电力电子-单相交流调压电路

1.主电路的设计电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大电流之流电源中，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，交流调压电路可以带电阻性负载，也可以带电感性负载，如感应电动机或其它电阻电感混合负载等。1.1电阻负载图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a起始时刻（a=0），均为电压过零时刻。在①t=a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①t=兀时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。在①t小+a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④t=2兀时，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9的大小，不但与控制角a有关，而且与负载阻抗角小有关。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。图1-1反电势电阻负载单相交流调压电路图图1-2输入输出电压及电流波形图1.2阻感负载由于感性负载本身滞后于电压一定角度，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，其输出电压、电流波形与控制角a、负载阻抗

角4都有关系。其中负载阻抗角9=arctan（wL/r），相当于在电阻电感负载上加上纯正弦交流4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a>4，a=4，a<4三种工况分别进行讨论。（1）a>4情况T1图1-3电路图图1-4工作波形图（a>4工况）上图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，在匕的正半周a角时，T触发导通，输出电压“等于电源电压，电流波形,•从0开始上升。由于是感性负载，电流,•滞后于电压u，当电压达到过零点时电流不为0，之后,•继续下降，输出电压u出现负值，直到电流下降到0时，T1自然关断，输出电压0，正半周结束，期间电流,•从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角0°。由后面的分析可知，在a＞。工况下，小＜180因此在T2脉冲到来之前T已关断，正负电流不连续。在电源的负半周T导通，工作原理与正半周相同，在•断续1 2期间，品闸管两端电压波形如图1-4所示。为了分析负载电流•的表达式及导通角0与a、。之间的关系，假设电压坐标原点如图所示，在①t=时刻品闸管T1导通，负载电流i。应满足方程L＜d-o+Ri=u=41U•sin①tt其初始条件为 i0l①t=a=0,解该方程，可以得出负载电流i0在aW①tWa+0区间内的表达式为.-v2U ± ±i=j•[sin(①t-0)-sin(a-0)e-(®-a)/tane].当①t=a+0时，i0=0，代入上式得，可求出0与a、0之间的关系为sin(a+0-0)=sin(a-0)e-0/tan0利用上式，可以把0与a、0之间的关系用下图的一簇曲线来表示。1801518015口12-0tooSO■D图中以0为参变量，当0=00时代表电阻性负载，此时0=180。«；若。为某一特定角度，则当a<0时，0=180。，当a>0时，0随着a的增加而减小。上述电路在控制角为a时，交流输出电压有效值U。、负载电流有效值I、品闸管电流有效值I分别为,U=u.|0+sin2a一sin(2a+20)I0=21。max1T1T*【.maxIT式中，I 为当a=o时，负载电流的最大有效值，其值为Iomax1T为品闸管有效值的标玄值，其值为:0sin0cos(2a+0+0)•『二一Z7-\2兀 2兀cos0T=由上式可以看出，1T是a及0的函数下图给出了以负载阻抗角0为参变量时，品闸管电流标幺值与控制角a的关系曲线。当a、。已知时，可由该曲线查出品闸管电流标幺值，进而求出负载电流有效值10及品闸管电流有效值1广。（2）a顼情况当控制角a顼时，负载电流i。的表达式中的第二项为零，相当于滞后电源电压。角的纯正弦电流，此时导通角9=180o，即当正半周品闸管T1关断时，T2恰好触发导通，负载电流i。连续，该工况下两个品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。PPPP图1-7a=。情况下的输出波形（3） a＜。情况在a＜。工况下，阻抗角。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，品闸管的导通时间较长，此时式仍然适用，由于a＜。，公式右端小于0，只有当（0+a—。）＞180。时左端才能小于0，因此9＞180。，如图所示，如果用窄脉冲触发品闸管，在wt=a时刻T1被触发导通，由于其导通角大于180。，在负半周wt=（a+兀）时刻为T2发出出发脉冲时，T还未关断，T2因受反压不能导通，T继续导通直到在"=（a+兀）时刻因T电流过零关断时，T的窄脉冲七2已撤除，T2仍然不能导通，直到下一周期T再次被触发导通。这样就形成只有一个品闸管反复通断的不正常情况，'0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。电E图1-8窄脉冲触发方式综上所述，当单相交流调压电路带感性负载时，为了可靠、有效的工作，并实现调压的目的，应使控制角的移相范围保持在。<«<180之间，同时为了避免出现直流分量，品闸管的控制脉冲应采用宽脉冲或脉冲列触发。2.控制电路的设计2.1触发电路的设计品闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证品闸管在需要要的时刻有阻断转为导通。品闸管触发电路应满足下列要求：1）触发脉冲的宽度应保证品闸管可靠导通，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品闸管门极的电压、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。根据以上要求分析，采用KC05移相触发器进行触发电路的设计。KCO5可控硅移相触发器适用于双向可控硅或两只反向并联可控硅的交流相位控制°KC05引脚图如图2-1所示:图2-1KC05引脚图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2-2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：N10V。同步输入端允许最大同步电流：3mA（有效值）。移相范围：》170°（同步电压30V，同步输入电阻10kQ）。移相输入端偏置电流忍10明。锯齿波幅度：N7〜8.5V。输出脉冲：

