晶闸管交流调压与调功电路设计讲解

1、辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）题目晶闸管交流调压与调功电路设计院（系）：工程技术学院专业班级：学号：签字）学生姓名：指导教师：起止时间：44仁尊本科生课程设计（论文）44仁尊本科生课程设计（论文） II # I院C1本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语系）：工程技术学院教研室：电气教研室学号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目晶闸管交流调压调功电路设计、1ODmt/丄f-rr课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能设计晶闸管交流调压与调功电路应用于电炉温控、灯光调节、异步电动机的启动和调速等。设计任务I、方案的论证。2、主电路设计。3、控制电路设计。4、通过计算选

2、择器件的具体型号。5、分析系统不同负载下的电流、电压波形及相控特性。6、绘制相关电路图。7、完成4000字左右说明书。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理论分析与计算要正确。3、文中的图表工整、规范。4、兀器件的选择符合要求。技术参数电源为工频380/220V，阻性负载R=l0Q，输出电压在0220V连续可调。米用单相交流调压与调功主电路。第I天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：主电路设计；第5天：选择器件；第6天：控制电路设计；第7天：保护电路设计；第8天：电路调试或仿真；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩.平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日

3、注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算交流-交流变流电路，是把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，应用十分广泛。把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软启动也用于异步电动机调速。在电力系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。采用交

4、流调压电路在变压器一次侧调压，其电压、电流值都比较适中，这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。关键词：晶闸管；交流调功；交流调压44仁尊本科生课程设计（论文）44仁尊本科生课程设计（论文） # iii目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 第1章绪论1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1.1电力电子技术概况1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.2本文研究内容2第2章晶闸管交流调功与调压电路设计3 HYPERLINK l

5、 bookmark8 o Current Document 2.1调压电路原理简介3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2.2交流调压电路总体设计方案3 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2.2.1方案一电阻性负载32.2.2方案二阻感性负载5 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 2.3主电路的设计9 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 2.4调功电路的设计10 HYPERLINK l bookmar

6、k106 o Current Document 2.5触发电路的设计11 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 2.5.1芯片介绍11 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 2.5.2触发电路图13 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 2.6保护电路的设计14 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 2.6.1过电压的产生及过电压保护142.6.2过电流的产生及过电流保护14 HYPERLINK l bo

7、okmark118 o Current Document 2.6.3计算15 HYPERLINK l bookmark122 o Current Document 2.6.4保护电路图162.7电阻炉负载过零控制特性分析17 HYPERLINK l bookmark124 o Current Document 第3章仿真模型、仿真波形及其分析19 HYPERLINK l bookmark126 o Current Document 第4章课程设计总结21 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 参考文献22 HYPERLINK l bookmark

8、132 o Current Document 附录2344仁尊本科生课程设计（论文）44叙尊本科生课程设计（论文） 第1章绪论1.1电力电子技术概况电力电子学这一名词是20世纪60年代出现的，“电力电子学”和“电力电子技术”在内容上并没有很大的不同，只是分别从学术和工程技术这2个不同角度来称呼。电力电子学可以用图1的倒三角形来描述，可以认为电力电子学由电力学、电子学和控制理论这3个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。电力电子技术与电子学的关系是显而易见的。电子学可分为电子器件和电子电路两大部分，它们分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。从电子和电力电子的器件制造技术上进两者同根同源,

9、从两种电路的分析方法上讲也是一致的,只是两者应用的目的不同，前者用于电力变换，后者用于信息处理。电力电子技术广泛应用于电气工程中，这就是电力电子学和电力学的主要关系。电力学就是电工科学或电气3工程，各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电以及高性能交、直流电源等电力系统和电气工程中，因此，把电力电子技术归于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。电力电子技术的不断进步大大地推动了电气工程实现现代化的进程。控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能日益优越和完善，可以满足人们的各种需求。电力电子技术可以看作弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理

10、论则是实现这种接口的强有力的纽带。此外，控制理论和自动化技术是密不可分的，而电力电子装置又是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。1.2本文研究内容用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便的调节输出电压有效值。可用于电炉温控、灯光调节、异步电动机的启动和调速等，也可用作调节整流变压器一次侧电压，其二次侧为低压大电流或高压小电流负载常用这种方法。采用这种方法，可使变压器二次侧的整流装置避免采用二极管，只需要晶闸管，而且可控级仅在一侧，从而简化结构，降低成本。交流调压器与常规的交流调压变压器相比，它的体积和重量都要小得多。交流调压器的输出仍是交流电压，它不是正弦波，其谐波分量较大，功率因数也较低。第

11、2章晶闸管交流调压与调功电路设计2.1调压原理简介交流调压电路是采用相位控制方式的交流电力控制电路，通常是将两个晶闸管反并联后串联在每相交流电源与负载之间。在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，使之导通。与相控整流电路一样，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，可以方便的调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。其晶闸管可以利用电源自然换相，无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，系统响应速度较快。其结构框图如下2.1所示：图2.1交流调压结构框图2.2交流调压电路总体设计方案根据项目设计的技术要求可以知道，方案可选用电阻性负载或阻感性负载。2.2.1方案一电阻性负载采用电阻性负载，电路由

