课设 (3单相交流调压电路(1000W)

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术课程设计（论文）电力电子技术课程设计（论文）题目：题目：单相交流调压电路（单相交流调压电路（1000W）院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号号 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间： 2014.6.9至至2014.6.22 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）课程设计（论文）报告的内容及其文本格式课程设计（论文）报告的内容及其文本格式1、课程设计（论文）报告要求用 A4 纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括：封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名

2、、起止时间等）设计(论文)任务及评语中文摘要 （黑体小二，居中，不少于 200 字）目录正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等）参考文献2、课程设计（论文）正文参考字数：2000 字周数。3、封面格式4、设计（论文）任务及评语格式5、目录格式标题“目录”（小二号、黑体、居中）章标题（小四号字、黑体、居左）节标题（小四号字、宋体）页码（小四号字、宋体、居右）6、正文格式页边距：上 2.5cm，下 2.5cm，左 3cm，右 2.5cm，页眉 1.5cm，页脚 1.75cm，左侧装订；字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文字，小四号字、宋体；行距

3、：20 磅行距；页码：底部居中，五号、黑体；7、参考文献格式标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。示例：（五号宋体）期刊类：序号作者 1,作者 2,作者 n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:页次.图书类：序号作者 1,作者 2,作者 n.书名.版本.出版地:出版社，出版年:页次.本科生课程设计（论文）IV课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）： 教研室： 电气教研室注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目单相交流调压电路（单相交流调压电路（1000W）课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能

4、、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能：实现功能：利用晶闸管构成交流调压电路，对电加热设备、白炽灯、卤钨灯、电风扇灯等进行平滑的调温、调光、调速。技术参数：技术参数：1、交流电源：单相 220V。2、输出电压在 0220V 连续可调。3、输出电流最大值 5A。4、负载为电阻负载或阻感负载。5、根据实际工作情况，最小控制角取 20300左右。设计任务：设计任务：1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、通过计算选择器件的具体型号。4、触发电路设计。5、绘制相关电路图。6、完成 4000 字左右说明书。要求：要求：1、1、文字在 4000 字左右。2、2、文中的理论分析

5、与计算要正确。3、3、文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。进度计划第 1 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：触发电路设计；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：答辩指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）V摘 要电力电子技术是以电能变换为控制对象的电子技术，是弱电玉强电的桥梁，它的主要任务是对电能进行控制和变换，由于电力电子技术迅速发展，应用领域在不断扩大，电力电子技术变得越来越

6、重要。本设计所做的是单相交流调压电路，此设计主要由主电路、触发电路（控制电路） ，及保护电路组成，介绍开发交流调压电路的背景及其技术概况, 叙述了交流调压电路的基本原理, 并叙述其电路装置的设计思路和设计结果, 最后表明该实验装置性能可靠, 符合项目要求。关键词：电力电子技术；交流调压；本科生课程设计（论文）VI目 录第 1 章 绪论 .11.1 电力电子技术概况 .11.2 本文研究内容 .2第 2 章 单相交流调压电路设计 .32.1 单相交流调压电路总体设计方案 .32.2 具体电路设计 .32.2.1 主电路设计.32.2.2 控制设计.82.2.3 保护电路设计.92.2.4 过电流

7、保护.112.2.5 缓冲电路.122.3 元器件型号选择.132.4 系统调试或仿真、数据分析 .14第 3 章 课程设计总结 .16参考文献 .17本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 电力电子技术概况 电力电子线路的基本形式之一，即交流交流变换电路，它是将一种形式的交流电能变换成另一种形式交流电能电路。在进行交流交流换流时，可以改变交流电的电压、电流、频率或相位等。其中，只改变电压、电流，而不改变交流频率的电路成为交流交流电力控制电路，包括交流调压电路，交流调功电路，交流电力电子开关等；在改变电压电流的同时，不需要改变其频率的交流交流变频电路成为交交变频电路，即直接把一种频率的

8、交流变频变换成另一种频率或可变的交流。因此，也称为直接变频电路。另外，还有一种交直交交变频电路。先将交流整流成直流，再将直流经无缘逆变电路变换成频率可变的交流电能，这种带有中间直流环节的变频电路也称为间接变频电路。 用晶闸管组成的交流调压控制电路，可以方便的调节输出电压有效值，可用于电炉控温、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的这种方法。采用这种方法，可使变压器二次侧的整流装置避免采用晶闸管，只需要二极管，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，它的体积和重量都小的多，交流调压

9、器的输出仍是交流电压，他不是正弦波，其谐波分量较大，功率因数也较低。本科生课程设计（论文）21.2 本文研究内容单相交流调压电路是对单相交流电的电压进行调节的电路，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，可方便的调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。 本文研究的交流调压电路主要应用在电热控制、交流电动机速度控制、交流稳压器等场合，主要有灯光调节（如调光台灯、舞台灯光控制等） ，温度调节（如工频加热、感应加热、需控制的家用电器等） ，泵及风机等异步电动机的软启

