中北大学——单相交流调压电路的设计

1、1绪论 12 设计内容及设计方案的选择 12. 1设计目的 12. 2设计内容及要求 12.3 设计工作任务及工作量的要求 22.4 设计成果形式及要求 22.5 设计方案 23单相调压主电路的设计 34触发电路的设计 44. 1晶闸管对触发电路的要求5. 2触发电路5相交流调压电路参数设定与计算 66. 1电阻性负载 66.2 电路分析与计算 66.3 主要元器件的选择 76仿真图及其结果 86.1 仿真电路图 86.2 仿真效果图 97总结 108参考文献 109致谢 111 绪论电力电子技术是研究采用电力电子器件实现对电能的换和控制的科学，是一门多学科互相渗透的综合性技术学科。这些技术包

2、括以节约能源、提高照明质量 为目的的绿色照明技术；以节约能源、提高运行可靠性并更好地满足产要求为目 的的交流变频调速技术，以提高电力系统运行的稳定性、可控制性为目的，并可有效节能的灵括（柔性）交流输电技术等等。随着电力半导体制造技求、徽电子 技术、汁算机技术，以及控制理论的不断进步。电力电子技求向着大功率、高频 化及智能化方向发展，应用的领域将更加广阔。交流调压电路广泛应用于灯光控制，如调光台灯和舞台灯光控制及其异步电 动机的软启动，也应用于异步电机调速。在电力系统中，这种电路也用于对无功 功率的调节。然而，此次课程设计我们就是设计一个单相交流调压电路。单相交流调压电路是用一对反向并联的品闸管

3、串联在电路中，通过对晶闸管触发角的控制，控制品闸管的通断，从而控制输出电压而达到对电压的调节。2设计内容及设计方案的选择2. 1设计目的1 .加深理解电力电子课程的基本理论2 .掌握电力电子的一般设计方法，具备初步独立的设计能力3 .学习MATLAB&真软件及各模块参数的确定2. 2设计内容及要求设计一个单相交流调压电路，要求触发角 口=30二，纯电阻负载，电源压：交流100V/50Hz,输出功率：500W。根据课程设计题目和设计条件，明主电路的工作原理、计算选择元器件数。设计内容包括：1 .晶闸管电流、电压额定参数选择2 .触发电路的设计3 .计算电路的功率因素4 .3设计工作任务及

4、工作量的要求1 .根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定各器 件参数，设计电路原理图；2 .利用MATLA防真软件绘制主电路结构模型图，设置相应的参数。3 .用示波器模块观察和记录电源电压、 触发信号、晶闸管电流和电压，负载 电流和电压的波形图。4 .4设计成果形式及要求1 .电路原理图及各器件参数计算2 . MATLAB或其他仿真软件仿真3 .编写课程设计报告。4 .5设计方案本系统主要设计思想是：采用两个晶闸管反向并联加负载为主电路，外加触 发电路；触发电路控制品闸管的导通，从而控制输出。具系统框图如下所示：图2.1 系统整体框图3单相调压主电路的设计如果在交流电源和

5、负载之间之间用两个品间管反并联后串联到交流电路中， 通过对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。在每半个周波内通过对品间管开通相位的控制，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。这种电路还用干对无功功率 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。 采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直 流电源就需要很多品闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多品闸管并 联，这都是十分不经济的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压， 其电压电流 值都不太大也不太小，在变压器二次侧只

6、要用二极管整流就可以了。 但这种交流 调压电路控制方便，体积小、投资省计制造简单。因此广泛应用于需调温的工频 加热、灯光调节及风机、泵类负载的异步电机调速等场合。图3. 1所示的就是一种采用品闸管为主开关元件的单相交流调压电路图，这种交流调压电路的主电路仅由一对反并联的品闸管构成。VTO图3.1单相交流调压电路图- 3 -4 触发电路的设计4. 1 晶闸管对触发电路的要求晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲， 保证晶闸管在需要要的时刻有阻断转为导通。触发脉冲要求有： （ 1）有一定的幅值和功率； （ 2）有一定的脉宽；（ 3） 触发脉冲前沿要陡；（ 4） 要与主电路同步并有一定的移

7、相范围。所以对触发电路由同步与移相电路，脉冲形成与输出等几部分组成。4. 2 触发电路4.1.1 KJ004 可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、 三相全控桥式供电装置中 , 作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180 度的移相脉冲, 可以方便地构成全控桥式触发器线路。 电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低, 有脉冲列调制输出端等功能与特点。4.1.2 KJ004 可控硅移相电路工作原理电路由同步检测电路、 锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。 电原理见下图： 锯齿波的斜率

