电力电子设计制作

电力电子电路设计制作前言《电力电子设计制作》是在学完《电力电子变流技术》课程之后的一个实践教学环节，通过电力电子电路的实际制作，使学生在理论联系实际、综合分析、理论计算、电路制作、调试、安装与实验研究等方面得到综合训练和提高，从而培养学生具有独立设计和制作实际电路、解决问题和从事工程实操的初步能力。通过一个指定的变流电路的制作和调试及实验过程，使学生初步掌握变流电路的制作、元器件的选择、印刷电路板的制作、焊接技术及电路调试与测试的一般顺序、规范和方法，提高正确使用技术资料、标准、手册等工具书的独立工作能力。同时，培养学生严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风与实操技能，为毕业设计及今后的工程应用打好基础。•以小功率晶闸管变流电路的制作为例，概要介绍电路的制作过程、工艺要求和方法。学生须按题意进行变流电路的设计、制作、安装、焊接、调试和测试等实训。最后将制作的电路板经验收合格，方能取得学分。一、电路设计与选择•设计一台电力电子变流电路，必须满足用户的要求，首先要考虑电路的技术性能；其次是经济指标；还有先进性和可行性。因此，必须对电路的使用条件、供电的对象及工艺要求进行调研，搜集相关的图样和技术资料及样机，了解国内外同类产品的技术水平和发展趋势，然后对电路的方案进行必要的比较和论证，使之变成一个可以付诸实施的技术方案。•一台完整的电力电子变流电路包括负载、主电路、触发器及控制器等四部分。因此，设计与选择的内容也分为主电路、触发单元和反馈控制等三部分。1、主电路在电力电子变流电路中，主电路用来进行电能的变换，因此，通常是电路中的高电压和大电流环节。主电路的结构形式要按负载的功率和性质来定。对于小功率负载（小于4kw），若用于直流调速，则可采用单相桥式整流；对于交流调压，亦可采用单相交流调压。而负载功率很大时，则应采用三相桥式整流，或者是多重化整流。对于交流变频电路，则应采用三相桥式电路。由于电力电子器件成本的下降，及电力系统对变流电路要求的提高，现在的小功率变流电路也都采用三相桥式结构。只有照明、充电、调温等装置，还在采用单相结构。•至于功率器件的选择，要从可靠性、经济性及运用性来考虑。晶闸管器件成本低、工作可靠、电流等级大，在交-直流的调压电路和交流调压电路中大量采用。大功率晶体管、功率场效应晶体管及绝缘门极晶体管等全控型功率器件，控制特性好、动作快，但过载能力差、易损坏，故用于交流变频电路。在主电路结构及功率器件选定之后，还要考虑变压器和电抗器。在电力电子变流电路中，变压器的作用有二，一是用来电气隔离，二是进行输入交流电压匹配。对于需要220V电压的负载，若采用三相桥式变流电路供电，则需要用整流变压器将380V交流电压降压。至于采用12相、18相等多相整流供电的变流电路，则必须用变压器进行分相供电。至于电抗器，主要用于需要平波的负载，如直流电动机调速。此外，主电路还需要选择过压和过流保护环节，以及相应的开关电器。至此，主电路的结构形式就可确定了。2、触发器的选择门极电压又叫触发电压，产生触发信号的单元称为触发器。触发器性能的好坏，不但关系负载侧电压的调节范围，而且对电路的可靠运行有很大的影响。因此，触发器必须能快速、准确、可靠地送出脉冲信号，为此，正确选用或设计触发器是又一项重要步骤。•触发器性能的优劣常用下列几条来衡量：①触发脉冲必须保持与主电路交流电源同步，以保证每个周期或半个周期在相同的控制角处触发功率器件。②触发脉冲应能在一定的范围内移动。对于不同的主电路要求的移相范围也不同。对于三相半波电路，电阻性负载，移相范围为0°~150°；三相桥式全控电路大电感负载，整流区为0°~90°；对于交流调压电路，电阻负载移相范围为0°~180°。③触发信号应有足够的功率（电压与电流）。通常为保证功率器件可靠触发，触发器送出的触发电压和电流，应当大于器件上所标的触发电压和电流。④触发脉冲的上升前沿要陡。⑤触发脉冲应有一定的宽度。