10、动，交流电机的调压调速（如纺织、造纸、冶金等领域的调压调速） ，随电动机负载大小自动调节（对于起动机等有较长时间空载或轻载的负荷，自动调节可节省电能） ，变压器初级调节（在高压小电流或低压大电流直流电源中，如采用晶闸管相孔整流电路，需要很多晶闸管串联或并联，若采用交流调压电路在变压器初级调压，其电压电流值都比较合理，在变压器次级只要用二极管整流即可，从而达到减少体积、降低成本的目的） 。本科生课程设计（论文）3 第 2 章 单相交流调压电路设计2.1 单相交流调压电路总体设计方案 此单相交流调压电路由主电路、触发电路及保护电路组成，触发电路由集成触发器组成，用来触发晶闸管的导通来实现主电路的正

11、常工作，其中的保护电路主要是对晶闸管的过流及过压保护。晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通，交流电源电压为220V。 触发电路 交流电压主电路 输出电流 保护电路 图 2.1 单相交流调压电路结构图本科生课程设计（论文）42.2 具体电路设计2.2.1 主电路设计电感性负载(a)(a)电路图电路图（b b）工作波形图（）工作波形图（工作情况）交流调压电路可以带电阻性负载，也可以带电感性负载，如感应电动机或其本科生课程设计（论文）5它电阻电感混合负载等。由于感性负载本身滞后于电压一定角度，再加上相位控制产生的滞后，使得交流调压电路在感性负载下大的

12、工作情况更为复杂，其输出电压、电流波形与控制角、负载阻抗角都有关系。其中负载阻抗角,相当于在电阻电感负载上加上纯正弦交流电压时，其电流滞后)arctan(RwL于电压的角度为。为了更好的分析单相交流调压电路在感性负载下的工作情况，此处分三种工作情况分别进行讨论。,（1）工作情况上图所示为单相反并联交流调压电路带感性负载时的电路图，以及在控制角触发导通时的输出波形图，同电阻负载一样，在的正半周角时，触发导通，iuiT输出电压等于电源电压，电流波形从 0 开始上升。由于是感性负载，电流ouoi滞后于电压，当电压达到过零点时电流不为 0，之后继续下降，输出电压oiouoi出现负值，直到电流下降到 0

13、 时，自然关断，输出电压等于 0，正半周结束，ou1T期间电流从 0 开始上升到再次下降到 0 这段区间称为导通角。由后面的分析oi0可知，在工况下，因此在脉冲到来之前已关断，正负电流不连1802T1T续。在电源的负半周导通，工作原理与正半周相同，在断续期间，晶闸管两2Toi端电压波形如（b）图所示。为了分析负载电流的表达式及导通角与、之间的关系，假设电压坐oi标原点如图所示，在时刻晶闸管 T 导通，负载电流 i 应满足方程t10L=sin0RiddtioiuiU2t其初始条件为 i |=0,0t解该方程，可以得出负载电流 i 在区间内的表达式为0t i =.0)sin()sin()(2tan

14、/ )(2tietLRU当=时，i =0，代入上式得，可求出与、之间的关系为t0sin（-）=sin（-）etan/ 利用上式，可以把与、之间的关系用下图的一簇曲线来表示。本科生课程设计（论文）6图中以为参变量，当=0 时代表电阻性负载，此时=180 -；若为某0一特定角度，则当时，=180 ，当时，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 、Oo晶闸管电流有效值 I 分别为TU =Uoi)22sin(2sinI =2I0maxoIT*I = IT2maxoIT*式中，I为当=0 时，负载电流的最大有效值，其值为maxoI=maxo22)( lRUi

15、为晶闸管有效值的标玄值，其值为IT*=IT*cos2)2cos(sin2有上式可以看出，是及的函数下图给出了以负载阻抗角为参变量时，IT*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 。晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线。0T本科生课程设计（论文）7（2）= 工作情况当控制角=时，负载电流 i 的表达式中的第二项为零，相当于滞后电源0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，T01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20输入输出直接相连，输出电压及电流连续，无调压作用。= =工作

16、情况下的输出波形工作情况下的输出波形（3）工作情况在工况下，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，本科生课程设计（论文）8公式右端小于 0，只有当时左端才能小于 0，因此，如180)(180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wt1T大于 180 ，在负半周时刻为发出出发脉冲时，还未关断，因)(wt2T1T2T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1T)(wt1T2T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2Gu2T1T形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情

17、况，始终为单一方向，在电路中产生0i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。窄脉冲触发方式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180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。 2.2.2 控制设计 晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通，广义上讲，晶闸管触发电路往往还会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以下环节：1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管

