晶闸管交流调压与调功电路设计

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：晶闸管交流调压与调功电路设计晶闸管交流调压与调功电路设计 院（系）：院（系）： 工程工程技术技术学院学院 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： 本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：工程技术学院 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）题目晶闸管交流调压调功电路设计晶闸管交流调压调功电路设计课程设

2、计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、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设计晶闸管交流调压与调功电路应用于电炉温控、灯光调节、异步电动机的启动和调速等。设计任务设计任务1、方案的论证。2、主电路设计。3、控制电路设计。4、通过计算选择器件的具体型号。5、分析系统不同负载下的电流、电压波形及相控特性。6、绘制相关电路图。7、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。技术参数技术参数电源为工频380/220V，阻性负载R10,输出电压在02

3、20V连续可调。采用单相交流调压与调功主电路。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：控制电路设计；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）摘 要交流-交流变流电路，是把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，应用十分广泛。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

4、控制电路。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软启动也用于异步电动机调速。在电力系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压、电流值都比较适中，这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。关键词：晶闸管；交流调功；交流调压本科生课程设计（论文）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 晶闸管交

5、流调功与调压电路设计.32.1 调压电路原理简介.32.2 交流调压电路总体设计方案.32.2.1 方案一电阻性负载.32.2.2 方案二阻感性负载.52.3 主电路的设计.92.4 调功电路的设计.102.5 触发电路的设计.11 2.5.1 芯片介绍.11 2.5.2 触发电路图.132.6 保护电路的设计.14 2.6.1 过电压的产生及过电压保护.14 2.6.2 过电流的产生及过电流保护.14 2.6.3 计算.15 2.6.4 保护电路图.162.7 电阻炉负载过零控制特性分析.17第 3 章 仿真模型、仿真波形及其分析.19第 4 章 课程设计总结.21参考文献.22附录.23本

6、科生课程设计（论文）第 1 章 绪论1.1 电力电子技术概况电力电子学这一名词是 20 世纪 60 年代出现的，“电力电子学”和“电力电子技术”在内容上并没有很大的不同，只是分别从学术和工程技术这 2 个不同角度来称呼。电力电子学可以用图 1 的倒三角形来描述，可以认为电力电子学由电力学、电子学和控制理论这 3 个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。电力电子技术与电子学的关系是显而易见的。电子学可分为电子器件和电子电路两大部分，它们分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。从电子和电力电子的器件制造技术上进两者同根同源，从两种电路的分析方法上讲也是一致的，只是两者应用的目的不同，前者用于

7、电力变换，后者用于信息处理。电力电子技术广泛应用于电气工程中，这就是电力电子学和电力学的主要关系。电力学就是电工科学或电气 3 工程，各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电以及高性能交、直流电源等电力系统和电气工程中，因此，把电力电子技术归于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。电力电子技术的不断进步大大地推动了电气工程实现现代化的进程。控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能日益优越和完善，可以满足人们的各种需求。电力电子技术可以看作弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的强有力的纽带。此外，控制理论和自动化技术是密

8、不可分的，而电力电子装置又是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。本科生课程设计（论文）1.2 本文研究内容用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便的调节输出电压有效值。可用于电炉温控、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二极管，只需要晶闸管，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，它的体积和重量都要小得多。交流调压器的 输出仍是交流电压，它不是正弦波，其谐波分量较大，功率因数也较低。本科生课程设计（论文）第第 2 章晶闸管

9、交流调压与调功电路设计章晶闸管交流调压与调功电路设计2.1 调压原理简介交流调压电路是采用相位控制方式的交流电力控制电路，通常是将两个晶闸管反并联后串联在每相交流电源与负载之间。在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，使之导通。与相控整流电路一样，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，可以方便的调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。其晶闸管可以利用电源自然换相，无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，系统响应速度较快。其结构框图如下 2.1 所示：图 2.1 交流调压结构框图2.2 交流调压电路总体设计方案 根据项目设计的技术要求可以知道，方案可选用电阻性负载或阻感性负载。2.2.12.

10、2.1 方案一方案一电阻性负载采用电阻性负载，电路由电阻和两个晶闸管反并联组成。（1）原理分析图 2.2 为电阻负载单相交流调压电路图及其波形。图中的晶闸管 VT1 和 VT2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 VT1本科生课程设计（论文）RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt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）均为电压过零时刻，稳态时，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（也即电源电流）和负载电压的波形相同，因此通过触发延迟角 的变化就可实现输出电压的

11、控制。 2.2 电阻负载单相交流调压电路及其波形（2）计算与分析负载电压有效值： (2-1)21111( 2sin)()sin22oUUtdtU故移相范围为 0。=0 时，输出电压为最大， U0=U1。随着 的增大，U0 降低，当 = 时，U0=0。负载电流有效值： (2-2)ooUIR晶闸管电流有效值： (2-3)2112sin11sin2()()()222TUtUIdtRR本科生课程设计（论文）R湌 6 %2 O湌1湌oi u u O湌tt功率因数： (2-4)0001 011sin22U IUPSU IU=0 时, 功率因数 =1, 增大,输入电流滞后于电压且畸变, 降低。2.2.22.

