大型电气课程设计报告—交直流通用型调压器设计报告

大型电气课程设计

报告书

题目：交直流通用型调压器设计专业： 13电气工程及其自动化1班姓名：

学号：

指导老师：王锦辉雷美珍

时间：2016年10月—2016年11月

浙江理工大学本科大型电气课程设计任务书

浙江理工大学大型电气课程设计

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：220V，50Hz单相交流电源。

3)输出：交流调压：0—220V AC

直流调压：0—200V DC

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Q1 MOSFET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：

656

7120.712R R R I R --

⨯+=

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4c U 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。具体电路如下：

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：

7(120.7)*12R I R --=

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 Ω,R6=20K Ω，得到

(120.78)0.0568I mA K

--== 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-U D )/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：