单相交流调压电路的设计.doc

武汉理工大学电力电子技术课程设计报告书课程设计任务书学生姓名： 邓林杰 专业班级： 自动化0806班 指导教师： 刘芙蓉 工作单位： 自动化学院 题 目: 单相交流调压器的设计 初始条件： 技术要求：设计一单相交流晶闸管调压电路，要求用作控制从200V单相交流电源送至电阻为5、电感为15ml的串联负载电路的电压电流。要求完成的主要任务: 1、 方案设计2、 完成主电路的原理分析,各主要元器件的选择3、 触发电路的设计4、 利用matlab仿真软件建模并仿真，获取电压电流波形，依据控制角与负载阻抗角的关系，对结果进行分析5、 撰写设计说明书时间安排：1周布置题目0.5天熟悉题目、收集资料0.5天电路设计1天绘图仿真15天撰写说明书1天答辩05天指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录 1 设计任务及设计目的41.1 电路设计任务41.2 电路设计的目的42 主电路的设计52.1 主电路的原理分析52.2 主电路器件的选择53 触发电路的设计83.1 晶闸管触发电路的简单介绍83.2 晶闸管的工作原理83.3 触发电路84 总的电路图115 仿真波形125.1 触发角为0时的仿真波形125.2 触发角为30时的仿真波形135.3 触发角为60时的仿真波形145.4 触发角为90时的仿真波形155.5 触发角为120时的仿真波形165.6 触发角为150时的仿真波形176 结果分析.18心地体会 .19参考文献.20摘要本次实验的题目是单相交流调压电路的设计，主要是设计出主电路和触发电路，通过触发电路触发主电路中的反并联的晶闸管来控制负载电压电流。触发电路产生的触发脉冲的延迟角也是可以调节的，通过对它的调节来达到对输出控制的目的。在MATLAB中连接好总电路图，用示波器观察输出结果，直观方便。MATLAB这一功能强大的软件给我们带来了很多方便，让我们对于设计电路的结果分析 更加清晰明确。本次课程设计我们学到了很多知识，知道了单相交流调压电路的组成已经触发电路的结构，知道了调压的基本原理，这对我们课堂所学的知识是个巩固和加强，让我们把课堂所学的知识真实的用到实践中，亲自动手，也增强了我们的动手能力，对我们的将来的发展起到了很好的作用。关键字： 调压电路 MATLAB 示波器 Summary The subject of this experiment is single-phase AC voltage regulator circuit design, mainly to design the main circuit and trigger circuit, trigger circuit is triggered by the main circuit in the anti-parallel thyristors to control the load voltage and current.Trigger circuit generates the trigger pulse delay angle is adjustable, adjust it to achieve by the output control.In matlab the total circuit connected with the oscilloscope output, easy and intuitive.Matlab This powerful software has brought us a lot of convenience, let us analyze the results for the design of the circuit is more clear.The curriculum we learned a lot, know the composition of single-phase AC voltage regulator circuit has been triggered circuit structure, know the basic principles of the regulator, which is the knowledge we learned in the classroom is to consolidate and strengthen, so wethe knowledge learned in the classroom practice of real use, hands-on, but also enhances our ability, our future has played a good role. Keywords: trigger circuit voltage MATLAB oscilloscope 单相交流调压器的设计 1 设计任务及设计目的1.1 电路设计任务 1 方案设计 2 完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择 3 触发电路的设计 4 利用MATLAB仿真软件建模并仿真，获取电压电流波形，依据控制 角与负 载阻抗角的关系，对结果进行分析1.2 电路设计的目的 电力电子技术是我们大三下学期学的一门很重要的专业课，课本上讲了很多电路，比如各种单相整流电路，逆变电路，三相整流电路，三相逆变电路，基本斩波电路等各种电路，通过对这些电路的学习，让我们知道了如何将交流变为直流，又如何将直流变为交流。