单相交流调压及调功电路课程设计

1、电力电子技术课程设计报告题目：单相交流调压及调功电路课程设计 姓 名 学 号 年 级 专 业 系（院） 指导教师 一、引言较流-交流变流电路，即把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。在进行交流-交流变流时，可以改变相关的电压（电流）、频率和相数等。交流-交流变流电路可以分为直接方式（无中间直流环节方式）和间接方式（有中间直流环节方式）两种。而间接方式可以看做交流-直流变换电路和直流-交流变换电路的组合，故交-交变流主要指直接方式。其中，只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电路，改变频率的电路称为变频电路。采用相位控制的交流电力控制电路，即交流调压电路；

2、采用通断控制的交流电力控制电路，即交流调功电路和交流无触点开关。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。在这些电源中如果采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联，十分不合理。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，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。其分为单相和三相交流

3、调压电路，前者是后者基础，这里只讨论单相问题。交流调功电路常用于电炉的温度控制，其直接调节对象是电路的平均输出功率。像电炉温度这样的控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制，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，这样，在交流电源接通期间，负载电压电源都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。二、设 计 任 务1设计目的：1）培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。2）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3）培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4）提高学生课

4、程设计报告撰写水平。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：设计内容：1、设计一个单相交流调压电路交-交变流主要指直接方式。其中，只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电路，改变频率的电路称为变频电路。采用相位控制的交流电力控制电路，即交流调压电路；采用通断控制的交流电力控制电路，即交流调功电路和交流无触点开关。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计说明书、图纸、实物样品等：设计工作任务及工作量的要求：1）根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路和触发电路； 2）用Multisim等软件整理主电路和控制电路原理图；3）撰写课程设计报

5、告画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理，完成元器件参数计算，元器件选型，说明控制电路的工作原理，用Multisim或EWB等软件绘出主电路典型的输出波形（比较实际波形与理论波形），绘出触发信号（驱动信号）波形，说明设计过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料。18 / 18 三、设计方案选择及论证3.1 带电阻性负载3.1.1 原理图1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。

6、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控制。图1 电阻负载单相交流调压电路及其波形3.1.2 计算与分析负载电压有效值：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：晶闸管电流有效值：功率因数：=0时, 功率因数=1, 增大,输入电流滞后于电压且畸变,降低。3.2 带阻感性负载3.2.1 原理分析图2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=arctan(wL / R)。如果用导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流应是正

7、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。 图2 阻感负载单相交流调压电路及其波形3.2.2 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：解方程得：式中，；为晶闸管导通角。利用边界条件：时，可求得：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3所示。VT2导通时，上述

8、关系完同，只是io极性相反，相位差180°负载电压有效值：晶闸管电流有效值为：负载电流有效值： 设晶闸管电流的标么值为：则可绘出和的关系曲线，如图4所示。图4 单相交流调压电路为参变量时和的关系曲线3.2.3 <的情况如前图3所示，越小，越大；继续减小到<时，触发VT1，则VT1的导通时间将超过。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

9、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5所示。 图5 <时阻感负载交流调压电路波形四、总体电路设计触发单元以前都是由分立元件构成的，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。KJ004芯片其内部原理图如下：图7 KJ004内部原理图该电路由同步检测电路、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

10、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SJ110076KJ004的管脚功能如表1所示。 图8 KJ004封装引脚图表1 KJ004的各管脚功能功 能输出空锯齿波形成-Vee(1k)空地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输出+Vcc引线脚号1 23 45 678910111213141516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9 触发单元接线图其中，同步串联电阻R4的选择按下式计算：这里R4选用15K。电路原理：锯齿波

11、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。同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个范围。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的同步电压为任意值。五、各功能模块电路设计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=

12、4，=0，此时仍为0.5，故：晶闸管的额定电流为：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：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。触发电路的设计芯片介绍触发单元以前都是由分立元件构成的，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。KJ004芯片其内部原理图如下：图7 KJ004内部原理图该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和

13、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SJ110076KJ004的管脚功能如表1所示。 图8 KJ004封装引脚图表1 KJ004的各管脚功能功 能输出空锯齿波形成-Vee(1k)空地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输出+Vcc引线脚号1 23 45 678910111213141516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9 触发单元接线图其中，同步串联电阻R4的选择按下式

14、计算：这里R4选用15K。电路原理：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。同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个范围。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的同步电压为任意值。保护电路的设计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。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

15、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

16、容串联的电阻能消耗掉部分过压 图10 阻容保护电路能量，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10所示。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

17、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。计算阻容保护电路参数：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。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(安装熔体的外壳

18、)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。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 保护电路图六、总体电路 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，即过零调功控制。这样，在交流电源接通期间，

19、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，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整

20、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。图14 交流调功电路的电流频谱图（M=3、N=2）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。七、心得与总结 此次课程设计的题目是晶闸管单相交流调压、调功电路，电路图比较简单，但必须弄清楚其原理