1、项目编号： 黑龙江省大学生创新创业训练计划项目结题验收书 所属高校（盖章）： 项目名称： 项目类别： 创新训练、创业训练、创业实践 负 责 人： 指导教师： 所属学科： 起止时间： 项目经费： 填表日期： 黑龙江省教育厅制填 表 说 明一、结题验收书应按照本表格要求，逐项认真填写，内容必须实事求是，表达明确严谨，空缺处要填“无” 。二、“所属学科”按一级学科列出，跨学科最多写三个。三、“项目成员”按照实际参与项目实施的人员填写。四、“指导教师意见”要对项目成果和学生实施情况进行总结。五、“学校意见”要对成果内容和成果水平进行评价。六、材料规格：用 A4 纸双面打印（复印），左侧装订。七、材料报
2、送：申报材料需纸质材料和电子文档一并提交。八、项目成果相关佐证材料打印输出后附于后侧，一并装订。项目名称 实验室用可调直流电源所在院（系） 所属学科起止时间 使用实验室项目性质 发明、设计 基础性研究 应用性研究 社会调研项目来源 自主立题 教师指导选题姓名 学号 年级班级 所在院系/ 专业 联系电话项目负责人项目组成员姓名 职称/职务 所属单位 联系电话 Email指导教师一、项目成果简介：（重点介绍特色及创新点，200 字左右）实验室用可调直流电源是一种采用可控硅触发电路实现调节电压的直流可调稳压装置，该直流可调电源具有价格低廉、技术成熟可靠、调速精度高等优点，可广泛应用造纸、橡塑、食品、
3、印刷、冶金等需要调压调速机械设备的供电电源，将交流电能转换为直流电能的整流电路的主要电力电子器件是半控型的晶闸管，与其对应的主要变换电路是相控整流电路。相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定，是目前获得直流电能的主要方法，得到了广泛的应用。主要创新在于：1用可控硅触发实现直流可调电源能够提供 0-215V 的电压输出宽度；2引入电压负反馈技术可以为动力设备提供平稳的输入电压；3带过电流保护装置改善了电气性能和使用性能；4. 反并联晶闸管可以为用电设备提供相对平稳电流，具有软起动装置特点；5. 多功能端子接口可以为不同设备服务，适应于实验室频繁性实验教学需要。二、项目研究中使用的具体材料：（含
4、实验用药品、仪器、参阅的书籍和论文目录，使用的检索目录等）实验仪器：示波器、电压表、电流表变压器: 脉冲变压器，变压器二极管： 稳压二极管 、发光二极管、二极管 4007、5108晶体管： 三极管 9015 、晶闸管 TNY816、单结晶体管 BT33F电 容： 电解电容 整流桥： KBPC1510 整流桥堆电 阻： 18 个大小不等电阻电位器： 可调电位器熔断器： TCPCB 板： 直流电源 PCB 板实验工具：钳子、螺丝刀、剥线钳、电烙铁等参阅文献：1王兆安，刘进军.电力电子技术M.机械工业出版社 2009.2浣喜明，姚为正.电力电子技术M.北京：高等教育出版社, 2004.3黄俊.半导体
5、变流技术M.北京：机械工业出版社,1980.4莫正康.半导体变流技术M.北京：机械工业出版社, 1999.5 赵良炳. 现代电力电子技术基础M.北京：清华大学出版社,1995. 6黄继昌主编. 电子元器件应用手册M.北京：人民邮电出版社,2004.7陈治明. 电力电子器件基础M.北京：机械工业出版社,1992.8卢春焕，王红阁.变电所直流系统调压装置自动化改造方案J.郑州：郑州工业高等专科学校学报,2002(3).49同向前，周永仓，张智会.变电所直流系统调压装置的研制J.西安：电力电子科技,1999(4).510张代润.升压式开关直流调压器的不变性控制法J.西南交通大学学报,1996,03:
6、116-120.11胡大友.大功率晶闸管调压触发控制电路J.电工技术,1995,07:20-23.12同向前,周永仓,张智会.变电所直流系统自动调压装置的研制J.电力电子技术,1999,02:42-43.13卢春焕,王红阁.变电所直流系统调压装置自动化改造方案J.郑州工业高等专科学校学报,2002,01:17-18.14李庆武.一种实用的无级调压触发控制电路J.电工技术,1999,01:54.15马振太.采用 R、D、C 触发的晶闸管直流调压电路J.低压电器,1982,02:33-34.16曹立杰,赵殿礼,林澄渊.单片机控制直流调压系统的研究A.中国航海学会船舶机电与通信导航专业委员会 200
