單相交流調(diào)壓電路的課程設計

1、 電力電子技術課程設計說明書 單相交流調(diào)壓電路的設計 院 、 部： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 李嘯龍 指導教師： 肖文英 職稱 副教授 專 業(yè)： 自動化 班 級： 1101班 完成時間： 2014年5月 摘要 交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光燈和舞臺燈光控制）及異步電動機的軟啟動，也用于異步電動機調(diào)速。在電力系統(tǒng)中，這種電路還常用于對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。在這些電源中如采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很多晶閘管串聯(lián)；同樣，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)。這都是十分不合理的

2、。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側調(diào)壓，其電壓、電流值都比較適中，在變壓器二次側只要用二極管整流就這樣的電路體積小、成本低、易于設計制造。單相交流調(diào)壓電路是對單相交流電的電壓進行調(diào)節(jié)的電路。用在電熱制、交流電動機速度控制、燈光控制和交流穩(wěn)壓器等合。與自耦變壓器調(diào)壓方法相比，交流調(diào)壓電路控制簡便，調(diào)節(jié)速度快，裝置的重量輕、體積小，有色金屬耗也少關鍵詞：交流；調(diào)壓；電動機調(diào)速；電力系統(tǒng)；變壓器； abstractac voltage circuit is widely used in lighting control (such as dimmer and stage lighting contro

3、l) and asynchronous motor, also used in the soft start-up induction motor drive. in the power system, the circuit is also often used to reactive power of continuous adjustment. in addition, in high voltage and low voltage, current, or small current dc power supply, often also adopt ac voltage transf

4、ormer voltage regulating circuit. in these power such as using thyristor rectifier circuit control of high voltage, low current controlled dc power needs many thyristor series, similarly, low voltage dc current needs many thyristor parallel. this is very reasonable. adopt ac voltage transformer volt

5、age circuit in the side, the voltage and current are moderate, as in transformer with diode rectifier side. this circuit, small volume, low cost, easy to design and manufacture.single-phase ac voltage circuit of single-phase ac voltage is to adjust the circuit. used in electric heating system, ac mo

6、tor speed control, lighting control and ac stabilizer etc. since the voltage transformer with decoupling method, exchange regulating circuit control and speed regulation, the device, light weight, small size, non-ferrous metal consumption is lesskey words: communication; voltage regulation; motor dr

7、ive; power system; transformer; 目錄 1 單相交流調(diào)壓電路設計目的及務5 11設計目的51.2設計要求及分析51.3 設計方案選擇5 2 單相交流調(diào)壓主電路設計及分析52.1電阻負載6 2.1.1建立模型仿真6 2.1.2仿真參數(shù)設置6 2.1.3結果分析102.2阻負載感113 觸發(fā)電路164 保護電路18 4.1保護電路設計18 4.2過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護18 4.3晶閘管過電流保護195 總電路圖216 單相交流調(diào)壓電路參數(shù)設定與計算216.1單相交流調(diào)壓變流器參數(shù)設定216.2單相交流調(diào)壓變流器電路分析216.3輸出平均電壓、電流及輸出有功功率227

8、 總結與體會24參考文獻25致謝26附錄271單相交流調(diào)壓電路設計目的及任務1.1設計目的 電力電子技術是專業(yè)技術基礎課，做課程設計是為了讓我們運用學過的電路原理的知識，獨立進行查找資料、選擇方案、設計電路、撰寫報告、制作電路等，進一步加深對變流電路基本原理的理解，提高運用基本技能的能力，為今后的學習和工作打下良好的基礎，同時也鍛煉了自己的實踐能力。1.2設計要求及分析：設計一個單相交流調(diào)壓電路，要求觸發(fā)角為45度.反電勢負載e=40伏，輸入交流u2=210伏。分有l(wèi)b和沒有l(wèi)b兩種情況分析.l足夠大，c足夠大(1) 單相交流調(diào)壓主電路設計，原理說明；(2) 觸發(fā)電路設計，每個開關器件觸發(fā)次序

