单相交流调压调光台灯.doc

电力电子技术课程设计报告 一种家用台灯调光电源的设计指导教师： 学 生： 学 号： 专 业： 班 级：设计日期： 2011.12.262011.12.302011年12月III课程设计指导教师评定成绩表项目分值优秀(100x90)良好(90x80)中等(80x70)及格(70x60)不及格(x时，随着的增加而减小。上述电路在控制角为时，交流输出电压有效值U、负载电流有效值I、晶闸管电流有效值I分别为U=UI=2II= I式中，I为当=0时，负载电流的最大有效值，其值为I=为晶闸管有效值的标玄值，其值为=由上式可以看出，是及的函数下图给出了以负载阻抗角为参变量时，晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线。图1-6 晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线当、已知时，可由该曲线查出晶闸管电流标幺值，进而求出负载电流有效值I及晶闸管电流有效值I。（2）=情况当控制角=时，负载电流i的表达式中的第二项为零，相当于滞后电源电压角的纯正弦电流，此时导通角=180，即当正半周晶闸管T关断时，T恰好触发导通，负载电流i连续，该工况下两个晶闸管相当于两个二极管，或输入输出直接相连，输出电压及电流连续，无调压作用。图1-7=情况下的输出波形(3) 情况在工况下，阻抗角相对较大，相当于负载的电感作用较强，使得负载电流严重滞后于电压，晶闸管的导通时间较长，此时式仍然适用，由于，公式右端小于0，只有当时左端才能小于0，因此，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在时刻被触发导通，由于其导通角大于180，在负半周时刻为发出出发脉冲时，还未关断，因受反压不能导通,继续导通直到在时刻因电流过零关断时，的窄脉冲已撤除，仍然不能导通，直到下一周期再次被触发导通。这样就形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情况，始终为单一方向，在电路中产生较大的直流分量；因此为了避免这种情况发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。图1-8窄脉冲触发方式综上所述，当单相交流调压电路带感性负载时，为了可靠、有效的工作，并实现调压的目的，应使控制角的移相范围保持在之间，同时为了避免出现直流分量，晶闸管的控制脉冲应采用宽脉冲或脉冲列触发。 3.2通断控制方式与移相控制方式的比较3.2.1 通断控制方式利用通断比控制交流调压方式，其原理是采用过零触发电路，在电源电压过零时就控制双向可控硅导通和截止，即控制角为零，这样在负载上得到一个完整的正弦波，但其缺点是适用于时间常数比通断周期大的系统，如恒温器。3.2.2 移相控制方式移相控制调压利用控制触发滞后角的方法,控制输出电压。晶闸管承受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角。在有效移相范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功率因数不同而不同，电阻性负载最大,纯感性负载最小。相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。另外它还会引起电源电压畸变。为减少对电源和负载的谐波影响，可在电源侧和负载侧分别加滤波网络。4.晶闸管4.1 晶闸管的触发电路晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要要的时刻有阻断转为导通。广义上讲，晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路，但这里专指脉冲的放大和输出环节。晶闸管触发电路应满足下列要求：1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，对反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发； 2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增加为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也许增加，一般需达1-2A/us；3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；4）应有的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。根据以上要求分析，采用KC05移相触发器进行触发电路的设计。KCO5可控硅移相触发器适用于双向可控硅或两只反向并联可控硅的交流相位控制。KC05引脚图如图2所示：图2 KC05引脚图KC05触发芯片具有锯齿波形好，移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制，有失交保护，输出电流大等优点，是交流调光，调压的理想电路。KC05电路也适用于作半控或全控桥式线路的相位控制。同步电压由KC05的15、16脚输入，在TP1点可以观测到锯齿波，RP1电位器调节锯齿波的斜率，Rp2电位器调节移相角度，触发脉冲从第9脚，经脉冲变压器输出。调节电位器RP1，观察锯齿波斜率是否变化，调节RP2，可以观察输出脉冲的移相范围如何变化单相交流调压触发电路原理图如图3所示：集成块的电参数电源电压：外接直流电压+15V，允许波动5(10功能正常)。电源电流：l2mA。同步电压：l0V。同步输入端允许最大同步电流：3mA(有效值)。