7、2 年学术年会论文集（船舶机电分册）C.2002:4三、项目成果形式及数量：（需另行提供附件）1.文献资料综述（ ）份；2.调查报告 （ ）份 ；3.研究论文（ 1 ）份 ；4.软件 （ ）份；5.设计 （ 1 ）份；6.硬件研制（ 1 ）份 ；7.获得专利 （ ）份；8.心得体会 （ 4）份 ；9.其他 （ ）件，名称：附件清单：1. 实验室用可调直流电源研究报告2. 项目工作记录3. 实验报告4. 设计原理图5. 心得体会6. 样机照片四、项目经费使用情况：支出科目 金 额 备注（注明经费支出时间）元器件 1500 2013.10；2014.4工具仪表 320 2014.3耗材 240 2
8、014.3合计：五、项目总结报告（应包含项目实施过程中创新思维和创新实践方面收获，5000 字左右）：摘要： 直流电源作为工业发展领域不可或缺的重要组成部分，是工业电力设备发展中一个重要的研究领域。实验室用可调直流电源是一种采用可控硅触发电路实现调节电压的直流电机调速装置，该直流电源具有价格低廉、技术成熟可靠、调压宽度大等优点，可广泛应用造纸、橡塑、食品、印刷、冶金等需要直流的机械设备作为供电电源。该电源将交流电能转换为直流电能的整流电路的主要电力电子器件是半控型的晶闸管，与其对应的主要变换电路是相控整流电路。相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定，是目前获得直流电能的主要方法，得到了广泛的
9、应用。单结晶体管触发晶闸管整流电路，该设计电路可靠性、稳定性和实用价值均高，且维护方便，而电路的交直流调压控制实用性也大大提高，外接端子式的接线方式方便工业控制需要。项目简介：1、研究目的 目前，电子系统的应用越来越广泛，种类也越来越丰富。电子设备己成为人们日常工作和生活中必不可少的一部分。作为电子设备的心脏，电源系统给电子设备提供所需要的能量，起着至关重要的作用。然而，在通信、航天、汽车、计算机、办公和家用电器等行业，直流稳压电源起着重要作用。研究实验室用直流可调电源，解决实验室存在的直流电源调压问题，进一步加深对直流可调稳压电源的了解，提高自己的动手制作能力和设计能力，加强对电力电子电路的
10、认识，从而为以后从事相关工作做准备。2、研究意义通过此次直流可调电源设计，解决实验室直流电源工作问题，为以后研究高质量使用性能和电气性能的直流稳压电源，做了一个可行性前期实验准备工作，有利于了解直流电源在生产生活中的作用，特别是在设备稳定运行方面表现出的电气特性；从实验室直流电源入手研究，有助于积累解决生产生活中的碰到的问题；从实验团队中相互合作共同进行相关工作，培养了我们的合作意识，为以后我们参加相应工作提供了一个简单模型；研究过程中的分析和改进，增加了我们对相关知识的掌握，补充自身的不足；从需求-分析-设计-实验过程中，培养了我们对以后解决相关问题的认识。3、项目的实施计划2013 年 0
11、5 月-2013 年 07 月 查阅资料（上学校图书馆和中国知网）2013 年 07 月-2013 年 08 月 根据取得资料信息构造选择技术方案2013 年 09 月-2013 年 11 月 根据技术要求分成若干个子电路，每个子电路具体设计2014 年 12 月-2014 年 03 月 子电路合成总电路2014 年 03 月-2014 年 04 月 样机制作2014 年 04 月-2014 年 05 月 样机试验，完善，撰写报告。4、项目主要内容从实验室直流电源存在的问题出发，设计实验室用直流可调电源，主要是用于实验室直流控制电机调速，以下是直流可调电源具体设计方案：5、原理框图根据设计要求
12、，原理框图如：图 1 图 1 原理框图6、主电路设计6.1 主电路设计思路（1）电网供电电压交流 220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大） 。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载。直流稳压电源是一种将 220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成,如