9、與相位分析；(3) 保護電路設計，過電流保護，過電壓保護原理分析；(4) 參數(shù)設定與計算(包括觸發(fā)角的選擇，輸出平均電壓，輸出平均電流，輸出有功功率計算，輸出波形分析，器件額定參數(shù)確定等可自己添加分析的參數(shù))；由以上要求可知該系統(tǒng)設計可分為四個部分：交流調(diào)壓主電路設計、觸發(fā)電路設計、保護電路設計及相關計算和波形分析部分。下面分別做詳細的介紹。1.3 設計方案選擇本課程設計方法：采用兩個普通晶閘管反向并聯(lián)設計單相交流調(diào)壓電路。2單相交流調(diào)壓主電路設計及分析所謂交流調(diào)壓就是將兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，在每半個周波內(nèi)通過控制晶閘管開通相位，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。交流調(diào)壓電路廣泛用

10、于燈光控制及異步電動機的軟啟動，也用于異步電動機調(diào)速。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流之流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。本次課程設計主要是研究單相交流調(diào)壓電路的設計。由于交流調(diào)壓電路的工作情況與負載的性質(zhì)有很大的關系，因此下面就反電勢電阻負載予以重點討論。2.1電阻負載圖1、圖2分別為反電勢電阻負載單相交流調(diào)壓電路圖及其波形。圖中的晶閘管vt1和vt2也可以用一個雙向晶閘管代替。在交流電源u2的正半周和負半周，分別對vt1和vt2的移相控制角 進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。圖1 反電勢電阻負載單相交流調(diào)壓電路圖 圖2 輸入輸出電壓及電流波形圖 2.1.1建立模型仿真根據(jù)原理圖

11、用matalb軟件畫出正確的仿真電路圖2-3，2.1.2仿真參數(shù)設置設置觸發(fā)脈沖分別為30、60、90、120。與其產(chǎn)生的相應波形分別如圖2-4、圖2-5、圖2-6、圖2-7。在波形圖中第一列波為晶閘管電流波形，第二列波為晶閘管電壓波形，第三列波為負載電流波形，第四列波為負載電壓波形。圖3 matlab電阻負載仿真圖4 0時，單相交流調(diào)壓電路波形圖5 30時，單相交流調(diào)壓電路波形圖6 60時，單相交流調(diào)壓電路波形圖7 90時，單相交流調(diào)壓電路波形圖8 150時，單相交流調(diào)壓電路波形圖9 180時，單相交流調(diào)壓電路波形2.1.3 結果分析上面圖5-圖10給出了分別為0度、 30度， 60度，90

12、度、150度和180度時單相交流調(diào)壓電路的純電阻負載的電壓和電流的仿真波形。當晶閘管觸發(fā)控制角=0時，u=u2 ，負載兩端的電壓u和流過其電流的波形均為正弦波。當0時，u、的波形為非正弦波，控制角從0180度范圍改變時，輸出電壓有效值u從u2下降到0，控制角對輸出電壓u的移相可控區(qū)域是0-180度。把角等于0度、 30度， 60度，90度、150度和180度分別代入下式可求得：= 觀察圖5-圖10的仿真波形，可得到隨著角增大，負載兩端電壓u的波形的曲線部分的寬度越來越窄，則其有效值將不斷減小。由此可知，理論分析與仿真結果是一致的。在sim庫環(huán)境下利用電力系統(tǒng)模塊庫中的電力電子器件組建單相交流調(diào)

13、壓純電阻電路，并對電路進行相應的理論分析和仿真實驗。仿真實驗結果表明，通過控制角的大小，單相交流調(diào)壓電路能夠得到很好的調(diào)壓結果。22 阻感負載由于感性負載本身滯后于電壓一定角度，再加上相位控制產(chǎn)生的滯后，使得交流調(diào)壓電路在感性負載下大的工作情況更為復雜，其輸出電壓、電流波形與控制角、負載阻抗角都有關系。其中負載阻抗角,相當于在電阻電感負載上加上純正弦交流電壓時，其電流滯后于電壓的角度為。為了更好的分析單相交流調(diào)壓電路在感性負載下的工作情況，此處分三種工況分別進行討論。（1） 情況圖10阻感負載電路圖圖11 阻感負載工作波形圖上圖所示為單相反并聯(lián)交流調(diào)壓電路帶感性負載時的電路圖，以及在控制角觸發(fā)

