(毕业论文)单相交流调压电路设计.doc

电气与电子信息工程学院 电气传动控制系统课程设计设计题目：单 相 交 流 调 压 电 路 设 计 专业班级： 电气工程及其自动化2008（1）班 学号： 姓 名： 指导教师： 设计时间： 设计地点： 电气学院电气自动化教研室 电力电子课程设计成绩评定表姓 名学号专业班级课程设计题目：单相交流调压电路设计 课程设计答辩记录：1、在系统中是使用单结晶体管和负阻二极管的好处？答：当年时兴用单结晶体管，是负阻器件，现在流行类似的负阻二极管，在节能灯电路里面就很常见啊，前者同步控制容易，能直接输出触发脉冲给可控硅，耦合简便。2、在实际电路工作的过程中控制角为多少？答：通过实验可以验证出验证角在2030左右，因为这个控制角可以是管子导通相互交替导通度最适合。成绩评定及依据：1. 课程设计考勤情况（20%）：2. 课程设计答辩情况（30%）：3. 完成设计任务报告规范性（50%，其中直流系统部分占60%，交流部分占40%）：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）： 指导教师签字： 2010 年 12 月20日电力电子课程设计课程设计任务书 2011 2012 学年 第1学期学生姓名： 林飞 专业班级：电气工程及其自动化2008（1）指导教师：南光群、黄松柏 工作部门：电气学院电气自动化教研室 一、课程设计题目： 单相交流调压电路设计二、课程设计内容 1. 根据具体设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整； 2. 学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数； 3. 编写设计说明书，参考毕业设计论文格式撰写设计报告（5000字以上）。注：详细要求和技术指标见附录。三、进度安排1时间安排序 号内 容学时安排（天）1方案论证和系统设计12主电路设计13保护电路设计14驱动电路设计15设计答辩1合 计5设计指导答辩地点：电力电子室2执行要求电力电子课程设计共9个选题，每组不得超过6人，要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。四、基本要求一、设计要求：1、电源电压：交流220V/50Hz；2、输出功率：500W；3、移相范围：0180；4、负载自拟。二、设计内容：1、参数设定与计算；2、晶闸管电流、电压额定的选择；3、触发电路的设计；4、保护电路的设计；5、画出完整的主电路原理图和控制电路原理图；6、列出主电路所用元器件的明细表。五、课程设计考核办法与成绩评定根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。评定项目基本内涵分值设计过程考勤、自行设计、按进度完成任务等情况20分设计报告完成设计任务、报告规范性等情况50分答 辩回答问题情况30分90100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格指导教师：南光群、黄松柏2011年10月8日 教研室主任签名：胡学芝2011年10 月9日目 录 第一章 前言2 第二章 单相调压电路设计任务及要求3 2.1 设计任务及要求.3 2.2 设计方案选择3 第三章 单向调压电路单元电路的设计和主要元器件说明.43. 1 单元电路的设计.4 3.1.1主电路的设计4 3. 2 主要元器件说明及功能模块.4第四章 驱动电路的设计5 4. 1 晶闸管对触发电路的要求.54.1.1触发信号的种类.5 4.1.2触发电路的要求.54. 2 触发电路.5 4.2.1单结晶体管的工作原理.5 4.2.2单结晶体管触发电路.5 4.2.3单结晶体管自激震荡电路.54.2.4同步电源.5第五章 保护电路的设计6 5.1过电压保护.7 5.2过电流保护.8第六章 单相调压电路主电路的原理分析和各主要元器件的选择9 61 主电路原理分析.9 62 各主要元器件的选择.12 6.3元器列表.13 第七章 仿真软件 7.1仿真软件的介绍.14 7.2仿真模型、仿真波形及其分析.14 总结与参考文献.15附录 电路图16 第一章 前 言交流变换电路是指把交流电能的参数幅值、频率、相位加以转变的电路。根据变换参数的不同交流变换电路可分为交流电力控制电路和交-交变频电路。通过控制晶闸管在每一个电源周期内导通角的大小相位控制来调节输出电压的大小可实现交流调压。它主要由调压电路、控制电路组成。 根据结构的不同交流调压电路有单相电压控制器和三相电压控制器两种。单相交流调压电路根据负载性质的不同分为电阻性负载和阻感性负载电阻性负载的控制角的移向范围为0阻感性负载的控制角的移向范围为1800。 随着电力电子的飞速发展交流调压电路广泛应用于电炉的温度控制、灯光调节、异步电动机软起动和调速等场合也可以用作调节整流变压器一次电压。对调压输出波形质量主要是谐波含量要低。 第二章 单相调压电路设计任务及要求2.1 设计任务及要求 （1）设计任务 1、根据课题正确选择电路形式 2、绘制完整电气原理图包括主要电气控制部分 3、详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元器件值 （2）设计要求 1 负载要求 负载为感性负载,L=700mH,R=500欧姆。 2 技术要求 (1) 电网供电电压为单相220V。 (2) 电网电压波动为+5%-10%。 (3) 输出电压为0100V。 2.2 设计方案选择 由于题目要求输出电压范围为0100V，所以方案可选用电阻性负载或阻感性负载。 方案一:采用电阻性负载电路由电阻和两个晶闸管反并联组成，负载电压有效值式中U1为输入交流电压的有效值。可以看出，随着角的增大，U0逐渐减少。当=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控制角移相范围为0。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。 方案二: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负载电压有效值随角的增大，U0逐渐增大。