单相交流调压

1、电力电子技术课程设计报告单相交流电压调节器姓焦庆杰0号学生2010年专业电气工程和自动化汽车学院系(所)指导员汪曾玉2012年12月31日一.导言1.1导言随着21世纪的到来，随着电子信息技术的发展，通信交流转换电路在电力电子技术的基础上发挥着越来越重要的作用。它不仅是自动化专业的重要组成部分，在其他专业项目中也是不可或缺的。电力电子电路的基本形式之一，即交流-交流转换电路。它是一种将一种交流电源转换成另一种交流电源的电路。交-交转换包括交流电压调节和交-交频率转换。交流调压电路是最早的电力电子电路之一，因其体积小、成本低、设计简单而得到广泛应用。晶闸管组成的交流调压电路体积小、重量轻、控制灵

2、活方便，已广泛应用于照明控制、家用风机调速、交流电机调压软启动、交流电机轻载节能运行等领域。交流调压电路广泛应用于照明控制(如调光台灯和舞台照明控制)，异步电机软启动也用于异步电机调速。在电力系统中，该电路经常用于无功功率的连续调节。此外，在高电压、小电流或低电压、大电流的DC电源中，经常使用交流调压电路来调节变压器的一次电压。如果在这些电源中使用晶闸管相控整流电路，高压小电流可控DC电源需要多个晶闸管串联，而低压大电流DC电源需要多个晶闸管并联，这是不合理的。交流调压电路用于调节变压器一次侧的电压，其电压和电流值适中，变压器二次侧二极管整流足够。该电路体积小，成本低，易于设计和制造。它分为单

3、相和三相交流调压电路，前者是后者的基础，这里只讨论单相问题。摘要：介绍了单相交流调压电路的设计，基于Matlab 7.12.0/Simulin软件对电路进行了仿真和测试，并利用Protel 99 SE软件实现了电路的硬件仿真。1.2课题的背景电力电子技术是利用电力电子器件研究电能交换和控制的科学。它诞生于20世纪50年代，70年代发展迅速。这些技术包括以节能和提高照明质量为目的的绿色照明技术；以节能、提高运行可靠性和更好地满足生产要求为目标的交流变频调速技术，以提高电力系统运行的稳定性和可控性、有效节能为目标的灵活交流输电技术等。随着功率半导体制造技术、微电子技术、计算机技术和控制理论的发展。

4、电力电子技术正朝着高功率、高频率和智能化方向发展，其应用领域将更加广泛。交流调压电路是最早的电力电子电路之一，因其体积小、成本低、设计简单而得到广泛应用。现代科学技术发展最迅速、最直观的是电子信息技术，其影响和现象与人们生活方式和工作方式的变化密切相关。同样，单相交流调压技术的应用前景和发展也日新月异。其应用范围不仅从电炉工业、玻璃工业和石油化工等传统重工业扩展到新复合材料加工、食品工业、节能照明技术和空间技术等更广泛的领域。此外，电路设计思想和性能随着电能利用的发展和创新而丰富和发展。单相交流调压技术是随着新材料、数字技术、信息技术和自动化技术的发展而逐渐发展起来的。出现了许多新的设计理论，

5、这些理论对单相交流调压技术的未来发展有很大的影响。它依赖于交流电源技术和应用的扩展，涉及范围广，不易估计。1.3单相交流调压器介绍交-交转换包括交流电压调节和交-交频率转换。交流电压调节是指只调节电压而不改变交流电压频率的方法。过去，变压器用于交流电压调节。电力电子技术出现后，利用电力电子器件的交流调压器不仅可以连续调节电压，而且体积小、重量轻、控制灵活方便。它们已广泛应用于照明控制、家用风机调速、交流电机调速和软启动以及交流电机轻载节能运行。交-交变频是通过电力电子电路的开关控制，将工频三相交流电直接转换成其他频率的单相或三相交流电，也称为直接变频器和变频器。通常，交-交变频器可以在改变频率

6、的同时调节电压，即实现VVVF控制。交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路单相交流调压电路是调节单相交流电压的电路。该电路主要用于电加热控制、交流电机调速、交流稳压器等场合，主要包括照明调节(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、待控家用电器等。)、泵、风机等一步电机的软起动、交流电机(如纺织、造纸、冶金等领域的电机)的调压调速、带电机负载的自动调压(自动调压可长期空载或轻载为起动器及其他充电节省电能)、变压器一次调压(高压小电流货物、低压大电流DC电源，若采用晶闸管相孔整流电路， 许多晶闸管需要串联或并联，如果采用交流调压电路，将进行变压器一次调压。