12、2.2 方案二方案二阻感性负载 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。(1）原理分析图 2.3 为带阻感负载的单相交流调压电路图及其波形。设负载的阻抗角为 。如果用导线把晶闸管完全短接，稳态R)arctan(wL/ 时负载电流应是正弦波，其相位滞后于电源电压 u1 的角度为 。在用晶闸管控制时，由于只能通过出发延迟角 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。为了方便，把=0 的时刻仍定义在电源电压过零的时刻，显然，阻感负载下稳态时 的移相范围为 。但 时，电路并非不能工作，后面第三小节会分析此种情况。 本科生课程设计（论文

13、）图 2.3 阻感负载单相交流调压电路及其波形（2）计算与分析当在 t= 时刻开通晶闸管 VT1，负载电流应满足如下微分方程式和初始条件： (2-5) 12sin|0oootdiLRiUtdti解方程得： (2-6)tan12sin()sin()toUiteZ t式中，； 为晶闸管导通角。22()ZRL利用边界条件：时，可求得：t0oi （2-7）tansin()sin()e以 为参变量，利用上式可以把 和 的关系用图的一簇曲线来表示，如图 2.4 所示。VT2 导通时，上述关系完同，只是 io 极性相反，相位差 180。负载电压有效值： （2-8）2112sin1()()1sin2sin(2

14、2 )oUtUdtRU 0201006014018020100图4-360/( )180140/( )= 9075604530150本科生课程设计（论文）cos)2cos(sin2)d()sin()sin(22112tg1VTZUtetZUIt 图 2.4 以 为参变量的 和 关系曲线 晶闸管电流有效值为：负载电流有效值： （2-10）ToII2设晶闸管电流的标么值为：VTI（2-11）则可绘出和 的关系曲线，如图 2.5 所示。VTNI图 2.5 单相交流调压电路 为参变量时和 的关系曲线VTNI 的情况，如前图 2.4 所示， 越小， 越大； 继续减小到 时，触发 VT1，则 VT1 的导

15、通时间将超过 。因为 VT1 提前导通，L 被过充电，放电时间延长， VT1 的导通角超过 。触发 VT2 时， i0 尚未过零， VT1 仍导12VTNVTZIIU本科生课程设计（论文）通， VT2 不通；i0 过零后， VT2 开通， VT2 导通角小于 ，过渡过程和带 R-L负载的单相交流电路在 t = ()时合闸的过渡过程相同，i0 由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量。衰减过程中， VT1 导通时间渐短， VT2 的导通时间渐长，其稳态的工作情况和 = 时完全相同。 时工作波形如图2.6 所示。 从方案一可以看出，随着 角的增大，U0 逐渐减少。当 = 时，U0=0。因此，单相

16、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的增加，谐波含量减少。从方案二可以看出，在电感负载时，要实现交流调压的目的，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 图 2.6 时阻感负载交流调压电路工作波

17、形tttt图4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT2本科生课程设计（论文）电网的影响，所以选择方案二阻感性负载。2.3 主电路设计电路为工频 50HZ,220V 交流电输入，负载为 R10，L2mH 的阻感负载。故主电路图如下图：图 2.7 主电路图 （1）参数计算 （2-12）10)(22LRZ此单相交流调压电路的负载阻抗角为： （2-59. 3)10002. 0502arctan()arctan(RL13）由图 2.5 知，一定时，越小，越大，即越大。当时，VTNIVTI不变，为最大值 0.5。故可求出晶闸管电流有效值的最大值：VTNIVTI本科生课程设计（论文） （2-AZUIIV

18、TNVT56.152114）晶闸管的额定电流为： （2-15）AIIVTN82.1987.1457. 156.15)25 . 1 (57. 1)25 . 1 (晶闸管承受的最大反向电压为： （2-16）122220311.1UV所以考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为： （2-17）NU(23) 311.1622.16933.24V因此，依据以上参数选择晶闸管，比如，可以选用额定电压为 800V，额定电流为 20A 的晶闸管。2.4 调功电路的设计以上的设计都是以交流调压为基础。交流调功电路与调压完全相同，只是本次设计条件中调功电路带电阻性负载 R=4。故电路中应将阻感性负载改为电阻性负载。参数计

