电力电子设计制作.pptx

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1、电电 力力 电电 子子 电电 路路设设 计计 制制 作作前言前言电力电子设计制作是在学完电力电子变流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电子电路的实际制作，使，使学生在理论联系实际、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问题和从事工程实操的初步能力。l

2、通过一个指定的变流电路的制作和调试及实验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、手册等工具书的独正确使用技术资料、标准、手册等工具书的独立工作能力立工作能力。l同时同时，培养培养学生严肃认真、一丝不苟和实事求学生严肃认真、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

3、。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。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、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。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

4、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。

5、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

6、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：触发脉冲必须保持与主电路交流电源同步，以

7、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。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0150；三相桥式全控电路大电感负载，整流区为090；对于交流调压电路，电阻负载移相范围为0180。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。触发脉冲的上升前沿要陡。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

8、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

9、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

10、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）可变电阻器调光(b)调压器调光调压器调光 在电力电子技术用于工程后，出现

11、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。图图 2 晶闸管调光器晶闸管调光器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

12、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

13、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

14、析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）实测波形 （b）理论）理论波形波形图 桥式整流后脉动电压的波形图 （a）实测波形）实测波形 （b）理论波形）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

15、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。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

16、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。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，

17、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0180之间。稳压电源

18、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

19、。对于大、中型的变流电路亦应绘制各个单元的电气原理图及电路总的原理图。同时应列出各单元的元件明细表。小功率电路仅绘制电路的总图及对应的元件明细表。2、零部件配置与选择 依据元件明细表所列的零部件的名称、规格及数量，配置好所有的电子器件，对于电源变压器，应注意输入、输出电压值与电流值能否满足要求。对于刀开关、断路器和接触器，要明确其额定电压和额定电流是否符合要求，辅助触头是否够用，线圈工作电压是否符合技术要求。过流保护用的快速熔断器或普通保险丝是否符合工作电压和电流。主电路过压保护用的电容器的耐压是否足够，电阻的功率是否够大。此外，亦要观察元器件的引脚有否断裂，有可能的话，用万用表测量二极管、三

20、极管的正、反向电阻是否符合正常的阻值标准。变压器引出线是否完好，电阻值是否正确。尤其是色环电阻，应注意色环的表意本电路中，注意：电阻R11的瓦数不能太小；R19更要1W，但阻值不能太大，否则触发脉冲功率不够。时基555芯片要注意8个引脚的排列与顺序。滤波电容C31、C33的耐压必须是50V的，而C35和C37则是25V。R18与C13相串联，用来加宽输出脉冲，但R18不能太大，否则脉冲太宽会加大T14管的功耗，使发热严重。在零部件配齐后，可进行元件的布置，即电路的结构设计。3、结构设计对于小功率变流电路，为减少引线和连接端子，最好将各部分都装置在同一块板上。为便于安装、调试和维修，各部分分区域

21、排列，集中供电。这样，既直观又不会发生混乱。4、绘制元件布置图在电路的结构位置选定后，再把各单元的电器及零部件进行实物排列，摆放时应按上下、左右对称，留够距离，便于安装维修，整齐美观的原则进行。对于小功率电路，主电路、触发、控制部分都在同一块电路板上，最好在确定变压器、刀开关等大的部件的位置后，再考虑电阻、电容和二极管、三极管的位置，并绘制元件布置图。5、印制电路板图的绘制在绘制印制电路板图之前，首先应画出印制板单元的电气原理图（如图4所示）和对应的元件明细表。根据原理图和明细表进行实物排列，并画出零部件布置图和印制线路板图，同时还应画出插头和插座的引脚图，见图5所示。绘制印制线路板图有计算机

