电力电子课程设计

目 录

1.课程设计目的„„„„„„„„„„„„„„„„„„第1页 2.课程设计题目描述和要求„„„„„„„„„„„„„第1页 3.课程设计报告内容„„„„„„„„„„„„„„„„第1页 3.1 设计方案的选定与说明„„„„„„„„„„„„第1页 3.2论述方案的各部分工作原理„„„„„„„„„„第2页 4.总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„第12页

1.课程设计目的

电力电子变流技术是一门实践性很强的课程，为保证教学效果，加强教学的实践环节，对本课程安排了课程设计。课程设计是电力电子变流技术课程的总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去解决某一实际问题的基本训练，加深对该课程知识的理解。锻炼了学生查阅资料、方案选择、准确计算、表达思想的能力。在整个教学计划中,它起着培养学生独立工作能力的重要作用。从而达到深化已学的知识完成从理论到实践的转化、提高分析和解决实际问题的能力、培养“开拓创新”能力的目标。

2.课程设计题目描述和要求

题目：直流电机调速系统设计

通过对单片机的触发角度调试来改变电动机的输入电压继而改变电动机的转速。

3.课程设计报告内容 3.1 设计方案的选定与说明。

根据设计题目所指定的要求，我用了能触发脉冲电路触发一系列脉冲，将输出电压接在直流电机，由键盘键入电机的转速，显示在LED显示器上。本课程设计用到了8031单片机。具体流程包括电源、过零检测电路、控制电路、驱动电路、主电路等。

图1 设计方案

1

3.2论述方案的各部分工作原理 3.2.1 电源

图2 电源

（1）组成：电源是由两个桥式电路构成的，采用双直流供电方式，对控制电路和驱动电路进行供电。

（2）作用：①为过零检测电路提供触发信号，即当电压大于1.5V时过零检测电路输出触发脉冲。②为控制电路及驱动电路提供电压，即当为+5V电压时使得光电耦合器导通继而使电路工作。 3.2.2过零检测电路

图3 过零检测电路

2

（1）组成：

如图3所示本电路是由电压、光电耦合器、反相器等组成。 （2）过零检测电路工作原理：

对于桥式电路端点“a”的电压，输入的正弦波形经过了一系列滤波后至光电耦合器，电压足够大时，光电耦合器导通，最终经过反向器形成高低电平组成的一系列脉冲信号。 （3）输出脉冲波形：

图4 过零检测电路输出电压波形

工作原理：如图4所示，“d”接单片机某引脚P1.x。若Ua≥1.5V则光电管发光，光电耦合器导通，则“b”点为高电平，通过反向器“c”点为低电平；反之，当U≤1.5V时“b”点为低电平，则“c”点为高电平。光电耦合器将正弦波变成脉冲方波，最终在d端向单片机输入一段脉冲信号。 （4）组成电路的各部分介绍

①光电耦合器

图5 光电耦合器

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电->光->电转换器件。它由发光

3

源和受光器两部分组成。把发光源和受光器一块组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明的绝缘体隔离开来。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚则为输出端，常见元件是光电二极管和光电三极管。 光电耦合器基本原理：

是以光作为媒介，来传输电信号。在一些特殊的场合，会要求输入/输出端实现电气隔离从而起到隔离作用，这样就不能使用一般的电子器件来传输电信号，光耦正是为了适应这样的场合而产生的。光电耦合器的输入端用的是发光二极管，用电信号驱动半导体发光器件发光，而接收端是光敏管，将接收到的光信号，转换为电信号输出。通过电->光->电的转换，既可以传输信号，又实现了电气隔离的目的。即当光线照射到PN结上时，产生自由移动的电子，达到一定量时，PN结导通。

作用：阻断信号源跟信号接收方的电气连接，这样可以有较的阻断电气干扰。 ②反相器

反相器工作原理：反相器是可以将输入信号的相位反转180度，这种电路应用在摸拟电路中将电平相反变化 3.2.3控制电路

图6 控制电路

4

（1）组成：

控制电路是由LED显示、单片机构成的，起到了对电机速度控制设定的功能。 （2）工作原理：如图6，同步移位寄存器74LS164为串入并出，控制八位LED是否显示的因为是PNP管，所以输入低电平时导通，P1.0～P1.7中高电平触发显示器。通过键盘向单片机键入转速。 （3）组成电路的各部分介绍：

①八位LED显示

图7 八位LED显示

数码管分为共阳型和共阴型，共阳极型就是发光管的正极都连在一起 ，负极分开对应的各段可分别控制显示的数字；共阴极型就是发光管的负极都连在一起 ，正极分开对应的各段可分别控制显示的数字。八段数码发光管就是8个发光二极管组成的，在空间排列成为8字型带个小数点，只要将电压加在阳极和阴极之间相应的笔画就会发光。图中8个发光二极管的阳极并接在一起，8个阴极分开，因此称为共阳八段数码管。

② 8031单片机

图8 8031单片机引脚图

5

引脚功能：

有四个并行口，寻址空间为64K Vss(20脚):接地 VCC（40脚）:主电源+5V

P1.0～P1.7:通道1是8位拟双向I/O通道，在编程和校验时，它发出低8位地址。在本产品中连接8个LED数码显示器，经单片机和键盘输入后显示出所需直流电动机转速。

XTAL1（19脚）:接外部晶体一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2（18脚）: 接外部晶体另一端。在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。 RST（9脚）:单片机复位端（RESET） 单片机主控程序：