脉冲宽度：100期〜2ms（通过改变脉宽阻容元件达到）。脉冲幅度:>13V。最大输出能力：200mA（吸收脉冲电流）。输出反压：BVceoN18V（测试条件：Ie=100M允许使用环境温度：-10〜70°C。图2-2单相交流调压触发电路原理图2.2保护电路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。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应过电压两类。外应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：1） 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。2） 雷击过电压：由雷击引起的过电压。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：1） 换相过电压：由于品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品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，当达到一定电压值时，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2-3所示。图2-3RC阻容过电压保护电路图（b）品闸管的过电流保护熔断器FU是最简单有效的且应用最普遍的过电流保护器件。针对品闸管热容量小、过电流能力差的特点，专门为保护大功率半导体变流元件而制造了快速熔断器，简称快熔。其熔断时间小于20ms，能保证在品闸管损坏之前快熔切断短路故障，达到保护品闸管的目的（见图4-2）。目前常用的快熔有：小容量RLS（螺旋式）系列、大容量RTK（插入式）系列、RS0（汇流排式）系列、RS3系列、RSF系列等。快熔断的选择：快熔的额定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的元件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流Ir（AV）来选择，一般应小于被保护品闸管的额定有效值1.57Ir（AV）。即可按下式选择：1.57Ir（AV）NIRNNITM（管子实际最大电流有效值）通过上述公式我们选择熔断器为RS3-80，额定电压为250V,电流10A的快速熔断器。

图2-4单相交流调压电路总电路图如上图所示，R7、C3为阻容滤波器，R8、C4为品闸管的过电压保护，快速熔断器是品闸管的过电流保护。3.结论交流调压电路是采用相位控制方式的交流电力控制电路，通常是将两个品闸管反并联后串联在每相交流电源与负载之间。在电源的每半个周期内触发一次品闸管，使之导通。与相控整流电路一样，通过控制品闸管开通时所对应的相位，可以方便的调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。其品闸管可以利用电源自然换相，无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，系统响应速度较快，但它也存在深控时功率因数较低，易产生高次谐波等缺点。单相交流调压电路是对单相交流电的电压进行调节的电路。交流调压电路主要应用在电热控制、交流电动机速度控制、交流稳压器等场合，主要有灯光调节（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、需控制的家用电器等），泵及风机等异步电动机的软起动，交流电机的调压调速（如纺织、造纸、冶金等领域的调压调速），随电机负载大小自动调压（对于起动机等有较长时间空载或轻载的负荷，自动调压可以节省电能），变压器初级调压（在高压小电流或低压大电流直流电源中，如采用品闸管相孔整流电路，需要很多品闸管串联或并联，若采用交流调压电路在变压器初级调压。其电压电流值都比较合理，在变压器次级只要用二极管整流即可，从而达到减少体积、减低成本的目的）。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。4.设计体会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。并通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较。从而进一步验证了所学的理论知识。指导我们在以后的学习，多动脑的同时，要善于自己去发现并解决问题。这次的课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在你拿到题目时会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。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，真正做到了自己查阅资料、完成一个基本汇编程序的设计。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