电力电子课程设计-单相交流调压电路

电力电子课程设计---单相交流调压电路课程设计说明书课程设计名称：电力电子技术课程设计题目：单相交流调压电路班级：电气0902班姓名：学号：指导教师：时间：2011年06月目录第一章前言…………2第二章单相调压电路设计任务及要求……………32.1设计任务及要求…………32.2设计方案选择……………3第三章单向调压电路单元电路的设计和主要元器件说明………53.1单元电路的设计…………53.1.1主电路的设计……………53.2主要元器件说明及功能模块……………5第四章驱动电路的设计……………64.1晶闸管对触发电路的要求………………64.1.1触发信号的种类……………………64.1.2触发电路的要求……………………64.2触发电路…………………74.2.1单结晶体管的工作原理……………74.2.2单结晶体管触发电路………………94.2.3单结晶体管自激震荡电路…………94.2.4同步电源……………10第五章保护电路的设计…………115.1过电压保护……………125.2过电流保护……………13第六章单相调压电路主电路的原理分析和各主要元器件的选择……………146.1主电路原理分析………146.2各主要元器件的选择…………………176.3元器列表………………18第七章仿真软件第一章前言本课程设计旨在通过设计单相交流调压电路，提高学生的电力电子技术实践能力和创新能力，培养学生的工程实践能力和团队协作精神。第二章单相调压电路设计任务及要求2.1设计任务及要求本课程设计的任务是设计一种单相交流调压电路，要求具有稳定的输出电压和较高的效率。2.2设计方案选择根据需求，本课程设计选择单向调压电路作为设计方案。单向调压电路具有简单的结构和较高的效率，适合本次课程设计的要求。第三章单向调压电路单元电路的设计和主要元器件说明3.1单元电路的设计3.1.1主电路的设计主电路由变压器、整流电路和滤波电路三部分组成。变压器的设计需要根据输入电压和输出电压的要求进行计算，整流电路采用单相桥式整流电路，滤波电路采用电容滤波电路。3.2主要元器件说明及功能模块主要元器件包括变压器、整流管、滤波电容等。变压器用于降低输入电压并提高输出电压，整流管用于将交流电转换为直流电，滤波电容用于平滑输出电压。第四章驱动电路的设计4.1晶闸管对触发电路的要求晶闸管需要触发信号才能导通，因此需要设计合适的触发电路。4.1.1触发信号的种类常用的触发信号有脉冲信号和正弦波信号。4.1.2触发电路的要求触发电路需要满足触发信号的要求，同时需要具有稳定性和可靠性。4.2触发电路4.2.1单结晶体管的工作原理单结晶体管是一种常用的触发元件，其工作原理是通过控制基极电流来控制晶闸管的导通。4.2.2单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路由基极电阻、电容和二极管组成，可以产生合适的触发信号。4.2.3单结晶体管自激震荡电路单结晶体管自激震荡电路可以产生高频脉冲信号，适用于晶闸管的触发。4.2.4同步电源同步电源可以提供稳定的触发信号，提高系统的稳定性和可靠性。第五章保护电路的设计5.1过电压保护过电压保护电路可以保护系统免受过电压的影响，提高系统的可靠性。5.2过电流保护过电流保护电路可以保护系统免受过电流的影响，提高系统的安全性和可靠性。第六章单相调压电路主电路的原理分析和各主要元器件的选择6.1主电路原理分析单相调压电路的主电路由变压器、整流电路和滤波电路组成。变压器将输入电压降低并提高输出电压，整流电路将交流电转换为直流电，滤波电路用于平滑输出电压。6.2各主要元器件的选择各主要元器件的选择需要根据设计要求进行，如变压器的选型需要根据输入电压和输出电压的要求进行计算。6.3元器列表元器列表包括各主要元器件的名称、型号、参数等信息，便于设计和调试。第七章仿真软件仿真软件可以模拟单相调压电路的工作过程，便于设计和调试。常用的仿真软件有PSIM、MATLAB等。直流信号是指门极与阴极之间加一定的直流电压，使晶闸管导通。这种触发信号的优点是简单可靠，缺点是无法实现对晶闸管的精确控制，因此在实际应用中较少采用。(b)交流信号：交流信号是指门极与阴极之间加一定的交流电压，使晶闸管导通。这种触发信号的优点是能够实现对晶闸管的精确控制，缺点是需要较复杂的电路来产生交流信号。(c)脉冲信号：脉冲信号是指在一定时间内，门极与阴极之间加一定的脉冲电压，使晶闸管导通。这种触发信号的优点是能够实现对晶闸管的精确控制，并且具有较短的触发时间，缺点是需要较复杂的电路来产生脉冲信号。4.1.2触发电路的要求：晶闸管的触发信号必须满足以下要求：（1）触发信号的幅度和频率必须满足晶闸管的触发条件；（2）触发信号的波形必须符合晶闸管的触发要求，如前沿斜率、上升时间等；（3）触发电路必须具有足够的抗干扰能力，以保证晶闸管的可靠触发。4.2驱动电路的设计驱动电路的主要功能是产生符合晶闸管触发条件的触发信号，并将信号传递给晶闸管的门极。驱动电路的设计应考虑以下因素：（1）晶闸管的触发条件；（2）触发信号的幅度、频率和波形；（3）驱动电路的功率和效率；（4）驱动电路的抗干扰能力。常用的驱动电路有隔离型驱动电路和非隔离型驱动电路。隔离型驱动电路具有高的抗干扰能力和安全性能，但是成本较高；非隔离型驱动电路成本较低，但是抗干扰能力较差。根据实际需求选择合适的驱动电路。在晶闸管加上适当的阳极正向电压时，可以通过在门极与阴极间加上适当的直流电压来触发晶闸管导通。然而，这种触发方式在实际应用中很少使用，因为晶闸管在导通后不需要门极信号继续存在。