ORG 1000H MOV SCOM，#00H MOV R7，#08H MOV Ro，#70H MOV R2，#0FEH

LOOP:MOV SBUF，A

JNB TI，$

MOV A，R2

MOV P1，A

RL A INC R0 MOV R2，A DJNZ R7，LOOP SJMP $

6

3.2.4 驱动电路

图9 驱动电路

（1）组成：

驱动电路主要由光电耦合器、NPN三极管、脉冲变压器、二极管等组成。 （2）工作原理：

如图9，将a端与单片机某一引脚P1.x连接，由于光电耦合器结构与过零检测电路结构基本相同，当过零点检测电路输出端输出脉冲，使脉冲进入T0口，开启中断，计时器开始计时，当导通角增大时，关闭中断并在a端输入一个低电平 ，由于输入电压大于1.5V时光电管发光，继而光电耦合器导通，由于三极管集电极输入15V电压故三极管必然导通，电流通过同相变压器二极管D2正向导通，继而把功率传出。 （1） 组成电路各部分介绍：

①NPN三极管

图10 NPN三极管

7

三极管工作原理：

三极管可以对电流放大作用,除此之外还有对开关作用(即通、断作用),当基极加上正偏压时,NPN型三极管即导通处于饱和状态及灯会亮,反之,三极管就不导通,灯不亮。

②脉冲变压器

图11 脉冲变压器

脉冲变压器工作原理：

所谓脉冲变压器是一种宽频变压器。脉冲变压器是一个工作在暂态中的变压器，也就是说，脉冲过程在短暂的时间内发生，是一个顶部平滑的方波脉冲信号是重复周期，一定间隔的，且只有正极或负极的电压，而交变信号是连续重复的，既有正的也有负的电压值。

③二极管

图12 二极管

二极管工作原理：

二极管是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结，在其界面处两侧形成空间电荷层，即自己建立的电场。当不存在外加电压时，由于PN 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自己建立的电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自己建立的电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自己建立的电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。

8

3.2.5 主电路

图13 主电路图

（1）组成：

要由晶闸管、变压器、电机等组成。 （2）主电路工作原理：

该主电路使用了单相桥式整流电路。

如图13中所示，因为电动机中含有电感性负载。故： 负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。

u2过零变负时，因为负载含有电感，继续续流作用，所以晶闸管VT1和VT4并不关断。

至ωt=π+a 时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。 VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。 负载电压表达式：Ud12U2sintd(t)22U2cos0.9U2cos

α角的移相范围为90，晶闸管承受的最大正反向电压均为2U2

9

电流的平均值和有效值：IdT（3）组成电路各部分介绍：

①晶闸管

12Id IT12Id0.707Id

图14 晶闸管电气符号

晶闸管的工作原理：

承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。

要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。

（4）各种触发角度的波形图

图15 α=300时的波形

10

图16 α=600时的波形

图17 α=900时的波形

11

4.总结

课程设计是培养学生综合运用所学知识 ,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们的实际工作能力的具体训练和考察过程。通过本次电力电子变流课程设计，使我对各种整流电路、单片机知识及一些电力电子器件有了更深的理解。经过这次的课程设计，不仅在书上学到的知识得到巩固，我认为最关键的是，我又在实际操作中动手能力，分析问题，解决问题的能力得到了更好的锻炼，特别作为工科学生的我们更应该注重我们的动手能力和发现问题解决问题的能力。在课程设计制作过程中，学生按照规定的程序进行实践，查询。对于课题的要求及目的进行系统的分析，找出突破口，但是毕竟上课所学的知识有限，需要学生课下去查询资料来完善课程设计，在这期间不仅让学生锻炼了动脑能力，更是让学生的动手能力得到提高。再者，在课题设计过程中不免遇到这样那样的问题，在与老师、同学的讨论过程中得以解决，这也体现到交流思考的能力得到了锻炼。当所有数据整理完善时，就是课程设计报告的编写步骤，这期间不仅让学生学会了排版等知识更是让学生自己绘制工程图，对以后的工作起到了很重要的作用。这次实习，虽然时间不长，但我个人认为这种课程设计是很有必要的，首先我们好多的同学学习了书上的知识，都认为这些知识好像都离我们很遥远，甚至不知道，不清楚那些知识改该用在哪个地方，什么时候用。课程设计提供了这个机会，这种条件，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产联系，使得我们对知识深刻的了解和巩固。与此同时，几个人的团队协作能力使我们在与人共事中学会交流学会合作。因为在今后工作中一个人独立完成不予别人合作，基本是不可能的，所以在这种课程设计中也锻炼了我们的团队的协作精神，为今后的学习和工作积累经验，也是难得的财富。对于课题的理解，对选用材料电路设备的选择等等总是向老师请教，沈老师一一解答，在这里我要谢谢沈老师的帮助。

参考书目：

［1］ 柴诚敬，刘国维，李阿娜，《电力原理课程设计》，天津，天津科学技术出版社，1994

年

［2］ 彭端，《电气技术专业与电力电子技术》，辽宁教育出版社，辽宁，2002年6月 ［3］ 张英全，侯方勇，《电子技术概论》，机械工业出版社，重庆，2001年1月 ［4］ 倪英，《单片机技术基础》，燕山大学出版社，齐齐哈尔，1998年

12