•触发器的种类可分为三种，即模拟式，数字式和单片机式。其中模拟式电子触发器结构简单、抗扰性能好、易于维修，但精度低。数字式触发器精度高、可靠性好，但线路复杂、成本高。单片机式触发器体积小、功耗低、调节方便、精度高，但易受干扰。因此，触发器的选择应根据变流电路的应用场合和用户的要求来定。对于小功率的普通调压、调温等负载，常规的电子式触发器已能满足要求。3、控制方式的选择在变流电路中，主电路用来变换电源的性质，以对负载供电。触发器的作用是传递控制信号，将电压幅值变化的控制信号变换成角度不同的脉冲信号，触发功率器件。因此，控制单元或方式也是电路选择的内容。在电动机调速系统中，控制单元由调节器，速度给定及反馈构成；在加热炉或调光装置中，控制信号由手动电位器或晶体管放大器产生。大型的生产设备或现代化的生产线，控制信号由PLC和计算机产生。4、稳压电源的选择变流电路中，触发器和控制单元需要直流电，为此，必须有稳压电源供电。对复杂的变流电路，要求直流电源的稳压、稳流性能要好。故采用串联式的稳压电源，由集成化的三端稳压器恒压恒流供电。对于小功率的变流电路，则常采用硅稳压管组成的并联式稳压电源。5、电器控制单元的选择要接通或断开变流电路的交流电源，或实现电路的自动控制，都要用到刀开关、断路器或接触器等电器。保护环节中也要用到热继电器、过压、过流继电器。因此，还需要熟悉常用电器的性能、使用方法。当然，小功率电路常用的是刀开关，故这部分的选择比较简单。二、题目介绍本制作课程立足于生产上常用的电气控制设备，作为设计及制作的实例，所采用的线路亦为工程上具有代表性的电路，有较好的实用性和应用价值。1、设备工况在我们的日常生活中，灯光照明是最普通而必需的设备。随着生活水平的提高，要求灯光的亮度可变，例如我们看书的台灯和家里客厅的顶灯；体育场馆及娱乐场所对灯光照明和亮度的要求更高，于是工程上出现了调光设备。但早期的调光是通过可变电阻器来实现的，其原理如图1（a）所示。这种调光方式耗电，电能都以发热的形式消耗在电阻器上。在调压器用于工程后，出现了利用交流调压器的调光装置。这种调光方式需要一台功率与负载一样的调压器，这耗费铜和铁，且装置的体积大，见图1（b）所示。（a）可变电阻器调光(b)调压器调光在电力电子技术用于工程后，出现了采用晶闸管控制的调光器。这种晶闸管调光器利用晶闸管导通可控、电源过零自行关闭的特点，通过改变晶闸管的控制角达到调节灯光亮度的目的。因此具有体积小、节能的特点。图2所示为晶闸管调光器的原理框图。图2晶闸管调光器2、电路构成及原理•图3示出本制作的调光器原理线路图。由图可见，该调光器包括晶闸管主电路，负载，触发电路和给定信号四个环节。其工作原理如下：•220V的交流电源通过开关K0加于双向晶闸管KS的第一阳极T1上，当门极G加入触发脉冲时，KS正向导通，交流电源经KS加于灯泡上，使灯泡发光。当交流电源过零变负后，KS关断。•在负半周的时刻，门极又加触发脉冲而导通，则负半周的交流电源又加于灯泡上，使灯泡发光。改变控制角的大小，即改变了灯泡上交流电压的大小，亦使灯泡的亮度变化。•本电路的触发方式包含了移相触发和过零触发。因此，该电路分成四个部分：即产生触发脉冲的触发器，产生过零触发信号的开关，产生移相触发信号的电路及稳压电源等四个环节。其中，拨动式开关K11用作触发方式选择；电位器RW2用于过零触发通—断比率调节；电位器RW4用来改变移相触发时的控制角调节。•当开关K11拨向“过零”方式时，由集成电路芯片555的3端产生的方波电压控制T21管的通断比，当T21管导通时，由A端的同步电压产生的触发信号使T14管导通，且在每半周的过零点产生脉冲电压信号，输出至KS管的门极，使KS在正弦电压的半波过零点导通，则灯泡上得到一个完整的正弦波电压。•当T21管截止时，触发器的功放管T14因发射极对地开路而停止工作。因此，只要T21管导通，灯泡上就得到一连串的正弦波电压，使灯泡发亮。