18、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）脉冲触发应有足够的幅度，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路的35 倍，脉冲前沿的陡度也会增加，一般需达 1-2A/us; 3)所提供的触发脉冲本科生课程设计（论文）9应不超过晶闸管门极的电压、电流、和额定功率，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内； 4）应有抗干扰性能、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。驱动电路图如下图所示： 图 2.3 触发电路图 KC05 触发芯片具有锯齿波线性好，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

19、，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。2.2.3 保护电路设计 在电路中由于过电压、过电流或者其他原因会引起整个电路或者其内电器元件的冲击与破坏，造成危险，因此要加一定的保护措施，保护电路成了在设计电路时不可或缺的一部分。在电力电子中常出现的保护电路有过电压保护电路，过电流保护电

20、路，du/dt 及 di/dt 保护电路。（1）过电压保护：所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压 Um 都称为过电压，可采用阀侧浪涌过电压抑制 RC 电路来防止电路过压，其电路图见图 4-1 。如果电路中出现过电压现象，因 C1 两端电压不能发生突变，从而保护了晶闸管 VT1、VT2 达到电路过电压保护的目的。电容 C 的耐压应大于正常工作时晶闸管两端电压峰值的 1.5 倍。电阻 R 一般取 R=10-30。在实际应用中可按经验数据选取表 2晶闸管额定电流10 20 100 200 500 1000电容/F0.1 0.150.250.5 12本科

21、生课程设计（论文）10电阻/100 80 20 10 52由主电路的分析可知流过晶闸管的电流不超过 10A，所以我们可以选择 RC 电路中的 R 和 C 分别为 100、0.1uF 450V。（2）过电压的产生 电力电子装置中可能发生地过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要包括操作过电压与雷击过电压；内因过电压内因过电压主要包括换相过电压与关断过电压。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。 3）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

22、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。 4）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

23、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本科生课程设计（论文）11 （3）过电压抑制措施在抑制过电压的措施中，采用 RC 过电压抑制电路是最为常见的。其典型连接方式如下图： 图 2.4 过电压保护电路 2.2.4 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（见图 4-2） 。目前常用的快熔

24、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。本科生课程设计（论文）12如上图所示， R7、C

25、3为阻容滤波器， R8、C4为晶闸管的过电压保护，快速熔断器是晶闸管的过电流保护。 2.2.5 缓冲电路 缓冲电路又称吸收电路。其作用是抑制电力电子期间的内因过电压、du/dt 或者过电流 di/dt,减少器件爱你的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为 du/dt 抑制电路，用于吸收其器件的关断过电压和换相过电压，抑制 du/dt,减少器件的开通损耗。可将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，称其为复合缓冲电路，还可以用列外的分类方法：缓冲电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上，则称其为耗能式缓冲电路；如果缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或者电源，则

26、称其为馈能式缓冲电路，或称为无损耗吸收电路。如无特殊要求或说明，通常缓冲电路专指关断缓冲电路，而将开通缓冲电路叫做 di/dt 抑制电路，电路图如下： 本科生课程设计（论文）13 图 2.6 di/dt 抑制电路 通过以上分析可知在此要求的交流调压电路中，只需要对晶闸管进行过电压保护及过电流保护即可，此设计电路中，过电压保护采用就是 RC 过电压抑制电路，过电流保护采用的是快速熔断器。2.3 元器件型号选择编号元器件名称符号数量备注1电阻R102电容C53电感L34二极管D75晶闸管VT56变压器T2本科生课程设计（论文）147电源（含 15V 供电电源)源）Vcc38可调电阻Rp29触发芯片

27、CK05110开关管Kg211高频功率管G212开关K213导线若干14地线12.4 系统调试或仿真、数据分析 单相交流数据分析：根据设计要求，控制角为取 30 度，交流电源为220V，L,R 足够大，在单相交流调压电路原理图中，晶闸管 VT1 和 VT2 也可以用一个双向晶闸管代替，在交流电源的正半周和负半周，分别对 VT1和 VT2 的开通角进行控制就可以调节输出电压。正负半周起始时刻（=0）均为过零时刻，在稳态情况下应是正负半周的相等，可以看出，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流和负载电压的波形相同。首先设定R=100。则： =201.87V =2.02A 202211( 2s

28、in)()sin(2 )2Uut dtu 00UIR2222sin11sin2()()(1)222VTutuIdtRR 本科生课程设计（论文）15 =1.43A=0.961流过晶闸管的电流为： IVT(AV)=IVT/1.57=0.91A加到晶闸管两端的最大电压为： UVT =2220V=311.08v根据晶闸管选择原理，额定电压值是实际工作最大电压的 23 倍，晶闸管额定电流时正常工作时流过晶闸管通态平均电流的 1.52 倍额定电压： Ue=(23)311.08=800V额定电流： Ie=(1.52) 0.91=1.5A 1sin22PS本科生课程设计（论文）16第 3 章 课程设计总结这次