料的手段，拓展自己的视野和知识面，在学习理论知识的同时不忘培养实际操作能力，争取在今后的学习中有一个飞跃。

九、参考文献
[1] 王兆安、黄俊. 电力电子技术（第四版）.北京:机械工业出版社，2006
[2] 黄俊，半导体变流技术，第四版，机械工业出版社，2002
[3] 王海震.家用调光台灯的电路分析.物理通报，2007（12）
[4] 王云亮、电力电子技术.北京：电子工业出版社，2004
[5] 吴克.用可控硅台灯演示调压原理及分析.物理实验，2006