7、 电压和电流值合理，变压器初级只需二极管整流，从而达到减小体积和降低成本的目的。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路具有控制方便、调节速度快、重量轻、体积小、有色金属消耗少的优点。单相交流调压电路有两种方式：晶闸管相控和全控脉宽调制。本设计采用晶闸管控制的交流调压电路。二、设计任务2.1电路设计任务1方案设计完成主电路的原理分析和主要元器件的选择3触发电路的设计4.利用MATLAB仿真软件进行建模和仿真，获得电压和电流波形，并根据控制角与负负载阻抗角的关系对结果进行分析2.2电路设计的目的电力电子技术是我们大三学生下学期一门非常重要的专业课。教材中有很多电路，如各种单相整流电路、逆变电路、三

8、相整流电路、三相逆变电路、基本斩波电路等。通过研究这些电路，我们知道如何将交流电转换成DC，以及如何将DC转换成交流电。通过可控整流来调节输出电压的有效值，从而达到我们的目的。在单相交流调压电路的设计中，需要使用晶闸管触发电路来调节输入电压的有效值，然后将其施加到负载上。在课程设计的过程中，我们通过在网上搜索相关信息，在图书馆查阅书籍，在同学之间互相帮助，学到了很多知识。通过对主电路和晶闸管触发电路的设计和分析，我们了解了它们的工作原理以及电路是如何实现要实现的功能的，这对我们很有好处。通过写设计报告和设计电路，我们提高了自己的能力，为以后的毕业设计和工作打下了坚实的基础。三.设计方案的选择和

9、论证3.1设计内容(1)通过单相调压电路的设计。掌握单相调压电路的工作原理。综合运用所学知识设计单相调压电路和系统的能力(2)了解并熟悉单相调压电路的拓扑和控制方法(3)了解和掌握系统单相调压电路和主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择和计算方法(4)具有一定的电力电子及系统实验和调试能力(1)理论设计：了解和掌握单相调压电路的工作原理，设计单相调压电路的主电路，包括：主电路设计；保护电路的设计；触发电路的设计；晶闸管电流和额定电压的选择；绘制完整的主电路原理图和触发电路原理图；列出主电路中使用的元件列表。(2)仿真实验：利用Matlab 7.12.0仿真软件对单相交流调压电路

10、的调压电路、触发电路和主电路进行建模，并进行了仿真实验。(3)实际生产：利用Protel99SE软件绘制原理图，结合具体元器件的引脚数、尺寸，考虑散热和抗干扰等因素，设计了印刷电路板。最后，对系统电路进行了组装和调试。3.2方案的制定前面介绍的电路工作原理表明，交流调压电路的原理是两个晶闸管并联后串联在交流电路中，通过控制晶闸管来控制交流电源。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电功率控制电路。通过控制晶闸管每半个周期的导通相位，可以方便地调节输出电压的有效值。这个电路叫做交流调压电路。通过以交流周期为单位控制晶闸管的导通和关断以及改变导通状态周期与关断状态周期的比率，可以方便地调节输出功率的

11、平均值。图3示出了对应于调节比的三种常见单相交流电压调节和功率调节控制模式下交流电路的输出波形。第一种相位调节控制模式是交流调压电路中的经典模式，后两种模式是交流功率调节电路中常用的模式。图3常见单相交流调压(功率调节)控制模式下的负载电压波形交流调压电路有两种类型：斩波控制和相位控制。实验方案是通过相位控制实现电压调节。该电路的负载为阻性负载，当由晶闸管控制时，只能由迟滞控制，这使得负载电流更加滞后。根据以上对比分析，采用两个常用晶闸管反向并联设计单相交流调压电路。四.整体电路设计该设计电路可明显分为三个模块：主电路、触发电路和保护电路。系统原理框图如下。触发电路主电路保护电路输出所谓交流调