13、图 2。T工 频 交 流 脉 动 直 流 直 流整流 滤波 稳压 负载图 2 主电路结构图其中：（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网 220V 交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2）整流电路：利用单向导电和可控导电元件，把 50Hz 的正弦交流电变换成脉动的直流电。（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。整流回路采用电力二极管和晶闸管单相全波可控整流电路，晶闸管通过由单结晶体管（BTF33）和脉
14、冲变压器等元件构成触发电路触发导通实现直流电压大小可控，滤波电路主要由 0.22UF 电容和 120 欧姆电阻组成，将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。6.3 控制回路设计6.3.1 触发回路部分单结晶体管构成的晶闸管触发电路，与单结晶体管构成弛张振荡电路相比较，电路的振荡部分相同，是通过对电源电路的改进实现的。取自主电路的正弦交流电通过变压器 T 降压，变为较低的交流电压，然后经二极管整流桥变成脉动直流。稳压管和电阻的作用是“削波” ，脉动电压小于稳压管的稳压值时，稳压管不导通，其两端的电压与整流输出电压相等；如果脉动电压大于稳压管的稳压值，将使稳压管击
15、穿，其两端电压保持稳压值，整流桥输出电压高出稳压值的部分降在电阻上。这样稳压管两端的电压波形近似与一个梯形波，用这个电压取代弛张振荡电路中的直流电源。由于振荡电路的电源为梯形波，在主电路正弦波每一半波结束和开始的一段时间，振荡电路的电源电压很小，电路不振荡，同时电容电压释放到 0。当电源电压接近梯形波的顶部时，振荡电路开始工作，当电容充电使两端的电压达到单结晶体管峰点电压Vp 时，单结晶体管导通电容放电，放电电流流电阻与被触发晶闸管的门极的并联电路形成输出，为晶闸管提供触发脉冲，使晶闸管导通。然后电路进入下一振荡周期，但晶闸管一经导通门极就失去控制作用，一个电源电压半周中振荡电路输出的脉冲只是
16、第一个起到触发作用，后面的脉冲是无效的。在主电路电压的半周接近结束时，振荡电路的电源电压进入梯形波的斜边并迅速下降，振荡电路停振，同时电容电压释放到 0。因此在主电路的每一个半波中，电容总是从 0 开始充电，保证了触发脉冲与主电路电压的同步。6.3.2 整流电路KBPC1510 整流桥整流后的直流电压为 0.9 倍的交流输入电压，且整流后的直流电流最大不超过整流桥 KBPC1510 额定电流值（15A） ，满足整流后的直流电压为 0.9 倍的交流输入电压。而输出不加滤波电容时整流后的直流电压为 0.9 倍的交流输入电压，输出加滤波电容时整流后的直流电压为 1.2 倍的交流输入电压，整流后直流电
17、流最大为15A，具体是多少取决于所接的负载。可控硅 TNY816 主要通过 G 极导通，单结晶体管和脉冲变压器产生触发脉冲输出，用小功率驱动大功率，通过调节触发脉冲触发角，提供不同大小的直流输出电压，反变联晶闸管为供电设备提供稳定的直流电流。6.3.3 滤波电路整流电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。其中电容器 C 对直流开路，对交流阻抗小，所以 C 并联在负载两端。并联的电容器 C
18、在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。6.3.4 晶闸管保护电路晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C 阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。（1）晶闸管的过流保护晶闸管设备产生过电流的原
19、因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因,如整流晶闸管损坏,触发电路或控制系统有故障等;其中整流桥晶闸管损坏类较为严重,一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流.另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发生，因为整流桥的负载实质是逆变桥, 逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。 第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常