若采用直流触发信号，会增加门极损耗，有可能超过门极功耗；在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也可能造成晶闸管损坏。另一种触发方式是在门极与阴极间加入交流电压，当交流电压达到一定值时，晶闸管导通。这种触发方式也存在许多缺点，如在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定。可通过调节交流电压来改变触发延迟角，但调节范围较小。最常用的触发方式是使用脉冲信号。这种方式便于控制脉冲出现时刻，降低门极功耗，并可以通过变压器的多绕组输出实现信号的隔离输出。不同的晶闸管电路种类和所带负载的性质对触发电路的要求也不同，但其基本要求是相同的。触发信号应具备足够的功率，同时触发脉冲信号应具有一定的宽度，以确保晶闸管能够可靠地导通。单结晶体管的工作原理是在基极和发射极之间加上正向电压，使得集电极与发射极之间形成正向偏置，从而使电流流过。SingleCrystalTransistorPrincipleTheSingleCrystalTransistor(UJT),alsoknownasabasejunctiontransistor,isasemiconductordevicewithonlyaPNjunctionandtwoelectrodecontacts.Itssubstrateisahigh-resistanceN-typesiliconstrip,withtwoendsconnectedtothetwobaseelectrodesb1andb2.APregionismadeslightlyoff-centeronthesiliconstripusinganalloymethodastheemittere.Itsstructure,symbol,andequivalentcircuitareshowninFigure4.1.Figure4.1:SingleCrystalTransistorStructure,Symbol,andEquivalentCircuit(1)CharacteristicsoftheSingleCrystalTransistor:AsshowninFigure4.1(c),theresistancebetweenthetwobaseelectrodesb1andb2iscalledthebaseresistanceRbb.Rbb=rb1+rb2(4.1)whererb1istheresistancebetweenthefirstbaseandtheemitterjunction,anditsvaluechangeswiththeemittercurrentie,whilerb2istheresistancebetweenthesecondbaseandtheemitterjunction,anditsvalueisindependentofie.TheemitterjunctionisequivalenttoaPNjunctiondiode.IfapositivevoltageVbbisappliedbetweenthetwobaseelectrodesb2andb1,thevoltageatpointAis:VA=[rb1/(rb1+rb2)]Vbb=(rb1/Rbb)Vbb=ηVbb(4.2)whereηiscalledthevoltagedividerratio,anditsvalueisgenerallybetween0.3-0.85.BygraduallyincreasingtheemittervoltageVefromzero,thevolt-amperecharacteristicsofthesinglecrystaltransistorcanbemeasured,asshowninFigure4.2.Figure4.2:Volt-AmpereCharacteristicsoftheSingleCrystalTransistor(a)WhenVe<ηVbb,theemitterjunctionisreverse-biased,andthetransistorisinthecut-offstate,withonlyasmallleakagecurrentIceoattheemitter.(b)WhenVe≥ηVbb+VD(whereVDistheforwardvoltagedropofthePNjunction,approximately0.7V),thePNjunctionisforward-biased,andIeincreasessignificantly.Theresistancevalueofrb1decreasesrapidly,andVedecreasescorrespondingly.Thischaracteristic,wherethevoltagedecreasesasthecurrentincreases,iscallednegativeresistance.ThecriticalPpointatwhichthetransistorentersthenegativeresistanceregionfromthecut-offregioniscalledthepeakpoint,andthecorrespondingemittervoltageandcurrentarecalledthepeakvoltageIpandpeakcurrentIp.Ipistheminimumcurrentrequiredtoturnonthesinglecrystaltransistor,andobviouslyVp=ηVbb.