单相交流调功,调压电路正文

1、目录1概述21.1晶闸管交流调功器21.2 交流调压与调功21.3 过零触发和移相触发22系统总体方案42.1交流调功电路工作原理42.2单相交流调压工作原理53电路设计83.1 电感性负载设计83.2 工作时的设计83.3 =工作时的设计123.4工作时的设计123.5 保护电路的设计133.5.1 原理133.5.2 计算143.5.3 保护电路图153.5.4 电阻炉负载过零控制特性分析164 MATLAB仿真185电路的测试与故障分析206 总结22附录23参考文献241概述1.1晶闸管交流调功器  交流调功器：是一种以晶闸管为基础，以智能数字控制电路为核心的电源功率控制电器

2、，简称晶闸管调功器，又称可控硅调功器，可控硅调整器，可控硅调压器，晶闸管调整器，晶闸管调压器，电力调整器，电力调压器，功率控制器。具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。1.2 交流调压与调功交流调功电路的主电路和交流调压电路的形式基本相同，只是控制的方式不同，它不是采用移相控制而采用通断控制方式。交流调压是在交流电源的半个周期内作移相控制，交流调功是以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断,即负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数和断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。如图3-21所示，这种电路常用于电炉的温度控制，因为像电炉这样的控制对

3、象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的各个周期进行频繁的控制。只要大致以周波数为单位控制负载所消耗的平均功率，故称之为交流调功电路。1.3 过零触发和移相触发过零触发是在设定时间间隔内，改变晶闸管导通的周波数来实现电压或功率的控制。过零触发的主要缺点是当通断比太小时会出现低频干扰，当电网容量不够大时会出现照明闪烁、电表指针抖动等现象，通常只适用于热惯性较大的电热负载。移相触发是早期触发可控硅的触发器。它是通过调速电阻值来改变电容的充放电时间再来改变单结晶管的振荡频率，实际改变控制可控硅的触发角。早期可控可是依靠这样改变阻容移相线路来控制。所为移相就是改变可控硅的触发角大小，也叫改变可控硅

4、的初相角。故称移相触发线路。2系统总体方案2.1交流调功电路工作原理单相交流调功电路方框图如图2.1.1所示。 图2.1.1交流调功电路的主电路和交流调压电路的形式基本相同，只是控制的方式不同，它不是采用移相控制而采用通断控制方式。交流调压是在交流电源的半个周期内作移相控制，交流调功是以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断,即负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数和断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。如图2.1.2所示，这种电路常用于电炉的温度控制，因为像电炉这样的控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的各个周期进行频繁的控制。只要大致以周波数为单位控制

5、负载所消耗的平均功率，故称之为交流调功电路。 图2.1.2采用周波控制方式，使得负载电压电流的波形都是正弦波，不会对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。此外由于在BCR导通期间，负载上的电压保持为电源电压，因此若将此控制方式用于手电钻在低速下对玻璃或塑性材料进行钻孔，将非常有利。2.2单相交流调压工作原理将一种形式的交流电变成另一种形式的交流电，可以通过改变电压、电流、频率和相位等参数。只改变相位而不改变交流电频率的控制,在交流电力控制中称为交流调压。单相交流调压的典型电路如图2.2.1所示。 图2.2.1采用双向可控硅BCR（Z0409MF）取代由两个单向可控硅SCR反并联的结构形式，并利用

6、RC充放电电路和双向触发二极管DB3的特点，在每半个周波内，通过对双向可控硅的通断进行移相触发控制，可以方便地调节输出电压的有效值。由图2.2.2可见，正负半周控制角的起始时刻均为电源电压的过零时刻,且正负半周的控制角相等,可见负载两端的电压波形只是电源电压波形的一部分。在电阻性负载下,负载电流和负载电压的波形相同，角的移相范围为0, =0时,相当于可控硅一直导通, 输入电压为最大值，U0=Ui灯最亮；随着的增大，U0逐渐降低，灯的亮度也由亮变暗,直至=时，U0=0,灯熄灭。此外=0时，功率因数cos=1，随着的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，cos也逐渐降低,且对电网电压电流造成谐波污染

7、。交流调压电路已广泛用于调光控制， 图2.2.23电路设计3.1 电感性负载设计交流调压电路可以带电阻性负载，也可以带电感性负载，比如感应电动机或其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。 图3.1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，此处分为三种情况分别进行讨论。3.2 工作时的设计图3.1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

8、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，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，输出电压出现负值，直到电流下降到0时，自然关断，输出电压等于0，正半周结束，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。由后面的分析可知，在工况下，因此在脉冲到来之前已关断，正负电流不连续。在电源的负半周导通，工作原理与正半周相同，在断续期间，晶闸管两端电压波形如图3.2所示。图3.2 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

9、 L=sin其初始条件为 i|=0,解该方程，可以得出负载电流i在区间内的表达式为 当=时，i=0，代入上式得，可求出与、之间的关系为 sin（-）=sin（-）e 利用上式，可以把与、之间的关系用下图的一簇曲线来表示。图3.3 图3.3中以为参变量，当=0时代表电阻性负载，此时=180-；若为某一特定角度，则当 时，=180 ；当>时，随着的增加而减小。根据上述电路的控制角为时，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，图3.4给出了以负载阻抗