19、算时，调功电路是以周期为单位控制的。故在晶闸管导通的周期内=0。又有 Z=4，=0，此时仍为 0.5，故：VTNI （2-18）1238.9VTVTNUIIAZ晶闸管的额定电流为： （2-19）(1.5 2)(1.5 2) 38.937.2 49.61.571.57VTNIIA而晶闸管承受的最大反向电压同调压电路相同，所以考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：本科生课程设计（论文） （2-30）NU(23) 311.1622.16933.24V因此，依据以上参数选择晶闸管，比如，可以选用额定电压为 800V，额定电流为 40A 的晶闸管。2.5 触发电路的设计2.5.1. 芯片介绍触发单元以前都是

20、由分立元件构成的，它的控制精度查，可靠性低，不便于维修，因此，触发电路集成化非常必要。可控硅移相触发器 KJ004，与分立元件组成的触发电路相比，具有移相线性好、移相范围宽、温漂小、可靠性高、相位不均衡度小等优点。主要由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。KJ004 封装形式：该电路采用双列直插 C16 白瓷和黑瓷两种外壳封装，外型尺寸按电子工业部部颁标准。半导体集成电路外型尺寸SJ110076 。 图 2.9 KJ004 封装引脚图 KJ004 的管脚功能如表 1 所示。 表 1 KJ004 的各管脚功能本科生课程设计（论文）芯片参数：（

21、1）电源电压：直流+15V、-15V,允许波动土 5(10时功能正常)。（2）kj004 电源电流：正电流15mA,负电流10mA。（3）同步电压：任意值。（4）同步输入端允许最大同步电流：6mA(有效值)（5）移相范围1700(同步电压 30V,同步输入电阻 15k)（6）锯齿波幅度：10V(幅度以锯齿波平顶为准)。（7）输出脉冲： 宽度：400S2mS(通过改变脉宽阻容元件达到)。 幅度：13V。 最大输出能力 100mA(流出脉冲电流)。 输出管反压：BVCEO18V(测试条件 Ie100A)。（8）正负半周脉冲相位不均衡30。（9）使用环境温度为四级：C：070 R：-5585 E：-

22、4085 M：-55125本科生课程设计（论文）2.5.2 触发电路图由于交流调压调功电路中只用到两个晶闸管，而 KJ004 有两个输出口，故用一片 KJ004 即可。由 KJ004 的典型连接图画得此次触发电路如下图。图 2.10 触发单元接线图其中，同步串联电阻 R4 的选择按下式计算：15001000100032/R4）（同步电压这里 R4 选用 15K。锯齿波的斜率决定于外接 R6、RW1 流出的充电电流和积分 C1 的数值。对不同的移项控制 V1，只有改变 R1、R2 的比例，调节相应的偏移 VP。同时调整锯齿本科生课程设计（论文）波斜率电位器 RW1，可以使不同的移相控制电压获得整

23、个范围。触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。R8 和 C2 形成微分电路，改变 R8 和 C2 的值，可获得不同的脉宽输出。KJ004 的同步电压为 220V。2.6 保护电路的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，采用合适的过电压保护、过电流保护、 保护和保护也是必要的。dtdudtdi2.6.1 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

24、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 2.11 所示。2.6.2 过电流的产生及过电流保护图 2.11 阻容保护电路本科生课程设计（论文）引起过流的

25、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 2.12 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

26、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。2.6.3 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：FIICTVAVT496. 0248. 01057. 1/)42(10)42(33)(电阻一般取 40。（2）快速熔断器的选用原则本科生课程设计（论文）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(安装熔体的外壳)的额定电流

27、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KRI流平均值，其有效值为 1.57。T(AV)IT(AV)I故选用时要求：)(7.51AVTKRII式中：晶闸管通态电流平均值，快速熔断器的熔体额定电流。T(AV)IKRI算得 1.57。所以选取额定电流大于等于 194.4A 的快速T(AV)I194.4AITV熔断器。2.6.4 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 2.13 保护电路图本科生课程设计（论文）2.7 调功电路分析通常控制晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零的时刻，即过零调功控制。这样，在交流电源接通期间，

28、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。（1）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 2.14 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。 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 2.14 的波形进行傅里叶分析，可以得到图 2.15 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。图 2.14 交流调功电路典型波形（M=3、M=2）M电源周期控制周期=M倍电源周

29、期=24M图4-13O导通段=2NM3M2Muou1uo,iotU12本科生课程设计（论文）第 3 章 仿真模型、仿真波形及其分析由于 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 3.1 MATLAB 仿真连线图 仿真

30、前，要设定好元器件的参数。将题目条件中交流调压电路阻感负载的本科生课程设计（论文）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 3.2 MATLAB 仿真波形图本科生课程设计（论文） 第 4 章 课程设计总结此次课程设计，大大深了我电力电子技术的理解。在这次设计中，我学到了很多课本上没有的，以及平时被我们所忽视的东西。平时在上完课后认为对老师所讲的东西都很理解，但是在真正自己设计程序时却无从下手。不能清晰的理解理论知识，就不能在实际实践中熟练的应用。不仅是理论知