(c)AstheemittercurrentIecontinuestoincrease,VecontinuestodecreaseuntilitreachesthevalleypointV,afterwhichVenolongerdecreases.ThecorrespondingemittervoltageandcurrentarecalledthevalleyvoltageVvandvalleycurrentIv.(d)AfterV,thecarriersinthesemiconductorbetweentheemitterandthefirstbaseelectrodereachsaturation,sowhenuccontinuestoincrease,ieslowlyincreases.Obviously,Vvistheminimumemittervoltagerequiredtokeepthesinglecrystaltransistoron.IfVe<Vv,thetransistorisinthecut-offstate.单结晶体管的主要参数包括基极间电阻Rb、分压比η、反向电压Vcb1b2、反向电流Ieo、发射极饱和压降Ve0和峰点电流Ip。其中，基极间电阻随温度上升而增大，分压比由管子内部结构决定，反向电压和电流是反向耐压和反向导通时的关键参数，发射极饱和压降是在最大额定电流时的压降，而峰点电流则是单结晶体管刚开始导通时的发射极电流。单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强和温度补偿性能好等优点，因此在容量小的晶闸管装置中广泛应用。触发电路由自激震荡、同步电源、移相和脉冲形成等部分组成，其电路图如图4.3（a）所示。利用单结晶体管的负阻特性和RC电路的充放电，可以组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。具体来说，经过D1-D2整流后的直流电源UZ一部分通过R2、R1加在单结晶体管的两个基极b1、b2之间，另一部分通过Re对电容C充电，发射极电压ue=uc按指数规律上升。当Uc刚冲点到大于峰点转折电压Up的瞬间，管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，放电时间很短。随着电容C放电，电压Ue小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us，如图4.3（b）所示。其震荡频率可以通过调节Re来调节，计算公式为f=1/T=1/ReCLn(1/1-η)。同步电源是单结晶体管触发电路中的一个重要部分，其作用是使电路中的各个元件能够同步工作，从而保证电路的稳定性和可靠性。步电压是通过变压器TB获得的，而同步变压器与主电路接在同一电源上，因此同步电压与主电压具有相同的相位和频率。同步电压经过桥式整流和稳压管DZ削波后变成梯形波uDZ，而削波后的最大值UZ既是同步信号，又是触发电路的电源。当UZ过零时，电容C经过e-b1和R1迅速放电到零电压，这意味着每半周开始，电容C都从零开始充电，从而保证每个周期触发电路发送第一个脉冲距离过零的时刻（即控制角α）一致，实现同步。移相控制是通过增加Re来实现的，这会使单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增加，第一个脉冲出现的时刻被推迟，即控制角α增加，从而实现移相。触发脉冲ug由R1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。因此一般采用脉冲变压器输出。与电工产品相比，电力电子器件的承受过压和过流的能力要弱得多，短时间内的过压和过电流会导致器件永久性损坏。因此，电力电子电路中过压和过流的保护装置是必不可少的，有时还需要采取多重保护措施。电力电子装置可能产生外因过电压和内因过电压两种过电压。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程（如分闸、合闸等开关操作）。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括换相过电压和关断过电压。换相过电压是指晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，从而产生较大的反向电流，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压是指全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。根据上述分析，当采用宽脉冲触发且α≤φ时，负载电压和电流将始终保持完整的正弦波形。改变控制角α会导致负载电压和电流的有效值不变，从而失去了交流调压的作用。为了实现交流调压的目的，当电感负载时，最小控制角α应为φ（即负载的功率因素角），因此α的移相范围为φ～180。本实验涉及到带阻感负载的单相交流调压电路，如图6.1所示。在脉冲触发时，工作波形如图6.2所示。在选择主电路晶闸管时，需要考虑角频率ω和负载阻抗z等因素。根据公式6.9和6.10，可得到ω和z的数值。根据公式6.11，可得到负载阻抗角的数值为23.5Ω。最大电压和电流分别为100V和0.1381A，晶闸管电流的有效值为0.1295A。根据晶闸管选择原理，晶闸管的额定电压应为实际正常工作时最大电压的2~3倍，额定电流应为流过晶闸管有效电流的2~3倍。因此，选择的晶闸管型号为KP2-8，额定电压为800