20、见的就是接入快速熔断器的方式。第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。（2）电压反馈回路晶闸管控制的直流电动机传动系统，由于电网电压的波动、电动机的温升、负载的大小等都会影响电动机转速的稳定。为此需及时调整晶闸管的导通角，以改变输出电压的大小，从而把转速校正过来。在稳态要求不高的场合，常采用电动机电枢电压负反馈电路，调节电位器，可改变负反馈电压大小。（3）晶闸管的过压保护晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。解决方法有 R-C 阻容吸收回路和采用电力电子电路保
21、护。7、电源端子设计说明:-12V:非隔离负电源, 0V:非隔离正电源, IN 外接放枓电眼输出端,(注:不接放枓电眼时-12V 与 IN 接外接常开触点可以控制电机的启动和停止), 4 端口接速度调节低速端, 5 端口接速度调速端即 4.7K 电位器中心点, 6 端口接速度调节高速端, H1 接直流电机电枢-, C2 接直流电机电枢+, F1 直流电机励磁+, F2 直流电机励磁-, 220V/相线电源输入 另一个 220V/零线,电源输入 。8、原理图设计电路集中了电器元器件和电子设备，按照电路设计功能，首先将控制回路中的每个子电路按着电路要求进行相应的连接，实现电流、电压按照相关设计要求
22、达到理想状态，特别是针对触发角的设计，需要为整流回路提供一个安全有效的触发脉冲，保证在合理区间触发，从而实现提供合理的直流电压。然后需要完成主回路的子电路连接，主电路中主要是为用电设备提供大电流，因此设计过程中需要进行正确的元器件选择，保证所选择的元器件能够承受高电压、大电流，此外需要考虑用电设备对于电源装置的回流干扰，轻则影响电源供电质量，重则烧毁电源，引起短路事故。为此，主电路和控制回路连接采用脉冲变压器和单结晶体管，如图 3。D6LEDD13D14D12D11T2D7R7680KR61KR539KD8D9C610uFT1D1D4D2D3 D5+12vF1H1C2F2F3C10.22uFC
23、00.22uFR3120KR4120KR1120KR2120KP2P1C510uFR1562KQ29015R161KR146.2KC41uFC310uF R10120KQ19015R112.2KR13330KR1262KR17680KT3220v 220vR84.7K38V220VBT3322vR181KR982KR020W图 3 原理框图9、部分元器件说明9.1 单结晶体管单结晶体管也称为双基极二极管，有一个发射极和两个基极，外形和普通三极管相似。单结晶体管的结构是在一块高电阻率的 N 型半导体基片上引出两个欧姆接触的电极：第一基极 B1 和第二基极 B2；在两个基极间靠近 B2 处，用合金
24、法或扩散法掺入 P 型杂质，引出发射极 E，B1、B2 间加入正向电压后，发射极 E、基极 B1 间呈高阻特性。但是当 E 的电位达到 B2、B1 间电压的某一值时，E、B1 间立刻变成低电阻，单结晶体管与 RC 电路用于可控振荡器，作为触发脉冲，单结晶体管结构示意如图 4。 单结晶体管伏安特性，如图 5。图 4 单结晶体管结构图 5 单结晶体管伏安特性9.2 KBPC1510 整流桥堆KBPC1510 整流桥有四个端子，有两个交流输入端和直流输出端，相当于四只二极管构成的整流桥，主要是将交流电变换为直流电，如图 6。图 6 KBPC1510 结构图10 样机试验与实验10.1 样机制作根据电
25、路原理图，用 PROTEL 软件完成电路图设计，在设计工程中，根据实用性和便捷性，布置好电路连接线，特别是进行原理图分析中，需要确定相关线路所承受的电流，选择好电路线径，避免在承受负载时，因电流过大引起短路烧坏主板，导致设备不能正常使用。此外电路布线过程中需要合理走线，避免线路集中导致焊接困难，发生短路情况。根据需要和设计的实用合理性，合理安排端子排引出线。PCB 图完成后，开始制作 PCB 板。制作 PCB 板方法多，制版大致过程是：设计版图描图晒板（制作印刷底版）印刷化学方法腐蚀清洗及表面处理印刷助焊、标识、阻焊等层切割、打孔等机械加工成品电路版，根据生产工艺条件和产品需要，有些步骤有所改
