电力电子技术课程设计

1、单相交流调压调功课程设计电力电子技术 课程设计单相交流调压调功设计 姓 名：李文利 班 级：电气10-1学 号：12指导教师：张继华 完成日期：2013年1月19日学 期2012/2013第一学期姓 名李文利专 业电气工程及其自动化班 级电气10-1课程名称电力电子技术论文题目单相交流调压调功课程设计评定标准评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师时 间年 月 日备 注辽宁工程技术大学课程设计成绩评定表课 程 设 计 任 务 书一、设计题目单相交流调压调功课程设计二、设计任务1 分析单相交流调压调

2、功的原理2 交流调压电路波形分析3 设计方案4 分析结果三、设计计划第1天选题，查资料；第2天电路原理分析第3天电路原理设计第4天编写整理设计说明书第5天答辩四、设计要求1. 画出整体电路图。2.所设计的电路达到设计任务要求。3. 分析结果，写出设计说明书。指 导 教师：教研室主任：时 间： 年 月 日摘要把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过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，称为交流电力控制电路。交流调压电路广泛应用于灯光控制及异步电动机软启动，也用于异步电动机调速。交流调功电路和交流调压电路的形式完全相同，只是控制方式不同，交流调功电路不是在每个交流电源周期都

3、是通过触发延迟角对输出的电压波形进行控制的，而是将负载与交流电源接通几个整周波，在断开几个整周波，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。交流调功电路通常用于电炉的温度控制，因其直接调节对象就是电路的平均输出功率，所以称为交流调功电路。本设计主要是研究单相交流调压调功电路。关键词：反并联 电力控制 触发角目录前言1第一章 调压调功原理简介2第二章 交流调压电路波形及相控特性分析32.1 带电阻性负载32.1.1 原理32.1.2 计算与分析32.2 带阻感性负载42.2.1 原理分析42.2.2 计算与分析42.2.3 <的情况5第三章 方案设计73.1 主电路的

4、设计73.1.1 主电路图73.1.2 参数计算73.1.3 调功电路的设计83.2 触发电路的选择83.2.1 选择83.2.2 触发电路封装形式93.3 保护电路的设计93.3.1 原理93.3.2 计算10第四章 个人总结11参考文献12前言交流-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和间接方式两种。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

5、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。交流调压电路广泛用于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。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。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

6、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。第一章 调压调功原理简介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输出。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制可以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。交流调功电路和交流调压电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同。交流调功电路不是在每个交流电源周期都通过触发延迟角对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周

7、波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。第二章 交流调压电路波形及相控特性分析2.1 带电阻性负载2.1.1 原理图1 电阻负载单相交流调压电路及其波形图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。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。2.1.2 计算与分析负载电压有效值：故移相范围

8、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。2.2 带阻感性负载2.2.1 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。图2 阻感负载单相交流调压电路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=

9、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。 2.2.2 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。图3 以为参变量的和关系曲线利用边界条件：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：图4 单相交流调压电路为参变量时和的关系曲线则可绘出和的关系曲线，

10、如图4所示。2.2.3 <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图4 <时阻感负载交流调压电路工作波形过零后， 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5所示。 第三章

11、方案设计3.1 主电路的设计3.1.1 主电路图电路为工频50HZ,220V交流电输入，负载为R0.5，L2mH的阻感负载。故主电路图如下图：图5 主电路图3.1.2 参数计算此单相交流调压电路的负载阻抗角为：由图4知，一定时，越小，越大，即越大。当时，不变，为最大值0.5。故可求出晶闸管电流有效值的最大值：晶闸管的额定电流为：晶闸管承受的最大反向电压为：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200A的晶闸管。3.1.3 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

12、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=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。3.2 触发电路的选择3.2.1 选择晶闸管触发电路有单结晶体管触发电路；正弦波触发电路；锯齿波触发电路；集成触发电路。 单结晶体管触发电路具有简单、可靠，触发脉冲前沿陡、抗干扰能力强等优点，但输出功率小，不能很好的满足电感性或反电动势负载的需

13、要，移相范围也受到限制。所以只在单相与要求不高的三相晶闸管装置中使用。 正弦波同步触发电路它的优点：是整流装置在负载连续时直流输出电压与控制电压成线性关系；能部分补偿电源电压波动对输出电压的影响。缺点是：同步电压直接受电网电压的波动及干扰影响较大，特别是电源电压波形畸变时，控制电压与同步电压波形交点不稳定，导致整个装置工作不稳定；正弦波移相电路理论上分析移相范围可达001800，实际上由于正弦波顶部平坦与控制电压交点不明确而无法工作，实际移相范围最多只能达到001500。为防止各种可能出现的意外情况，电路中必须设置对最小控制角min与最小逆变角min限制。 锯齿波同步触发电路，具有双脉冲，强触

14、发的特点，由于同步电压采用锯齿波，不直接受电网电压波动畸变的影响，移相范围宽，克服了正弦波移相的缺点应用广泛。 集成触发电路与分立元件相比，提高了电路的可靠性和通用性，具有体积小，成本低，调试方便等优点，得到了越来越广泛的应用。 因此，本设计采用KJ01集成触发电3.2.2 触发器件封装形式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。 表1 KJ004的各引脚功能功 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

15、 6789101112131415163.3 保护电路的设计3.3.1 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：图6阻容保护电路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，

16、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10所示。2) 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

17、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。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。

18、3.3.2 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：电阻一般取40。2) 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)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。第六章 个人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及相互间的区别及联系。在刚知道课题之后，为了设计能够顺利的进行，我通过利用网络、教科书、图书馆等途径，查阅了大量关于本设计有关的资料，了解到调压电路中的变化对波形的影响，并且知道了不同负载对调压电路的影响，即、之间的变化关系，以及不同时，标幺值与之间的关系。此次电路的难点在于触发电路的设计。选用了集成触发电路KJ004，但是要应用它还需加上很多