在电感负载时，要实现交流电压的目的，则最小控制角=负载功率因素角，所以的移相范围为180。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，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。 第三章 单相调压电路单元电路的设计和主要元器件说明3.1 单元电路的设计 3.1.1 主电路的设计 电路采用单相交流调压器带阻感负载时的电路图如图3.1所示，在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管T1、T2相连。 图3.1 带阻感负载单相交流调压电路 3.2 主要元器件说明及功能模块 电路采用交流电源供电，T1、T2为两个反并联的晶闸管，R为电阻，L为电感。 输入电网电压，通过主电路的控制交流输出，驱动电路控制电力电子器件的通断。原理框图如图21所示。 本次设计中，总体电路由驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路构成，由负载输出。主电路主要是两个反并联的晶闸管串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制根据方案分析结果电路采用阻感性负载 。图21 原理框图第四章 驱动电路的设计4.1 晶闸管对触发电路的要求 4.1.1 触发信号的种类 晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当正向电压、电流信号(触发信号)。门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。 (a) 直流信号 在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通。这种触发方式在实际中应用极少。因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗，在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损坏。 (b) 交流信号在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压uc=ut时，晶闸管导通。ut是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变u值，可改变触发延迟角。这种触发形式也存在许多缺点，如：在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定，可通过交流电压u。值来调节调节的变化范围较小(00900)。 (c) 脉冲信号在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。因此触发信号多采用脉冲形式。4.1.2 触发电路的要求 晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等；所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻电感性负载、反电势负载等。仅管不同的情况对触发电路的要求也不同，但其基本要求却是相同的具体如下： (a)触发信号应有足够的功率(触发电压、触发电流) 这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流值受温度影响会发生变化。例如元件温度为100时触发电流、电压值比在室温时低2-3倍元件温度为-400c时，触发电流、电压值比在室温时高2-3倍。为了使元件在各种工作条件下都能可靠地触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录，设计触发电路的输出电压、电流值，并留有一定的裕量。一般可取两倍左右的触发电流裕量而触发电压按触发电流大小来决定但应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。 (b)触发脉冲信号应有一定的宽度 普通晶闸管的导通时间一般为6s，故触发脉冲的宽度至少应有6 s以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.51ms，否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的掣住电流时，此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。 4.2 触发电路 4.2.1单结晶体管的工作原理： 单结晶体管原理单结晶体管，简称UJT，又称基极二极管，它是一种只有PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其结构符号和等效电路如图4.1所示。 图4.1 单结晶体管结构、符号、等效电路（1）单结晶体管的特性：从图4.1（c）中可以看出，两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。 Rbb=rb1+rb24.1式中：Rb1第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而变化，rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关，发射结是PN结与二极管等效。 若在两面三刀基极b2b1间加上正电压Vbb则A点电压为 VA=rb1/rb1+rb2vbb=rb1/rbbvbb=Vbb4.2 式中称为分压比其值一般在0.30.85之间如果发射极电压VE由零逐渐增加就可测得单结晶体管的伏安特性见图4.2 图4.2 单结晶体管的伏安特性 （a）当VeVbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。 （b）当VeVbb+VD VD为二极管正向压降约为0.7V，PN结正向导通。Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对应的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Ip和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然Vp=Vbb。 （c）随着发射极电流Ie的不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不再下降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压Vv和谷点电流Iv。 (d)过了V后,发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态,所以uc继续增加时,ie便缓慢的上升,显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压,如果VeVv管子重新截止。 (2)单结晶体管的主要参数 (a)基极间电阻Rbb发射极开路时,基极b1b2之间的电阻,一般为2-10千欧,其数值随温度的上升而增大。 (b)分压比由管子内部结构决定的参数一般为0.3-0.85。 (c)eb1间反向电压Vcb1 b2开路,在额定反向电压Vcb2下,基极b1与发射极e之间的反向耐压。 (d)反向电流Ieo b1开路,在额定反向电压Vcb2下,eb2间的反向电流。 (e)发射极饱和压降Veo在最大发射极额定电流时,eb1间的压降。 (f)峰点电流Ip单结晶体管刚开始导通时,发射极电压为峰点电压时的发射极电流。 4.2.2 单结晶体管触发电路 由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好,脉冲前沿徒等优点,在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。他由自激震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成,电路图如4.3(a)所示 。图4.3 单结晶体管触发电路4.2.3 单结晶体管自激震荡电路利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。从图4.3（a）可知经D1-D2整流后的直流电源UZ一路径R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压ue=uc按指数规律上升。Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。随着电容C放电，电压Ue小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充上述过程不断重复。在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us如图4.3（b）所示其震荡频率为: f=1/T=1/ReCLn(1/1-) (4.3) 式中=0.30.9是单结晶体管的分压比。即调节Re可调节振荡频率。 4.2.4同步电源 步电压又变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管DZ削波为梯形波uDZ,而削波后的最大值UZ既是同步信号,又是触发电路电源.当UDZ过零时,电容C经e-b1、R1迅速放电到零电压.这就是说,每半周开始,电容C都从零开始充电,进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻(即控制角)一致,实现同步。 4.2.5移相控制 当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角增大实现了移相。 4.2.6脉冲输出触发脉冲ug由R1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以一般采用脉冲变压器输出。第五章 保护电路的设计 较之电工产品，电力电子器件承受过压、过流的能力要弱得多，极短时间的过压和过电流就会导致器件永久性的损坏。因此电力子电路中过压和过流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施。 5.1过电压的产生与保护 电力电子装置可能的过电压有外因过电压和内因过电压两种。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程，由分闸、合闸等开关操作引起等。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程它包括： (a) 换相过电压晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。 (b) 关断过电压全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 图5.1所示是电力电子系统中常用的过电压保护方案。图中交流电源经交流断路器S送入变压器T。当雷电过电压从电网窜入时，避雷器F将对地放电，防止雷电进入变压器。C为静电感应过电压抑制电容，当交流断路器合闸时，过电压经C耦合到变压器T的二次侧，C将静电感应过电压对地短路，保护了后面的电力电子器件不受操作过电压的冲击，RC1是过电压抑制环节，当变压器T二次侧出现过电压时，过电压对C1充电，由于电容上的电压不能突变，所以RC1能抑制过电压。RC2也是过电压抑制环节电路上出现过电压时二极管导通对C2充电，过电压消失后，C2对R充电，二极管不导通，放电电流不会送入电网实现了系统的过压保护。 