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 4工作时的设计83.3 =,工作时的设计123.4 a 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24261概述1.1 品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

2、路为核心的 电源功率控制电器，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

3、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问隔内， 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

4、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。l oad*a1bc- bcr冰宽可调矩形4t l c336波信号发生器|ug a2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

5、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

6、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。n.u小电源开关 a负载rwalui50hzs30v)bc ri20409m f p1-u-o|k僧c531r2vdb 3200cl = 0,1/630,图 2.2.1采用双向可控硅bcr（z0409mf取代由两个单向可控硅 scrs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a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

7、。 在电阻性负载下，负载电流和负载电压的波形 相同，a角的移相范围为0w a 0九，a =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a的增大，u0逐渐降低，灯的亮度 也由亮变暗，直至a=tt时，u0=0，灯熄灭。此外a =0时，功率因数cos（|）=1, 随着a的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，cos小也逐渐降低，且对电网电压电流造成谐波污染。交流调压电路已广泛用于调光控制，ui*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,u1t1

8、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，具输出电压、电流波形与控制角 0、负载阻抗角e都有关系。图3.1其中负载阻抗角 中=arct anwlr),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 牝豆=牝三种情况分别进行讨论。3.2 八工作时的设计图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 在控制角触发导通时的输出波形图，同电阻负载一样，在 ui的正半周0角 时，i触发导通，输出电压u。等于电源电压，电流波形io从0开始上升。由于是感性负载，电

9、流io滞后于电压u。，当电压达到过零点时电流不为 0, 之后io继续下降，输出电压u。出现负值，直到电流下降到 0时，ti自然关 断，输出 电压等于0,正半周结束，期间电流i。从0开始上升到再次下降 到0这段区间称为导通角 为。由后面的分析可知，在a 6工况下， 180s因此在t2脉冲到来之前ti已关断，正负电流不连续。在电源的负半周 t2导 通，工作原理与正半周相同，在i。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i。的表达式及导通角日与口、金之间的关系，假设电 压坐标原点如图所示，在 前=a时刻晶闸管t1导通，负载电流i。应满足 方程l空 ri0 = ui =

10、 2u i sin tdt解该方程，可以得出负载电流其初始条件为 i 0i t = ： =0,i 0在a ot a区间内的表达式为io= f f =皿如-皿q-皿附 +（血）当时=a十9时，i o=0,代入上式得，可求出日与a、e之间的关系为sin（a+g-1） =sin （ot-寺）e 6tan利用上式，可以把8与口、十之间的关系用下图的一簇曲线来表示。图3.3图3.3中以4为参变量，当e二00时代表电阻性负载，此时8=180-a； 若小为某一特定角度，则当“ 小时，8随着口的 增加而减小。根据上述电路的控制角为 a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it分别为

11、5=52a sinc 2ce + 28）7t式中, 为i omax为当口 =0时，负载电流的最大有效值，其值maxr2 (1)2sin【cos(2：1)2 二 cos为品闸管有效值的标玄值，其值*it =由上式可以看出，it是a及的函数，图3.4给出了以负载阻抗角 户为参变量时，当口、户已知时，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i0及晶闸管电流有效值 j。图3.43.3 口 =巾工作时的设计当控制角u =4时，负载电流i 0的表达式中的第二项为零，相当于滞 后电源电压1角的纯正弦电流，此时导通角0 =1800,即当正半周品闸管t1 关断时，丁2恰好触发导通，负载电流i娃续

12、，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。3.4 口 巾工作时的设计在色小工况下，阻抗角4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（日+口-巾）180-时左端才能小于0, 因此9180二，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在wt=n时亥ijti被触 发导通，由于其导通角大于180：在负半周wt =（口 +兀）时刻为丁2发出出发 脉冲时，t1还未关断，t2因受反压不能导通，丁继续导通直到在wt = （q+n） 时刻因t1电流过零关断时，t2的窄脉冲ug2已

13、撤除，t2仍然不能导通，直到 下一周期t1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，i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

14、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 路附加电路，当达到一定过压值时，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 这里主要考虑品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 如图所示。2）过电流的产生及过电流保护：引起过

15、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。交流囱路器变压翳三汽且咚器快送砸器变流器鱼流快速熔断器 掰-g-短路器关电路-4触发电路电流检测动作电流整定值电子保找电路图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

16、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品闸 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 接接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同一个电流。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：c =（24）（av）10” =（24）v/1.57 10” = 0.248 0.496f电阻一般取40 q2)快速熔断器

17、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)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ikr是指电流有效值，而晶 闸管额定电流是指通态电流平均值1tav) ,其有效值为1.571tav)。故选用 时要求：1 kr - 1.571t (av)式中：it(av)一晶闸管通态电流平均值，ikr 一快速熔断器的熔体额定电流。算得1.57 it(av) = itv =194.4a 0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

18、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。通常控制品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，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：，三制周期=m倍电源周期=2;图4-13令控制周期为m 吾电源 周期，品闸管在前n个周期 导通，后m-n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

19、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/im012345相对于电源频率的次数图中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，但含有非整数图4-14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 matlabwm由于proteus中不包含kj004此元器件，故采用其它方法仿真。用 matlab的simulink ,不涉及具体的元器件型

20、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：csntinugiuspaw guiuoltaae measuremenuac volume sdurgennaros-mvnstorlunrent measuremenl:series rlc branch3e measuremen:-stthytistdrlpmgtnmihsrl图15 matla昉

21、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a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!山拉 tie* insert al i也用 旗业妁 injev jdp5电路的测试与故隙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

22、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 （220m 15w灯泡），并开启交流调功电路的电源开关，调节“周波

23、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 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，典型值为一50db。再就是

24、用到了双向可控硅bcr（z0409mf取代由两个单向可控硅scik 并联的结构形式，并利用r比放电电路和双向触发二极管db3勺特点，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。正负半周控制角 a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，a角的移 相范围为0& a 0冗，a =0时，相当于可控硅一直导通,输入电压为最大 值，u=u灯最亮；随着a的增大，u0逐渐降低，灯的亮度也由亮变暗，直至 a=tt时，u=0,灯熄灭。止匕外a=0时，功率因数c0s（|）=1,随着a的增大， 输入电流滞后于电压且发生畸变，cos小也逐渐降低。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