8、决定于外接电阻Ra RW1流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例，调节相应的偏移电压VR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移相范围。触发电路 为正极性型,即移相电压增加，导通角增大。R7和C2形成微分电路,改变R7和C2 的值 , 可获得不同的脉宽输出。其封装形式如图所示：图4.1 KJ004 封装形式各引脚功能如下表所示:表4.1引脚功能功能输 出空锯齿波形成-Vee(1kQ)空地同步输入综合 比较空微分阻 容封锁调制输出+Vcc弓1线脚号123456789101112131415164.1.3 触发电路R

9、? POT2图4.2触发电路5单相交流调压电路参数设定与计算5. 1电阻性负载单相交流调压变流器参数设定：要求触发角为30° ,输入流6=100V,输出功率为500梃图5.1和5.2为电阻负载单相交流调压电路及其波形。图5.1电阻负载单相交流调压电路图5.2为30度时相应的波形图5.1 电路分析与计算在单相交流调压电路原理图中，晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管 代替。在交流电源U2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（q=0）均为电压过零时刻。在稳态 情况下应是正负半周的相等，可以看出，负载电压波形是电源电压波形的

10、一部分， 负载电流和负载电压的波形相同。输出平均电压、电流及输出有功功率的计算根据公式计算得出如下结果:=负载电阻:=19.42，功率因数：，UOI sin2 二-二U2I 2 二 二=0.986- 10 -U2 sin2：二-R , 4 二2 二=3.588A1 小 2U2Sinwt 2K vt=V2T/R-) d(wt) =从图及以上各式可以看出，a的移相范围为0Mo（ Mn , 口 =0时，相当于晶 闸管一直通，输出电压为最大值。随着口的增大，Ur慢慢减少，直到1«二n时Ur=05.2 主要元器件的选择通过计算可知，晶闸管的电压峰值UTm= <2 UO= V2 * 98.

11、55=139.37V 故UTm=139.37V，考虑 2倍余量，UTm取 300V。晶闸管额定电流I t（av）>I vt/1.57A=3.588/1.57A=2.285A ,考虑 2 倍余量，I t（av）取 5A;所有晶闸管选 取5A, 300V的型号，KP5-300。负载电阻选取R = 19.420 06仿真图及其结果6.1 仿真电路图利用matlab软件进行一系列仿真，其原理图如下:AC Vzltage Sou roennVTTThyflltOfi三三MLVT2ThyhStCf2*9里生2过三三4图6.1电路仿真原理图表6.1仿真元器件表符号名称或功能符号名称或功能AC Volt

12、age Source交流输入100V电压表1便于仿真附件Thyristorl品闸管1电压表2便于仿真附件Thyristor2品闸管2电压表3便于仿真附件VT1正向触发脉冲电压表4便于仿真附件VT2反向触发脉冲电流表1便于仿真附件scope示波器九路输出电流表2便于仿真附件R电流表3便于仿真附件6.2 仿真效果图 输入为100V交流，仿真触发30°的仿真图。分别仿真其输入100V, VT1VT2触发脉冲，输出电压，电流，晶闸管电压和电流。图6.2 触发角30°时7 总结通过电力电子技术课程设计， 我加深了对课本专业知识的理解， 平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中， 真正

13、做到了自己查阅资料、 完成一个基本仿真电路的设计。 在此次的设计过程中， 我更进一步地熟悉了单相交流调压电路的原理以及触发电路的设计。 当然， 在这个过程中我也遇到了困难， 通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获， 使自己的实践能力有了进一步的提高， 让我对以后的工作学习有了更大的信心。 通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的， 只有把所学的理论知识与实践相结合起来， 从理论中得出结论， 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题， 同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够

14、深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。8 参考文献1 . 王兆安 . 电力电子技术. 机械工业出版社.20092 . 张润和 . 电力电子技术及应用 . 北京大学出版社 .2008.83 . 曲学基，曲敬铠，于明杨等. 电力电子整流技术及应用 . 电子工业出版社.2008.44 . 何此昂，周渡海. 变压器与电感器设计方法及应用实例 . 人民邮电出版社.2011.25 .洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB©真.机械工业出版社.20066 . 美 Willianm Shepherd ，沈经，张正南译. 电力变流器电路 . 机械工业出版社.2008.10这次电力电子技术课程设计， 让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。并通过对知识