移相范围：l70(同步电压30V，同步输入电阻10k)。移相输入端偏置电流l0A。锯齿波幅度：78.5V。输出脉冲：a脉冲宽度：l00s2 ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。b脉冲幅度：13V。c最大输出能力：200mA(吸收脉冲电流)。d输出反压：BVceol8V(测试条件：Ie=100A允许使用环境温度：-l070。 图3 单相交流调压触发电路原理图4.2 晶闸管的保护电路4.2.1保护电路设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护也是必要的。4.2.2过电压的产生及过电压保护电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内应过电压两类。外应过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：1）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。2）关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图4所示。图4 RC阻容过电压保护电路图4.2.3 晶闸管的过电流保护熔断器FU是最简单有效的且应用最普遍的过电流保护器件。针对晶闸管热容量小、过电流能力差的特点，专门为保护大功率半导体变流元件而制造了快速熔断器，简称快熔。其熔断时间小于20ms，能保证在晶闸管损坏之前快熔切断短路故障，达到保护晶闸管的目的。目前常用的快熔有：小容量RLS(螺旋式)系列、大容量RTK（插入式）系列、RS0（汇流排式）系列、RS3系列、RSF系列等。快熔断的选择：快熔的额定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的元件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流Ir(AV)来选择，一般应小于被保护晶闸管的额定有效值1.57 Ir(AV)。即可按下式选择： 1.57 Ir(AV)IRNITM (管子实际最大电流有效值)通过上述公式我们选择熔断器为RS3-80，额定电压为250V,电流10A的快速熔断器 。 当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。图5 过电流保护电路图过电流保护电路如图5所示，其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同个电流因而被广泛使用。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速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。5. 交流调光灯电路的电路设计5.1 交流调光灯的元件一套调光灯元件名称型号数量备注电阻5102电阻15K1电阻1k1电阻1001电位器50K1管脚三角形分布电容0.22uF/63V1非电解电容电容0.01uF/630V1非电解电容二极管IN40075稳压管IN4742A1晶闸管BT1361晶体管BT331BT35也可散热片不焊接的最小的1配螺丝螺母细导线1m5.2 交流调光灯的电路图6交流调光灯的电路5.3电路的工作原理由晶闸管组成的调光电路根据晶闸管工作波形可以产生不同大小的电流，这个可以采用电阻或电感串接在电路中来改变它的工作区域。 交流调光灯电路原理图 D1、D2、D3、D4 构成整流电路，它们与R、D6、D62CW5构成了控制电路，能够控制晶闸管导通。而R3和C2起到保护晶闸管的作用。假设晶闸管导通，则其正半周期为2-D1-VT1-D4-RL-1；其负半周期是 1-RL-D2-VT1-D3-2。在整个电路中控制角越小，负载灯泡RL越亮。在无控制电路的情况下，交流电源承受正向电压。单结晶体管触发电路导通时，经整流后流经R1-D5-R6-RP3-C1；晶闸管导通后，控制电路短路；改变RP3的值可以改变电容C的充放电速度的快慢。R越大，C充电时间越长。6. 课程设计总结首先，设计过程中，我们需要查阅很多资料，书本的，网上的，等等很多资料，我们就不得不用到手边的很多工具，像图书馆还有网络检索功能等一些工具，锻炼了我们自己查资料的能力。其次，对我们提出问题，分析问题，解决问题的能力有了一定程度上的提高。对于初次做这种设计的我们来说，我们的很多能力都需要提高，尤其像这几种能力，也是在日常生活中很重要的几个方面要设计一个产品，首先就要知道他的功能，那么，我们要如何实现呢？在实现的过程中，或多或少会遇到这样那样的问题，我们就必须一个一个的分析这些问题，然后想办法去解决他。在这一系列的过程中，自然而然的就提高了我们这几方面的能力。同时呢，为了解决某些问题，这些问题很可能是我们根本就不熟悉，甚至是没有见过的问题，这样我们就需要查资料去解决，不知不觉中，又提升了查资料相关的本领。最后，通过这次电力电子课程设计，让我体会到了电力电子技术在现代工程以及生活中的广泛应用，让我们有机会用理论联系实际，用器件设计产品。让我们对电力电子器件有了更深的认识，了解了当今社会上大部分电力电子器件的规格和发展趋势，加深了我们对电力电子知识的了解和对电力电子技术的应用；这次课程设计也锻炼了我们检索资料的能力，如何更为快捷有效地利用互联网和图书馆搜索查找自己想要获取的信息，以及了解了一些对我们大学生写论文、查阅论文有帮助的网站；提高了我们撰写设计报告的能力，了解了一般设计报告的格式要求等；加深了我对电力电子这门课的重要性的认识，增强了我对这门课的兴趣和热爱，让我有更加充足的动力去学习电力电子技术!7、参考文献1 张立、赵永健.现代电力电子技术. 北京：科学出版社，