22、绘图和人工绘图两种方式。这里仅讨论人工绘制的原则，以及印制线路板的手工制作方法。图图4 电气原理图电气原理图图5 元件布置图和印制线路板图a）元件布置图 b）印制线路板图绘制印制线路板的原则：排列元件，一般体积大、较重的元件放在下面（靠近插脚端）。原理图中连在一起的元件应尽量靠近摆放，以缩短引线距离。元件布置要整齐、美观。元件应尽量按大小、种类、形状分排放置。因电源线、地线连接元件较多，为便于元件摆放，电源线一般放在中间上下贯通，地线沿印制板周围构成一条环线。印制线路板各线条不能交叉。对电路中有引脚较多的大规模集成电路的印制板，应采用双面敷铜板。引脚线条必须与插座配合好，严格按选用的插座配画，

23、不得错位。元件位置确定后即可画出元件布置图和印制线路板图。在印制线路板图中应尽量标出与原理图一致的图形和文字符号，对于晶体三极管还应标出管脚名称（e、b、c），集成块应标出插座的起始号码，脉冲变压器还要标出一次侧、二次侧，引脚应标上引出信号，集成稳压块应标管脚的号码等，如图2所示。对于小功率变流电路，由于零部件少，整个电路可布置在一块线路板上，主电路与触发、控制单元分开绘制，若有交叉线条，可采用飞线方式过渡。对于主电路，还要注意晶闸管和大功率整流管带有散热器，绘制印制线路板时，要留有散热器的空间。7、制作线路板在绘制好印制电路板图之后，要反复核对多次，确认无误后可进入制作程序。对于小功率变流电

24、路，整个系统都绘制在一块图纸上。按图纸尺寸锯好一块敷铜板，注意，敷铜板的四条边用锉刀或砂布磨几下，使边光滑一些，然后进入制作过程：把设计好的印制线路画在一张垫有复写纸的白纸上。将敷铜板的铜箔面用酒精或细砂纸擦干净。先在铜箔面上放上一张复写纸，再把画有印刷线路的白纸反放在上面（即背面朝上），注意放正、对齐，然后按复印痕迹拓在铜箔面上。画图好后，即可开始制作印制线路板，业余制作印制线路板常用的方法有以下三种：第一种刀刻法。在制作不太复杂的线路板时，可用锋利的小刀刻去不需要的铜箔。用刀刻线路时，动作要稳，不要把应保留的线路刻断。用这种方法，在设计电路时应注意采用直线条，而且保留的部分应尽量多，刻去的

25、部分应尽量少，这样在刻的时候比较方便。刻好后用小钻头在要插接元件的地方钻上孔即成。刀刻法电路形状如图6所示。图6 刀刻法的印刷线路板第二种，漆画腐蚀法。漆画腐蚀法就是用毛笔蘸上调合漆（磁漆、喷漆均可）把拓好的线路在应保留的线条上均描上漆，待漆干后，用锋利的小刀和尺子把画得不光滑的线条刮平直，也就是进行一次修板。然后把画好的敷铜板放在三氯化铁溶液中（浓度为40%三氯化铁；60%温水），溶液刚刚没过敷铜板即可。经过几十分钟时间，未画漆的地方的铜箔就被腐蚀掉，留下涂有漆的铜箔。如想加快腐蚀速度，可以将三氯化铁溶液加热（放在水盆里间接加热，或用温火在下面加热）。腐蚀好的印制板，应用清水多冲几遍，把残留

26、的三氯化铁洗净，再刮去漆迹，把留下的线条打亮。然后在放元件的地方打好孔，涂上一层松香酒精液，印制线路板就制作好了。第三种，贴胶带腐蚀法（介绍两种方法）：第一种，用胶带把整个敷铜板贴满、贴紧压实，不留气泡。用小刀刻出所需的线路，然后把腐蚀之处的胶带撕去。再检查一下胶带接缝处是否衔接紧密，如果不紧密可在缝隙处涂上少许清漆或万能胶，晾干后即可放入三氯化铁溶液中腐蚀。第二种，把胶带贴在玻璃板上用小刀刻成条（每条宽23mm即可，长度视线路板上线条长短而定），揭下刻好的胶布条在电烙铁上烤一下，再贴到敷铜板复写的线路上，贴紧压实，就可以放到三氯化铁溶液中进行腐蚀了。贴胶带法制作印制线路板只适合制作比较简 单