10、角为参变量时，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。图3.43.3 =工作时的设计当控制角=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3.5 3.4工作时的设计 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

11、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。3.5 保护电路的设计3.5.1 原理在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。1) 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

12、分为外因过电压和内因过电压两类。外因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：操作过电压、雷击过电压；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：换相过电压、关断过电压。过压保护的基本原则是：根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的附加电路，当达到定过压值时，自动开通附加电路，使过压通过附加电路形成通路，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。保护电路形式很多。这里主要考虑晶闸管在实际应用中一般会承受的换相过电压，故可用阻容保护电路来实现保护。当电路中出现电压尖峰时，电容两端电压不能突发的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容

13、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。阻容保护电路如图所示。2) 过电流的产生及过电流保护：引起过流的原因：当电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、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，均可引起变换器内元件的电流超过正常工作电流，即出现过流。由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此，必须对变换器进行适当的过流保护。常见的过电流保护电路有如下一些形式。图11 过电流各种保护措施及配置位置变换器的过流一般主要分为两类：过载过流和短路过流。在晶闸管变换器中，快速熔断器是应用最

14、普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。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。3.5.2 计算1) 阻容保护电路参数：RC阻容保护电路参数根据经验值来选择。电容C的选择为：电阻一般取40。2) 快速熔断器的选用原则：和普通熔断器一样要考虑快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值，熔断器(安装熔体的外

15、壳)的额定电流应大于或等于熔体额定电流值。此外，快速熔断器熔体的额定电流是指电流有效值，而晶闸管额定电流是指通态电流平均值，其有效值为1.57。故选用时要求：式中：晶闸管通态电流平均值，快速熔断器的熔体额定电流。算得1.57。所以选取额定电流大于等于194.4A的快速熔断器。3.5.3 保护电路图将快速熔断器和RC阻容保护电路放入电路中：图12 保护电路图3.5.4 电阻炉负载过零控制特性分析当负载为电阻炉的时候，由于电炉的温度是控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每一个周期进行频繁的调制，只要以周波数为单位进行控制就足够了。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

16、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。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13所示。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。 图13 交流调功电路典型波形（M=3、M=2） 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13的波形进行傅里叶分析，可以得到图14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。从图14的电流频谱图可以看出，如果以电源周期为基准，

17、电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。4 MATLAB仿真由于proteus中不包含KJ004此元器件，故采用其它方法仿真。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：图15 MATLAB仿真连线图仿真前，要设定好元器件的参数。将题目

18、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，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，一个为0.015s，即触发角为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。图16 MATLAB仿真波形图5电路的测试与故障分析选用灯泡作为实验负载，从灯泡亮、暗时段的变化，可了解交流调功电路的原理与特征。线路中双向晶闸管的触发信号由555组成振荡器，产生一个占空比可调的触发脉冲，并通过模拟门形成可靠的触发信号，其频率要

19、低于市电的频率，并可在一定的范围内调节。将DJK01电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧，是输出线电压为220V，用两根导线将220V交流电压接到DJK22的“Ui”电源输入端，按下“启动”按钮。打开交流调功电路的电源开关，用万用表测量555的电源电压，是否接近10V，之后，用示波器观测555输出端“3”的波形及4066的输出（即BCR触发信号）波形是否正常。当触发电路波形正常后关闭电源，接入负载（220V、15W灯泡），并开启交流调功电路的电源开关，调节“周波控制”电位器，观察灯泡亮暗或闪烁的变化规律。在由原555集成触发电路的基础上，又增加了4066芯片，可产生三相六路互差60

20、76;的双窄脉冲或三相六路后沿固定、前沿可调的宽脉冲链，供触发晶闸管使用。 4066的引脚功能具体如下：每个封装内部有4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。各开关间的串扰很小，典型值为50dB。再就是用到了双向可控硅BCR（Z0409MF）取代由两个单向可控硅SCR反并联的结构形式，并利用RC充放电电路和双向触发二极管DB3的特点，在

21、每半个周波内，通过对双向可控硅的通断进行移相触发控制，可以方便地调节输出电压的有效值。正负半周控制角的起始时刻均为电源电压的过零时刻,且正负半周的控制角相等,可见负载两端的电压波形只是电源电压波形的一部分。在电阻性负载下,负载电流和负载电压的波形相同，角的移相范围为0, =0时,相当于可控硅一直导通, 输入电压为最大值，U0=Ui灯最亮；随着的增大，U0逐渐降低，灯的亮度也由亮变暗,直至=时，U0=0,灯熄灭。此外=0时，功率因数cos=1，随着的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，cos也逐渐降低。6 总结通过电力电子课程设计，我真正感到了设计的不容易。在平时的实验中我没有体会到设计的辛苦与艰辛。在这次的课程设计中难题有很多。在这两周的课程设计中收获很多收益匪浅。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程通过这次课程设计我深深体会我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社