并且通过可控整流调节输出电压的有效值，以达到我们的目的。而本次单相交流调压电路的设计，我们需要用晶闸管的触发电路来实现调节输入电压的有效值，然后加到负载上。本次课程设计期间，我们自己通过在网上搜索相关的资料，到图书馆查阅书籍，以及同学之间的相互帮助，让我们学到了很多知识。通过对主电路的设计与分析，对晶闸管触发电路的设计与分析，了解了他们的工作原理，知道了该电路是如何实现所要实现的功能的，这让我们受益匪浅。通过对设计报告的撰写，电路的设计，提高了我们的能力，为我们以后的毕业设计以及今后的工作打下了坚实的基础。 2 主电路的设计2.1 主电路的原理分析 所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软启动，也用于异步电动机调速。此外，在高电压小电流或低电压大电流之流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。本次课程设计主要是研究单相交流调压电路的设计。由于交流调压电路的工作情况与负载的性质有很大的关系，本次实验对阻感负载予以重点讨论。图中的2个晶闸管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2个晶闸管的移相控制角进行控制就可以调节输出电压。单相交流调压电路的主电路图如下图 图2-1 单相交流调压主电路2.2 主电路器件的选择主电路中所用到得器件比较少，主要是200V单相交流电源，2个反并联的晶闸管，还有一个阻感负载。其中2反并联的晶闸管可用一个双相晶闸管代替，阻感负载可以用一个电阻和一个电感串联，也可以用一个串联谐振代替2个反并联的晶闸管。 晶闸管的选择：1 选择正反向电压可控硅在门极无信号，控制电流Ig为0时，在阳(A)一一阴(K)极之间加(J2)处于反向偏置，所以，器件呈高阻抗状态，称为正向阻断状态，若增大UAK而达到一定值VBO，可控硅由阻断突然转为导通，这个VBO值称为正向转折电压，这种导通是非正常导通，会减短器件的寿命。所以必须选择足够正向重复阻断峰值电压(VDRM)。在阳一一阴极之间加上反向电压时，器件的第一和第三PN结(J1和J3)处于反向偏置，呈阻断状态。当加大反向电压达到一定值VRB时可控硅的反向从阻断突然转变为导通状态，此时是反向击穿，器件会被损坏。而且VBO和VRB值随电压的重复施加而变小。在感性负载的情况下，如磁选设备的整流装置。在关断的时候会产生很高的电压( =-Ldi/dt)，如果电路上未有良好的吸收回路，此电压将会损坏可控硅器件。因此，器件也必须有足够的反向耐压VRRM。可控硅在变流器(如电机车)中工作时，必须能够以电源频率重复地经受一定的过电压而不影响其工作，所以正反向峰值电压参数VDRM、VRRM应保证在正常使用电压峰值的2-3倍以上，考虑到一些可能会出现的浪涌电压因素，在选择代用参数的时候,只能向高一档的参数选取。2 选择额定工作电流参数可控硅的额定电流是在一定条件的最大通态平均电流IT，即在环境温度为+40和规定冷却条件，器件在阻性负载的单相工频正弦半波，导通角不少于l70的电路中，当稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。而一般变流器工作时，各臂的可控硅有不均流因素。可控硅在多数的情况也不可能在170导通角上工作，通常是少于这一角度。这样就必须选用可控硅的额定电流稍大一些，一般应为其正常电流平均值的1.5-2.0倍。3 选择门极(控制级)参数可控硅门极施加控制信号使它由阻断变成导通需经历一段时间，这段时问称开通时间tgt，它是由延迟时间td和上升时间tx组成，tr是从门极电流脉冲前沿的某一规定起(比如门极电流上升到终值的90时起)到通态阳极电流IA达到终值的10那瞬为止的时间隔，tr是阳极电流从l0上升到90所经历的时间。可见开通时间tgt与可控硅门极的可触发电压、电流有关，与可控硅结温，开通前阳极电压、开通后阳极电流有关，普通可控硅的tgt10s以下。在外电路回路电感较大时可达几十甚至几百s以上(阳极电流的上升慢)。在选用可控硅时，特别是在有串并联使用时，应尽量选择门极触发特征接近的可控硅用在同一设备上，特别是用在同一臂的串或并联位置上。这样可以提高设备运行的可靠性和使用寿命。如果触发特性相差太大的可控硅在串联运行时将引起正向电压无法平均分配，使tgt较长的可控硅管受损，并联运行时tgt较短的可控硅管将分配更大的电流而受损，这对可控硅器件是不利的。所以同一臂上串或并联的可控硅触发电压、触发电流要尽量一致，也就是配对使用。