12、压是指两个晶闸管反并联后串联在一个交流电路中，通过控制晶闸管每半个周期的导通相位，可以方便地调节输出电压的有效值。交流调压电路广泛应用于异步电动机的照明控制和软启动，以及异步电动机的调速。另外，交流调压电路常用于调节高压小电流或低压大电流电源中变压器的一次电压。本课程设计主要研究单相交流调压电路的设计。由于交流调压电路的工作条件与负载的性质有很大的关系，本实验着重讨论电阻性负载。图中的两个晶闸管也可以用双向晶闸管代替。在交流电源u1的正半周和负半周中，可以通过分别控制两个晶闸管的相移控制角来调节输出电压。单相交流调压电路的主电路图如下图5-1单相交流调压主电路5.2主电路设备的选择主电路中使用

13、的器件很少，主要是200伏单相交流电源、两个反并联晶闸管和一个阻性负载。其中，两个反并联晶闸管可以用一个两相晶闸管代替，阻性负载可以与一个电阻和一个电感串联，或者用串联谐振代替两个反并联晶闸管。晶闸管的选择：1选择正向和反向电压晶闸管的栅极没有信号，当控制电流ig为0时，反向偏置时，在阳极(a)和阴极(k)之间施加(J2)，因此器件处于高阻抗状态，这称为正向阻断状态。如果UAK增加到某个值VBO，晶闸管将从阻塞突然接通，这个VBO值称为正向导通电压，这是不正常的导通，将缩短设备的寿命。因此，必须选择足够的正向重复阻断峰值电压。当在阳极和阴极之间施加反向电压时，器件的第一和第三PN结(J1和JB

14、OY3乐队)处于反向偏置并处于阻断状态。当反向电压达到一定值VRB时，晶闸管的反向突然从阻断状态变为导通状态，这是反向击穿，器件将被损坏。VBO值和VRB值随着重复施加电压而降低。在感性负载的情况下，如磁分离设备的整流装置。当电路关闭时，将产生非常高的电压(=-Ldi/dt)。如果电路上没有良好的吸收电路，该电压将损坏晶闸管装置。因此，该器件还必须有足够的反向耐压VRRM。当晶闸管在转换器(如电力机车)中工作时，它必须能够在不影响其运行的情况下，在工频下反复承受一定的过电压。因此，正向和反向峰值电压参数VDRM和VRRM应保证大于正常使用电压峰值的2-3倍。考虑到一些可能的浪涌电压因素，在选择

15、替代参数时，只能选择较高的一个。2选择额定工作电流参数晶闸管的额定电流是在一定条件下的最大导通状态平均电流IT，即在规定的冷却条件下，单相工频正弦半波阻性负载，导通角不小于170的电路中，额定结温稳定时允许的最大导通状态平均电流。当通用变换器工作时，每个支路的晶闸管都有不均匀的电流因数。在大多数情况下，可控硅不能在170的导通角下工作，导通角通常小于这个角度。这样，晶闸管的额定电流必须选择得稍大一些，一般应是其正常电流平均值的1.5-2.0倍。3选择栅极(控制级)参数晶闸管门极需要一段时间来施加控制信号，使其从阻塞变为导通。这段时间称为导通时间tgt，由延迟时间td和上升时间tx组成。tr是从

16、栅极电流脉冲的前沿(例如，当栅极电流上升到最终值的90%时)到导通状态阳极电流IA达到最终值的10%的瞬间的时间间隔。可以看出，导通时间tgt与晶闸管门极的可触发电压和电流、晶闸管的结温、导通前的阳极电压和导通后的阳极电流有关，普通晶闸管的TGT小于10 s，当外部电路的回路电感较大时，可以达到几十甚至几百 s(阳极电流缓慢上升)。当选择晶闸管时，特别是当它们串联和并联使用时，应尽可能选择具有闭合门极触发特性的晶闸管用于同一设备，尤其是在同一臂的串联或并联位置。这可以提高设备的可靠性和使用寿命。如果触发特性相差太大的晶闸管串联运行，直流电压将不会均匀分布，tgt较长的晶闸管将会损坏，而tgt较短的晶闸管并联运行时会分布更多的电流而损坏，这对晶闸管是不利的。因此，同一臂上串联或并联晶闸管的触发电压和触发电流应尽可能一致，即应成对使用。在不允许可控硅因干扰而产生误导的设备中，如电机调速，可以选择栅极触发电压和电流稍大的管(如可触发电压VGT2V，可触发电流IGT:150mA)，以保证不发生误引，在触发脉冲功率较强的电路中也可以选择触发电压和电流稍大的管。在磁选矿设备中，特别是在旧的窄脉冲触发电路中，可以选择一些较低的VG和IGT管，如VGT1.5V和100毫安以下的IGT管。它可以减少因触发失