14、導通時的輸出波形圖，同電阻負載一樣，在的正半周角時，觸發(fā)導通，輸出電壓等于電源電壓，電流波形從0開始上升。由于是感性負載，電流滯后于電壓，當電壓達到過零點時電流不為0，之后繼續(xù)下降，輸出電壓出現(xiàn)負值，直到電流下降到0時，自然關斷，輸出電壓等于0，正半周結束，期間電流從0開始上升到再次下降到0這段區(qū)間稱為導通角。由后面的分析可知，在工況下，因此在脈沖到來之前已關斷，正負電流不連續(xù)。在電源的負半周導通，工作原理與正半周相同，在斷續(xù)期間，晶閘管兩端電壓波形如圖1-4所示。為了分析負載電流的表達式及導通角與、之間的關系，假設電壓坐標原點如圖所示，在時刻晶閘管t導通，負載電流i應滿足方程l=sin其初始

15、條件為 i|=0,解該方程，可以得出負載電流i在區(qū)間內(nèi)的表達式為 i=.當=時，i=0，代入上式得，可求出與、之間的關系為sin（-）=sin（-）e利用上式，可以把與、之間的關系用下圖的一簇曲線來表示。圖12 與、之間的關系曲線圖中以為參變量，當=0時代表電阻性負載，此時=180-；若為某一特定角度，則當 時，=180，當時，隨著的增加而減小。上述電路在控制角為時，交流輸出電壓有效值u、負載電流有效值i、晶閘管電流有效值i分別為u=ui=2ii= i式中，i為當=0時，負載電流的最大有效值，其值為i=為晶閘管有效值的標玄值，其值為=由上式可以看出，是及的函數(shù)下圖給出了以負載阻抗角為參變量時，

16、晶閘管電流標幺值與控制角的關系曲線。圖13 晶閘管電流標幺值與控制角的關系曲線當、已知時，可由該曲線查出晶閘管電流標幺值，進而求出負載電流有效值i及晶閘管電流有效值i。（2）=情況當控制角=時，負載電流i的表達式中的第二項為零，相當于滯后電源電壓角的純正弦電流，此時導通角=180，即當正半周晶閘管t關斷時，t恰好觸發(fā)導通，負載電流i連續(xù)，該工況下兩個晶閘管相當于兩個二極管，或輸入輸出直接相連，輸出電壓及電流連續(xù)，無調(diào)壓作用。圖14 =情況下的輸出波形(3) 情況在工況下，阻抗角相對較大，相當于負載的電感作用較強，使得負載電流嚴重滯后于電壓，晶閘管的導通時間較長，此時式仍然適用，由于，公式右端小

17、于0，只有當時左端才能小于0，因此，如圖所示，如果用窄脈沖觸發(fā)晶閘管，在時刻被觸發(fā)導通，由于其導通角大于180，在負半周時刻為發(fā)出出發(fā)脈沖時，還未關斷，因受反壓不能導通,繼續(xù)導通直到在時刻因電流過零關斷時，的窄脈沖已撤除，仍然不能導通，直到下一周期再次被觸發(fā)導通。這樣就形成只有一個晶閘管反復通斷的不正常情況，始終為單一方向，在電路中產(chǎn)生較大的直流分量；因此為了避免這種情況發(fā)生，應采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)方式。圖15 窄脈沖觸發(fā)方式綜上所述，當單相交流調(diào)壓電路帶感性負載時，為了可靠、有效的工作，并實現(xiàn)調(diào)壓的目的，應使控制角的移相范圍保持在之間，同時為了避免出現(xiàn)直流分量，晶閘管的控制脈沖應采用寬脈沖