12、电阻和两个晶闸管反并联组成。（1）原理分析图2.2为电阻负载单相交流调压电路图及其波形。图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压。正负半周a起始时刻（a=0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a相等。可以看出，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同，因此通过触发延迟角a的变化就可实现输出电压的控制。（2）计算与分析负载电压有效值:U-11oIKG-2Usint)2d(t)=U兀a1丄sin2匕i2兀兀(2-1)故移相范围为0anoa=0时，输出电压为

13、最大，U0二U1。随着a的增大，U0降低，当a=n时，U0=0。负载电流有效值:(2-2)晶闸管电流有效值:(2-3)1f”2Usint、”、U1/兀一asin2a、詔:()2d)=冷rnr)功率因数:44叙尊本科生课程设计（论文）44仁尊本科生课程设计(论文) .PUIU九=10=0=SUIU1011.c兀一asin2ah2兀兀(2-4)a=0时，功率因数入=1,a增大,输入电流滞后于电压且畸变，入降低。2.2.2方案二阻感性负载采用阻感性负载，电路由电阻、电感和两个晶闸管反并联组成。(1)原理分析图2.3为带阻感负载的单相交流调压电路图及其波形。图2.3阻感负载单相交流调压电路及其波形设负

14、载的阻抗角为(p=arctan(wL/R)。如果用导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流应是正弦波，其相位滞后于电源电压u1的角度为。在用晶闸管控制时，由于只能通过出发延迟角a推迟晶闸管的导通，所以晶闸管的触发脉冲应在电流过零点之后，使负载电流更为滞后，而无法使其超前。为了方便，把a=0的时刻仍定义在电源电压过零的时刻，显然，阻感负载下稳态时a的移相范围为WaWn。但a时，电路并非不能工作，后面第三小节会分析此种情况。（2）计算与分析当在3t二a时刻开通晶闸管VT1,负载电流应满足如下微分方程式和初始条件:Lo+Ri二sinotdto1iI二0oot=a解方程得：(2-5)J2Ui=isin(o

15、t甲)一sin(a-q)etanoZaota+0(2-6)式中，z=、汉2+（ol）2；e为晶闸管导通角。利用边界条件：ot=a+0时i=0，可求得:o亠sin(a+0-p)=sin(a-p)etan(27)以为参变量，利用上式可以把a和e的关系用图的一簇曲线来表示，如图2.4所示。VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180。负载电压有效值：U=丄T(兀a0=U+sin2a-sin(2a+20)1兀兀(28)180140100602002060100140180a/()图43图2.4以a为参变量的e和a关系曲线晶闸管电流有效值为:1r2I=丄ja+edt)VT2兀aIZ-esi

16、necos(2a+申+e)莎cos申(210)负载电流有效值：I=、辽1oT设晶闸管电流I的标么值为：VT(211)则可绘出I和a的关系曲线，如图2.5所示。VTN图2.5单相交流调压电路为参变量时I和a的关系曲线VTNa的情况，如前图2.4所示，a越小，0越大；a继续减小到a时，触发VT1,贝0VT1的导通时间将超过n。因为VT1提前导通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过n。触发VT2时，i0尚未过零，VT1仍导通，VT2不通；i0过零后，VT2开通，VT2导通角小于n,过渡过程和带RL负载的单相交流电路在st=(a0)时合闸的过渡过程相同，i0由两个分量组成：正弦44仁尊本科生

17、课程设计（论文）44仁尊本科生课程设计（论文） #稳态分量、指数衰减分量。衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长，其稳态的工作情况和a=时完全相同a时工作波形如图2.6所示。UT2图2.6a时阻感图4载交流调压电路工作波形从方案一可以看出，随着a角的增大，U0逐渐减少。当a二n时，U0=0。因此,单相交流调压器对于电压负载，其电压可调范围为0U1,控制角a移相范围为0n。负载电流基波和各次谐波有效值是随着谐波次数n的增加，谐波含量减少。从方案二可以看出，在电感负载时，要实现交流调压的目的，最小控制角a=（负载功率因素角），所以a的移相范围为180。负载电流基波和各次谐波有效值是随

18、着谐波次数n的增加，谐波含量减少，并且阻感性负载电流谐波相对少些。综合两种方案：电阻性负载和阻感性负载都具有调压功能，都能调压到设计电压调压范围内，但是电阻性负载谐波电流含量要多些。当a相同时，阻感负载阻抗角增大，谐波含量也有所减少。考虑到性能指标、输出电压的稳定性、对电网的影响，所以选择方案二阻感性负载。44叙尊本科生课程设计（论文）44叙尊本科生课程设计（论文）本科生课程设计（论文） # 4纟劈2.3主电路设计电路为工频50HZ,220V交流电输入，负载为R=10Q,L=2mH的阻感负载。故主电路图如下图：-mmR14:(212)Z=R2+(oL)2=10此单相交流调压电路的负载阻抗角为:

19、申=arctan(罟)=耐琐20002)=3.59。10(2-13)VTN由图2.5知，cp一定时，a越小，I越大，即I越大。当a时，I不VTNVT变，为最大值0.5。故可求出晶闸管电流有效值I的最大值：VT(2-14)=Ix_=15.56AVTVTNZ晶闸管的额定电流为:(1.52)xIVT1.57(1.52)x15.56137=14.8719.82A(215)晶闸管承受的最大反向电压为:(2-16)V2U1=41x220=311.1V所以考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为:U=(23)x311.1=622.16933.24VN(217)因此，依据以上参数选择晶闸管，比如，可以选用额定电压为8

20、00V，额定电流为20A的晶闸管。2.4调功电路的设计以上的设计都是以交流调压为基础。交流调功电路与调压完全相同，只是本次设计条件中调功电路带电阻性负载R=4Q。故电路中应将阻感性负载改为电阻性负载。参数计算时，调功电路是以周期为单位控制的。故在晶闸管导通的周期内a=。又有Z=4Q，=，此时Sn仍为05,故:VTN22+：-1-TR3E弊S舍灵Lftm农县UJUJ7-S七EWHB?二X9S七LW13!?POclIW1.57IKRT(AV)式中：I晶闸管通态电流平均值，I快速熔断器的熔体额定电流。T(AV)KR算得1.571二ITV二194.4A。所以选取额定电流大于等于194.4A的快速T(A

21、V)TV熔断器。2.6.4保护电路图将快速熔断器和RC阻容保护电路放入电路中:2.7调功电路分析0.3FC3TF1A-uTEm-1A-订时：-U2图2.13保护电路图44紐尊本科生课程设计（论文）44紐尊本科生课程设计（论文） # 通常控制晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零的时刻，即过零调功控制。这样，在交流电源接通期间，负载电源电压都是正弦波，因此不对电网电压电流造成通常意义上的谐波污染，不会产生各种高次谐波污染电网。（1）原理分析令控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后MN个周期关断。当M=3、N=2时的电路波形如图2.14所示。图2.14交流调功电路典型波形（M=3、M=2）

22、负载电压和负载电流（也即电源电流）的重复周期为M倍电源周期。在负载为电阻时，负载电流波形和负载电压波形相同。以控制周期为基准，对图2.14的波形进行傅里叶分析，可以得到图2.15所示电流频谱图。图中In为n次谐波有效值，Ion为导通时电路电流幅值。第3章仿真模型、仿真波形及其分析44仁尊本科生课程设计（论文）44仁尊本科生课程设计（论文）由于proteus中不包含KJ004此元器件，故米用其它方法仿真。用MATLAB中的Simulink，不涉及具体的元器件型号的选用，仿真简单。现用Simulink仿真单相交流调压电路。交流电源、两个晶闸管反向并联、阻感性负载即构成了主电路，再给两个晶闸管分别提

23、供触发脉冲。为了观察波形，在电源两端、负载两端加上电压表，主电路中接入电流表，再将各表的输出导入示波器，同时还要观察两个触发脉冲的波形。仿真连线图如下：Pul&eGEnefatofflDetailEdThyristar60-Gune-ntWEaaurefnEnteasurenentZ*D-ACVcltafleSiiESRLCBrardi:+V口-Vc-ltsgEM&a=.LrErnEn11DetailEdThyristod1Q-Scccb卩辰G-En-sratcr图3.1MATLAB仿真连线图仿真前，要设定好元器件的参数。将题目条件中交流调压电路阻感负载的阻抗代入，交流电源的频率设为50HZ，

24、触发脉冲的频率要和电源一样，故设其周期为0.02s，幅值设为12，脉冲宽度设为5%，这里设触发时间一个为0.005s，个为0.015s,即触发角a为90。其仿真波形如图16所示。根据示波器输入端口的顺序，波形图分别表示：电源电压、负载电压、负载电流、正相触发脉冲、负相触发脉冲。44仁尊本科生课程设计（论文）44仁尊本科生课程设计（论文） 图3.2MATLAB仿真波形图第4章课程设计总结此次课程设计，大大深了我电力电子技术的理解。在这次设计中，我学到了很多课本上没有的，以及平时被我们所忽视的东西。平时在上完课后认为对老师所讲的东西都很理解，但是在真正自己设计程序时却无从下手。不能清晰的理解理论知识，就不能在实际实践中熟练的应用。不仅是理论知识的理解，在此次课程设计后，我对很多电子器件有了更深入的理解，比如晶闸管在电路中的应用，集成触发芯片kj004的功能和应用。在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、完成一个电路的设计。在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了单相交流调压电路的原理以及触发电路的设计。当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相