在不允许可控硅有受干扰而误导通的设备中，如电机调速等，可选择门极触发电压、电流稍大一些的管子(如可触发电压VGT2V,可触发电流IGT：150mA)以保证不出现误导通，在触发脉冲功率强的电路中也可选择触发电压、电流稍大一点的管。在磁选矿设备中，特别是旧的窄脉冲触发电路中，可选择一些VG、IG低一些的管子，如VGT13V。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。触发电路图如图3-2 图3-2 KC05移相触发器构成的触发电路4 总的电路图 本次设计的总的电路图如图4-1所示 图4-1 总电路图主电路其实是比较简单的，一个均值为200V的电压源，2个反并联的晶闸管，还有一个阻感负载。触发电路的设计相对复杂，不过其实触发电路产生的触发信号也可以用2个脉冲波代替，脉冲的周期与电源的周期相同，但是2个脉冲要错开半个周期的时间，也就是0.01秒。5 仿真波形 测量电路用了2个电压表，一个电流表，配合示波器来测量，仿真结果中，第一个波形显示的是电压源的波形，第二个和第三个分别是两个晶闸管的触发脉冲，第四个波形是负载电流的波形，第五个是负载电压的波形。定义触发角a：a =0表示VT1触发脉冲不延迟。a=30表示VT1触发脉冲延迟0.0017秒。a=60表示VT1触发脉冲延迟0.0033秒。a=90表示VT1触发脉冲延迟0.0050秒。a=120表示VT1触发脉冲延迟0.0067秒。a=150表示VT1触发脉冲延迟0.0083秒。5.1 触发角为0时的仿真波形仿真结果如下图所示 图5-1 触发角为0时的仿真波形5.2 触发角为30时的仿真波形仿真结果如下图所示 图5-2 触发角为30时的仿真波形从图中可以发现，当触发脉冲延迟0.0017秒来的时候，也就是当触发角为30的时候，输出电压也就是负载的电压也会延迟一定的时间出现，触发电路产生的触发脉冲的延迟角度跟负载阻抗有一定的关系，可以将他们之间的关系对比结果进行分析，看理论是实际是否吻合。5.3 触发角为60时的仿真波形仿真结果如下图所示 图5-3 触发角为60时的仿真波形从图中可以发现，当触发脉冲延迟0.0033秒来的时候，也就是当触发角为60的时候，输出电压也就是负载的电压也会延迟一定的时间出现，触发电路产生的触发脉冲的延迟角度跟负载阻抗有一定的关系，可以将他们之间的关系对比结果进行分析，看理论是实际是否吻合。5.4 触发角为90时的仿真波形仿真结果如下图所示 图5-4 触发角为90时的仿真波形从图中可以发现，当触发脉冲延迟0.0050秒来的时候，也就是当触发角为90的时候，输出电压也就是负载的电压也会延迟一定的时间出现，触发电路产生的触发脉冲的延迟角度跟负载阻抗有一定的关系，可以将他们之间的关系对比结果进行分析，看理论是实际是否吻合。5.5 触发角为120时的仿真波形仿真结果如下图所示 图5-5 触发角为120时的仿真波形从图中可以发现，当触发脉冲延迟0.0067秒来的时候，也就是当触发角为120的时候，输出电压也就是负载的电压也会延迟一定的时间出现，触发电路产生的触发脉冲的延迟角度跟负载阻抗有一定的关系，可以将他们之间的关系对比结果进行分析，看理论是实际是否吻合。5.6 触发角为150时的仿真波形仿真结果如下图所示 图5-6 触发角为150时的仿真波形从图中可以发现，当触发脉冲延迟0.0083秒来的时候，也就是当触发角为150的时候，输出电压也就是负载的电压也会延迟一定的时间出现，触发电路产生的触发脉冲的延迟角度跟负载阻抗有一定的关系，可以将他们之间的关系对比结果进行分析，看理论是实际是否吻合。6 结果分析 在用晶闸管控制时，由于只能通过触发延迟角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。阻感负载下稳态时a的移向范围为。但时，并非电路不路不能工作，当，VT1和VT2的导通角均小于，a越小，愈大，时，=，当a继续减小，例如在的某一时刻触发VT1，则VT1的导通时间将超过。到时刻触发VT2时，负载电流i0尚未过零，VT1仍在导通，VT2不会开通，知道i0过零后，如VT2的触发脉冲有足够的宽度二尚未消失，VT2就会导通。因为，VT1提前开通，负载L被过充电，其放电时间也将延长，使得VT1结束导电时刻大于，并使VT2推迟开通，VT2的导通角当然小于。心得体会本次电力电子课程设计，我所做的题目是单相交流调压电路的设计。一开始拿到这个题目，感觉自己根本无从下手，不知道该如何去做，心里一点头绪都没有，感觉很茫然。不过这个东西不做又不行，所以开始网上查资料，翻书本，到图书馆去借书，向同学请教，通过各种途径去尽量了解有关我的题目的信息。在网上其实搜索到得有类似的课程设计，我把它作为一种参考，进行了深入的研究，希望从中能知道的课程设计该如何些。从中还是有些收获的，慢慢的，我终于知道了该如何些，心里总算有了个大概的思路。于是开始着手写起来。其实想想也的确不是那么复杂，书本上有有关的章节，而且给了具体的解释以及原理说明。首先得设计好主电路，而主电路的设计其实很简单，就一个有效值为200V的电压表，两个反并