单相交流调压电路

中北大学电力电子课程设计说明书中北大学课程设计说明书学生姓名：刘洋学号：1503042130学院：自动控制系专业：电气工程及其自动化题目：单相交流调压电路设计指导教师：李郁峰职称:讲师2016年1月6号中北大学电力电子课程设计任务书15/16学年第一学期学院：自动控制系专业：

电气工程及其自动化学生姓名刘洋

学号：1503042130课程设计题目：单相交流调压电路设计

起迄日期:12月28日-1月8日课程设计地点:

计算机实验室指导教师:李郁峰系主任：王忠庆

下达任务书日期:2015年12月28日课程设计任务书1．设计目的：能够根据功能要求查找相关的元器件的说明书。能够对元器件的说明书进行学习并掌握元器件的控制方法和要求。能够利用Matlab软件编写控制程序并应用Multisim、Proteus仿真软件对电路进行仿真调试。（4）能够按着规范的课程设计的格式完成课程设计报告。进一步加深对变流电路基本原理的理解，提高运用基本技能的能力.2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：设计内容：设计一个单相交流调压电路交-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。要求:1进行设计方案的比较，并选定设计方案。2完成单元电路的设计和主要元器件的说明。3完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择。4驱动电路的设计。5电路的仿真。主电路仿真采用Matlab进行，利用Simulink中模块进行建模。主控制电路仿真采用Multisim进行，利用Multisim中自带模型所建原理图。3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：1.根据具体设计课题的技术指标和给定条件，独立进行方案论证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；2.查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数，对设计方案进行仿真；3.完成设计说明书，说明书中要有设计方案，设计电路图，还要有仿真结果；课程设计任务书4．主要参考文献：[1］李维波，MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社，2007［2］王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5［3］李传奇，电力电子技术计算机仿真实验（M），机械工业出版社20065．设计成果形式及要求：1．设计任务书2．设计方案3．主电路图4．驱动电路和保护电路图5．电路参数计算及元器件选择清单6．主电路和驱动电路工作原理分析7主要节点电压和电流波形8．参考文献。6．工作计划及进度：201512月28日~12月30日查找资料，确定方案1月1日~1月3日设计硬件电路，绘制电路原理图1月4日~1月6日软件设计，并调试通过1月7日~1月8日编写课程设计报告，答辩或成绩考核系主任审查意见：

签字：年月日第第Ⅰ页共Ⅰ页目录1单相交流调压电路的设计·············································12设计方案选择····························································13设计原理································································24设计内容原理图··························································34.1主电路的设计························································34.2控制电路的设计······················································54.2.1触发信号的种类··················································54.2.2触发电路的设计··················································55保护电路的设计··························································85.1过电压保护·························································85.2过电流保护··························································96总电路图·······························································107单相交流调压电路仿真结果及结果分析·····································117.1仿真结果···························································117.2结果分析···························································148设计体会·······························································16参考文献·································································17第第页共17页3设计原理本实验采用了锯齿波移相触发器。该触发器适用于双相晶闸管或两只反并联晶闸管电路的交流相位控制，具有控制方式简单的优点。图为电阻负载单相交流调压电路图以其波形。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的触发延迟角α进行控制就可以调节输出电压。正负半周α起始时刻（α=0）均为电压过零时刻。在稳态情况下，应使正负半周的α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α的变化就可以实现输出电压的控制。上述电路在触发延迟角α时，负载电压有效值U0、负载电流有效值I0、晶闸管电流有效值IVT和电路的功率因数λ分别为4设计内容原理图4.1主电路的设计所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。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。此外，在高电压小电流或低电压流之流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。本次课程设计主要是研究单相交流调压电路的设计。由于交流调压电路的工作情况与负载的性质有很大的关系，因此下面就反电势电阻负载予以重点讨论。图1、图2分别为反电势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U2的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的移相控制角进行控制就可以调节输出电压正、负半周α起始时刻α=0，均为电压过零时刻。在时，对VT1施加触发脉冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。在时，对VT2施加触发脉冲，当VT2正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在时，电源电压过零，VT2自然关断。当电源电压反向过零时，由于反电动势负载阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点。稳态时，正负半周的相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（电源电流）和负载电压的波形相似。4.2控制电路的设计4.2.1触发信号的种类晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当正向电压、电流信号(触发信号)。门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。1.直流信号：在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通。这种触发方式在实际中应用极少。因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，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，也有可能造成晶闸管的损坏。2.交流信号：在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压uc=ut时，晶闸管导通。ut是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变u。值，可改变触发延迟角α。这种触发形式也存在许多缺点，如：在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定，可通过交流电压u。值来调节，调节的变化范围较小(00≤α≤900)。脉冲信号：在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。因此，触发信号多采用脉冲形式。4.2.2触发电路的设计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。广义上讲，晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路，但这里专指脉冲的放大和输出环节。晶闸管触发电路应满足下列要求：触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，对反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发；2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增加为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也许增加，一般需达1-2A/us；3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；4）应有的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。KC05触发芯片具有锯齿波形好，移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制，有失交保护，输出电流大等优点，是交流调光，调压的理想电路。KC05电路也适用于作半控或全控桥式线路的相位控制。同步电压由KC05的15、16脚输入，在TP1点可以观测到锯齿波，RP1电位器调节锯齿波的斜率，Rp2电位器调节移相角度，触发脉冲从第9脚，经脉冲变压器输出。调节电位器RP1，观察锯齿波斜率是否变化，调节RP2，可以观察输出脉冲的移相范围如何变化单相交流调压触发电路原理图如图4所示：集成块的电参数电源电压：外接直流电压+15V，允许波动±5％(±10％功能正常)。电源电流：≤l2mA。同步电压：≥l0V。同步输入端允许最大同步电流：3mA(有效值)。移相范围：≥l70°(同步电压30V，同步输入电阻10kΩ)。移相输入端偏置电流≤l0µA。锯齿波幅度：≥7～8.5V。输出脉冲：a.脉冲宽度：l00µs～2ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。b．脉冲幅度：>13V。c．最大输出能力：200mA(吸收脉冲电流)。d．输出反压：BVceo≥l8V(测试条件：Ie=100µA）允许使用环境温度：-l0～70℃。5保护电路的设计在电力电子电路中，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、过电流、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。5.1过电压保护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：1）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。2）关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，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。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，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，过电压保护电路如图5所示。5.2过电流保护当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、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，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。如图所示，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。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。6总电路图7单相交流调压电路仿真结果及结果分析7.1仿真结果7.2结果分析上面图5图10给出了分别为0度、30度，60度，90度、150度和180度时单相交流调压电路的纯电阻负载的电压和电流的仿真波形。当晶闸管触发控制角=0时，U=U2，负载两端的电压U和流过其电流LRI的波形均为正弦波。当>0时，U、LRI的波形为非正弦波，控制角从0~180度范围改变时，输出电压有效值U从U2下降到0，控制角对输出电压U的移相可控区域是0180度。把角等于0度、30度，60度，90度、150度和180度分别代入下式观察图5图10的仿真波形，可得到随着角增大，负载两端电压U的波形的曲线部分的宽度越来越窄，则其有效值将不断减小。由此可知，理论分析与仿真结果是一致的。在Sim库环境下利用电力系统模块库中的电力电子器件组建单相交流调压纯电阻电路，并对电路进行相应的理论分析和仿真实验。仿真实验结果表明，通过控制角的大小，单相交流调压电路能够得到很