27、的线路。它的优点是贴上胶带就可放到三 氯化铁溶液中腐蚀，不像漆画腐蚀法那样，还要等漆干后才能腐蚀。在制作印制线路板时还应注意以下几点：1）在往敷铜板上拓线路前，应先将敷铜板的铜箔擦干净，这样，漆不易脱落，胶带易贴牢；2）印制线路的线条应尽可能宽些，以使线条牢固，在用漆画腐蚀法时，还可节省三氯化铁溶液；3）印制线路各线条之间的距离不应小于1mm，以防焊接元件时造成短路。四、四、安装安装线路板制作完成后，就进入零部件的安装阶段。1、钻孔。按元件布置图和接线图中元器件的位置钻孔。其中钻头的直径应按元件引脚的粗细来定，不可太大。为避免小钻头打滑，先用铁钉在要钻的位置上钉一凹孔，这样，小钻头就不会打滑。

28、对晶闸管和接线柱等大孔的钻孔过程。为避免位置有偏差，可先用小钻头钻一小孔，再用大钻头扩孔，这样可消除误差。l所有的孔钻好后，应反复检查，以免在焊装过程中才发现有漏钻的孔。对于在调试中才能最后确定参数的电阻，不妨在旁边多钻两个孔，说不定实际的阻值需两个电阻并联或串联才能解决。l元件孔完成后，再用细砂布将各个孔的表面擦几遍，使孔尽量光滑，使易于涂焊锡。2、上锡印制线路板钻好孔之后，为防止日后铜片氧化，需要将铜线路表面涂上一层薄薄的焊锡，可使用中间灌有松香的焊锡丝，用电烙铁轻轻而均匀的涂在铜片表面。若使用不含松香的焊锡，则铜片上可先涂上少许的焊锡膏或松香，这样就容易使焊锡涂在铜条上。3、器件焊接小功

29、率变流电路由于所有的零部件都装在同一块线路板上。因此，在安装过程中要注意如下几点：先将晶闸管和整流二极管等主电路的零件安装好。再将电阻、电容、二极管和三极管等电子元件焊接上去。待元件焊接完，才将变压器等大件装上线路板。最后将相关的连线焊接。电阻、电容等元件在焊接、安装时，若采用卧式排列，则元件的引脚最好弯成90再插入孔里焊牢，而三极管的三条引脚可留有一定的长度，以免焊接时有过多的热传入器件内部。总之焊接和安装过程要注意美观。4、引线线路板安装的最后一步是电路板与负载、供电电源之间的导线连接工作，注意输入的电源为220V。连到电路板上后，不要随便接触主电路，以免触电。五、五、调试调试 调试工作是

30、设计与制作的最后一步，也是保证电路能正常运行的关键工作，调试的目的是使变流电路能处于正常运行状态，即负载上的电压能跟随电压指令而线性变化。调试的主要工具是电压表和示波器，调试的原则是：先触发、控制单元，后主电路。顺序是从同步输入到整流输出，一步一步检测各点的电压或波形来确定各点的波形或电位正确与否。对于电路图中带*号的电阻或电容器，其值需在调试中确定。只有当负载上的电压或灯泡上的亮度能跟随电压指令电位而线性变化，则说明电路已处于正常工作状态，此时，电路的调试工作结束了。本电路的调试工作有：稳压电源工作正常，能输出 15V直流电源。用万用表的直流电压档测输出电压，看工作电压是否符合要求。触发器调试时，将D13直接接到D点，T14管的发射极及R19直接接地。用示波器分别观察A、B、C、D、E、F、G、H、I和V各点的波形。R15值的确定。电位器RW2、电阻R24和R25参数的确定。在触发器和过零触发开关工作正常后，将开关K11、K12焊接上对应的元器件。将K1拨向“移相触发”一侧。电阻R44和电位器RW4进行配合调试，使得RW4从0变到最大时，对应的 角从1800左右。否则要反复调试R44的阻值，或在RW4与地间串接合适的电阻。