图中F避雷器、D变压器静电屏蔽层、C静电感应过电压抑制电容、RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路、RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路、RV压敏电阻过电压抑制器、RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路、RC4直流侧RC抑制电路、RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路、电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施属于缓冲电路范畴外因过电压抑制措施中RC过电压抑制电路最为常见典型联结方式见图5.2RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧，供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧，或电力电子电路的直流侧。大容量电力电子装置可采用图5.3所示的反向阻断式RC电路。 图5.1过电压抑制措施及配置位置图5.2 RC过电压抑制电路联结方式图5.3反向阻断式过电压抑制用RC电路5.2 过电流的产生与保护 过电流过载和短路两种情况产生 保护措施如图5.4所示： 通常，电力电子系统同时采用电子电路，快速熔断器、断路器和过电流继电器等几种过电流保护措施提高保护的可靠性和合理性。图5.4所示是电力电子系统中常用的过流保护方案。由于过电流包括过载和短路两种情况图中电子电路作为第一保护措施快速熔断器仅作为过流时部分区段的保护，当发生过流时，电子保护电路发出触发信号使SCR导通，电路短接，则熔断器快速熔断，切断供电电源。断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。无论是快速熔断器还是断路器其动作电流值一般远小于电子保护电路的动作电流整定值，其延迟的动作时间则应根据实际应用情况决定。 现在许多全控器件的集成驱动电路中能够自身检测过流状态而封锁驱动信号，实现过流保护。 图5.4过电流保护措施及配置位置第六章 单相调压电路主电路的原理分析和各主要元器件的选择6.1 主电路原理分析单相交流调压器的主电路是在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管T1、T2相连。当电源电压处于正半周时，触发T1导通，电压的正半周施加到负载上，当电源电压处于负半周时，触发T2导通，电压的负半周便施加到负载上。电压过零时，交替触发T1、T2则电源电压全部加到负载。如果关段T1、T2电源电压便不能加到负载上。因此T1、T2构成无触点交流开关。电路通过控制晶闸管在每一个电源周期内导通角的大小相位控制来调节输出电压的大小。 当电源电压反向过零时，负载电感产生感应电动势阻止电流的变化故电流不能立即为零,此时,晶闸管导通角的大小不但与控制角有关,而且与负载阻抗角有关.一个晶闸导通时,其负载电流i0的表达式为：另一个晶闸管导通时，情况完全相同，只是i0相差180，其负载电流波形如图6.1所示。 下面分、=和导通角1800,正负半波电流断续。 愈大,愈小,波形断续愈严重。负载电压的有效值oU、晶闸管电流平均值dTI、电流有效值TI以及负载电流有效值oI分别为=1800 此时,晶闸管轮流导通,相当于晶闸管被短接。负载电流处于连续状态,为完全的正弦波。 3、1800 (1) 如果采用窄脉冲触发,当T1的电流下降为零时,T2的门级脉冲已经消失而无法导通。到第二个工作周期,T1又重复第一周期工作,如图6.2所示。这样就出现了先触发的一只晶闸管导通,而另一只管子不能导通的失控现象。回路中将出现很大的直流电流分量无法维持电路的正常工作。 (2) 采用宽脉冲或脉冲列触发,以保证T1管电流下降到零时,T2管的触发脉冲信号还未消失,T2可以在T1导通后接着导通,但T2的初始导通角+-,所以使第二个晶闸管的导通角 。即可使两个晶闸管的导通角=1800达到平衡。解决失控现象。 根据上面的分析当时并采用宽脉冲触发负载电压、电流总是完整的正弦波。改变控制角,负载电压、电流的有效值不变即电路失去交流调压的作用。在电感负载时要实现交流调压的目的则最小控制角=负载的功率因素角,所以的移相范围为180。图6.1 带阻感负载单相交流调压电路图6.2 载脉冲触发时的工作波形 6.2 各主要元器件的选择 主电路晶闸管的选择 角频率 =2f (6.9) 负载阻抗z: (6.10)负载阻抗角(6.11)负载两端的最大电压为 U=100V(6.12) 根据晶闸管选择原理: 额定电压值比实际正常工作时的最大电压啊23倍,晶闸管的额定电压为晶闸管正常工作时流过晶闸管有效电流。6.3 主电路元器件列表元器件名数量元器件参数型号晶闸管2KP2-8电阻120 电感150mH第七章 仿真实验7.1 仿真软件的介绍 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) 这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成它提供了一种更快捷、直接明了的方式而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 7.2仿真模型、仿真波形及其分析 1 阻感负载下稳态式的移相范围应为。取=60。 电路波形如图5-1 图5-1电路波形图波形分析，在=60的时候方波脉冲触发上面的晶闸管导通，此时电路开始导通，负载电流电流由零开始逐渐增大，在负载电压过零后一段时间电流衰减为零。再经过一小段时间下面的晶闸管被触发导通，电流反向逐渐增大至峰值，然后再衰减至零。负载电压在晶闸管被触发导通的时侯跟随电源电压，当电源电压过零时，由于存在电感，负载电压也过零，直到晶闸管两端反向截止，负载电流为零，负载电压也为零。当负载通过电流时，负载电压再次跟随电源电压变化。（2）=90度时波形如下电路波形图5-2 图5-2电路波形此波形分析与=60度时类似。 （3）取=180度波形如下图5-3 图5-3 波形此时电流为理想的正弦波负载电压也为正弦波且超前负载电流角由此可得阻感负载下稳态时的移相范围为。 （4）如上所述阻感负载时的移相范围为。但是=8.5时，并非电路不能工作，仿真波形如下图5-4所示。 图5-4 仿真波形当时VT1和VT2的导通角均小于,且如图所示,越小,越大,=时,=。当继续减少,例如在0的某一时刻触发VT1则