26、变。PCB 板制作完成后，需要对 PCB 板进行相应的后期处理。首先，测量相关线路的导通情况，如果出现相关的断路问题，则通过焊锡进行线路的连接，如果出现短路现象，通过小刀等工具将短路现象进行排除处理；然后，校正相关孔径大小，测试有关元器件是否与预留孔距一致；接着进行元器件的测试，并将元器件放置在 PCB 板的相应位置；最后，焊接电路元器件。10.2 样机试验焊接完元器件后，样机基本完成，进入到样机试验是阶段。在样机试验阶段主要是检查虚焊现象、元器件是否正常工作、测试相关线路、样机通电检测等。检查虚焊现象是由于焊接过程中焊锡、元器件、杂物等造成的焊接出现异常，不能使所连线路正常工作；元器件是否正
27、常工作，主要针对一些不耐热的元器件否在焊接过程中出现温度过高而出现元器件损坏，毁坏；在测试相关线路过程中，主要是排除焊接过程中出现的短路和断路现象，元器件是否连接正常，线路是否导通等；样机通电检测主要是测试相关电路的工作情况，包括主电路和控制电路在通电过程中的表现出的电气特性，以及测试相关电路工作时的相关参数，并对相关参数进行相应的分析，为带负载实验提供实验数据和实验准备，保证带负载情况下能够稳定运行。在样机测试过程中主要是测试电源设备中 H1 和 C2 之间的电压，通过调节电位器大小，记录相关电压变化。此外测试单结晶体管脉冲输出的波形，查看触发电路工作情况。10.3 样机实验样机测试完成后，
28、进行数据分析后，在设计范围要求许可下，方可进行样机的实验。样机实验分为两个阶段，虚拟负载和电机负载。（1）虚拟负载（纯电阻负载）虚拟负载主要是将 H1 和 C2 间输出电压接入电路中，通过在纯电阻工作下测试相关的电压、电流，并通过调节电位器大小，记录下相关电压与电流情况。将测试的电压、电流与样机前测试的作比较，分析纯电阻负载的与样机工作时的参数。（2）电机负载（阻抗负载）电机接入直流可调电源 H1 和 C2 端，接入直流电压表、直流电流表，通过调节电位器的大小，记录相关电压与电流情况，并分析纯电阻负载和阻抗负载的相关参数。成果简介：1.一台实验室用直流可调电源；2.一篇关于实验室用直流可调电源
29、研究报告；项目特色和创新之处：1.项目特色（1）结合所学电力电子技术知识解决实验室电源问题;（2）可调直流电源可以适应于不同电源大小用电设备；（3）模块化和排线端子方便使用于不同工业控制现场；（4）性价比高可以满足市场消费群体需求。2.创新之处（1）用可控硅触发实现直流可调电源能够提供 0-215V 的电压输出宽度；(2)引入电压负反馈技术可以为动力设备提供平稳的输入电压；(3)带过电流保护装置改善了电气性能和使用性能；(4)反并联晶闸管可以为用电设备提供相对平稳电流，具有软起动装置特点；(5)多功能端子接口可以为不同设备服务，适应于实验室频繁性实验教学需要。心得体会：这次项目的设计，让我真正
30、懂得了学习中专业知识掌握牢固程度的重要性。不论学什么，专业知识是很重要的。当初出于锻炼自己的目的，兴致高昂的报名参加了这次项目的设计，很荣幸，我被老师选中。在激动之余，由于自己专业知识的学习不到位，导致自己刚接到项目课题时完全找不到头绪，无从下手，不知道自己应该怎么做。在我迷茫时，是指导老师孙老师鼓励我，而且也有队友的陪伴和支持，专业知识上的交流让我开始慢慢引入专业学科的知识点，慢慢的开始进入状态，和队友的频繁交流也发现自己的不足，于是自己开始去查找资料和学习，巩固自己的学科知识。在整个设计过程中，从开始接到题目到设计逐渐完成，我们记录了点点滴滴，电路的设计与分析，器件的选择，焊接，调试，大家
31、各自发挥各自的特长，对自己拿手的模块勇于承担，分工明确，设计有条不紊的进行着。在遇到分歧时，大家激烈讨论，不断测试，选择最合理的方案。因为大家都是第一次做项目，没有什么经验，而且都没有实践的经验，对于器件实物的识别上也出现了或多或少的问题，也闹了一些笑话，大家在愉快的氛围中慢慢完成自己的工作。在经过了长期的奋战，挥洒了汗水，付出了宝贵的时间，终于完成了这次项目的设计，从内心感到开心，更有一种成就感。六、项目实施过程中存在的问题和建议：项目改善处：1.输出的直流电压出现波动，加强滤波整流电路和稳压电路的作用，抑制干扰信号；2.工作过程中出现噪声，提高变压器质量；3.负载能力有限，不能带动大功率设备，选择大功率晶闸管；4.输入交流电压 220V，不能承受 380V 交流电压，不能满足一些工业设备要求，采用三相整流。七、诚信承诺：学生签字：年 月 日八、项目评定：指导教师意见指导教师签字：年 月 日学校专家组意见专家组长签字：年 月 日学校审核意见项目总评成绩：优 良 中 合格 不合格学校负责人签字：盖 章： 年 月 日教育厅审核意见盖 章：年 月 日