•当开关K11拨向“移相”方式时，A点的同步信号经T11管在D点得到过零点的脉冲信号，经二极管D41加于移相触发环节。•在同步脉冲的启动下，电容C41产生锯齿波电压，该电压与电位器RW4的交点产生触发脉冲，由U点输出至T14管的基极，经T14管功放后，由脉冲变压器副边输至KS的门极，触发KS导通。当电位器RW4的中点改变后，触发脉冲的相位随之改变，则KS的导通时刻也改变，达到了亮度可变的目的。3、各环节电路分析1过零触发环节由电源变压器T1副边取得的交流电源25V经二极管D11和D12的全波整流加于A点，通过电阻R11加于稳压管DW11上，经DW11的削波变成双矩形，通过R12加于三极管T11的基极。D点得到过零点的方波。（a）实测波形（b）理论波形图桥式整流后脉动电压的波形图（a）实测波形（b）理论波形图削波后梯形波电压波形图•当开关K1拨向“过零”方式时，D点的方波经D13使T12管从截止变为导通。则E点从高电平突降为零电平，经电容C11微分，在F点产生负的尖峰波。该负波使T13管截止，则T14管从截止变为导通。脉冲变压器T2原、副绕组产生电流，形成触发脉冲。当开关管T21截止时，T14管亦无法导通。因此，过零触发方式时，T14管的导通除了基极H点有方波信号，发射极亦须视开关管T21的开通与否而与“地”是否短接。这里，开关管T21受时基555电路的输出3端控制。•此外，电阻R19用来限制T14的发射极电流，以防止T14过流。C13和R18用来加宽输出脉冲，R18值需调试后确定。2过零触发开关该环节由时基555和三极管T21、T22构成。时基555定时器构成多谐振荡器形式，通电后+15V电源通过R24、RW2和D22对C21充电，使M点电位线性上升。当电容充满电，内部三极管导通，电容C21通过D23、R25及RW2放电。由于充、放电回路的阻值不同。故在M点上产生一锯齿波或三角波电压，则输出3端为高电平或零电平。当电容C21充电时，3端为高电平，反之则为低电平。这样电位器RW2的中点位置不同，使电容C21的充、放电时间改变，导致输出端3的方波的高电平与低电平的占空比改变。本电路3端输出方波的周期约为1.5秒。当3端为高电平时，T22管饱和导通，K点接近为0V，使T21管截止。则J点对地悬空。触发器无脉冲输出。当3端为低电平时，T22管截止，则T21管饱和导通。则J点接地，触发器由脉冲输出。3移相触发环节当开关K1拨向“移相”时，D点的方波信号经D41加于T41的基极，使T41导通，则电容C41两端电位接近为0V。当方波信号为0V后，T41截止。则+15V电源经R43对C41充电，P点电位线性上升。当T41再次导通时，C41经R42和T41放电。因此，在P点上产生一周二个锯齿波电压。该电压经R45加于T43管的基极，此外，由RW4的中点取得一个负电压，两个电压在T43管的基极叠加。当合成电压达到0.7V时，T43导通，R点从高电平降为零电平，经电容C42微分在S点得到负尖峰电压使T44截止。U点产生正方波，经D17加于T14管基极，产生触发脉冲。当RW4的重点改变时，T43的导通时刻改变，则T14的导通时刻亦随之改变。本电路中，R44和RW4的值需实际调整，以满足移相范围的要求，本电路的变化应当在0~180°之间。4稳压电源本触发器的工作电源为+15V直流电源，而-15V电源用来电容C41的充电及移相控制。这里采用稳压器7815和7915对直流电源进行稳压，并用电介电容平波。此外发光二极管D311用来进行电路工作状态显示。三、制作在变流电路的方案与具体线路确定后，就进入电路的制作过程。1、绘制电气原理草图由设计和选择阶段选定的电路电气原理图，仅为基本的原理结构图，很多器件的参数并不完善。因此，在进行电路的制作前，先绘制所选的电路的电气原理图，包括主电路、触发器、控制部分及电器控制与电源，把这五个部分合成一个完整的晶闸管调压控制电路。当然这个电路仅为草图，很多器件的参数都要在实际中再反复调试后才能最终确定。•对于大、中型的变流电路亦