18、或脈沖列觸發(fā)。 3 觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要要的時刻有阻斷轉為導通。廣義上講，晶閘管觸發(fā)電路往往還包括對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路，但這里專指脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：1）觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，對反電動勢負載的變流器應采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)； 2）觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增加為器件最大觸發(fā)電流的3-5倍，脈沖前沿的陡度也許增加，一般需達1-2a/us；3）所提供的觸發(fā)脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)；4）應有的抗干擾性能

19、、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。根據(jù)以上要求分析，采用kc05移相觸發(fā)器進行觸發(fā)電路的設計。kco5可控硅移相觸發(fā)器適用于雙向可控硅或兩只反向并聯(lián)可控硅的交流相位控制。kc05引腳圖如圖3所示：圖16 kc05引腳圖kc05觸發(fā)芯片具有鋸齒波形好，移相范圍寬，控制方式簡單，易于集中控制，有失交保護，輸出電流大等優(yōu)點，是交流調(diào)光，調(diào)壓的理想電路。kc05電路也適用于作半控或全控橋式線路的相位控制。同步電壓由kc05的15、16腳輸入，在tp1點可以觀測到鋸齒波，rp1電位器調(diào)節(jié)鋸齒波的斜率，rp2電位器調(diào)節(jié)移相角度，觸發(fā)脈沖從第9腳，經(jīng)脈沖變壓器輸出。調(diào)節(jié)電位器rp1，觀察鋸齒波斜率是否變化，

20、調(diào)節(jié)rp2，可以觀察輸出脈沖的移相范圍如何變化單相交流調(diào)壓觸發(fā)電路原理圖如圖4所示：集成塊的電參數(shù)電源電壓：外接直流電壓+15v，允許波動5(10功能正常)。電源電流：l2ma。同步電壓：l0v。同步輸入端允許最大同步電流：3ma(有效值)。移相范圍：l70(同步電壓30v，同步輸入電阻10k)。移相輸入端偏置電流l0a。鋸齒波幅度：78.5v。輸出脈沖：a脈沖寬度：l00s2 ms(通過改變脈寬阻容元件達到)。b脈沖幅度：13v。c最大輸出能力：200ma(吸收脈沖電流)。d輸出反壓：bvceol8v(測試條件：ie=100a允許使用環(huán)境溫度：-l070。 圖17 單相交流調(diào)壓觸發(fā)電路原理圖

21、4保護電路4.1保護電路設計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓、過電流、du/dt保護和di/dt 保護也是必要的。4.2 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)應過電壓兩類。外應過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：1）操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓，快速直流開關的切斷等經(jīng)常性操作中的電磁過程引起的過壓。2）雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關過程，包括：1）換相過電壓：由于晶閘管或者全控器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷

22、能力，因而有較大的反向電流流過，使殘存的載流子恢復，當其恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極之間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過電壓。2）關斷過電壓：全控型器件在較高的頻率下工作，當器件關斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。過壓保護要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓

23、時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護電路如圖2-3所示。圖18 rc阻容過電壓保護電路圖4.3 晶閘管的過電流保護熔斷器fu是最簡單有效的且應用最普遍的過電流保護器件。針對晶閘管熱容量小、過電流能力差的特點，專門為保護大功率半導體變流元件而制造了快速熔斷器，簡稱快熔。其熔斷時間小于20ms，能保證在晶閘管損壞之前快熔切斷短路故障，達到保護晶閘管的目的（見圖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（匯流排式）系列、rs3系列、rsf系列等。

24、快熔斷的選擇：快熔的額定電壓urn不小于線路正常工作電壓的均方根值；快熔的額定電流irn應按它所保護的元件實際流過的電流的均方根值來選擇，而不是根據(jù)元件型號上標出的額定電流ir(av)來選擇，一般應小于被保護晶閘管的額定有效值1.57 ir(av)。即可按下式選擇： 1.57 ir(av)irnitm (管子實際最大電流有效值)通過上述公式我們選擇熔斷器為rs3-80，額定電壓為250v,電流10a的快速熔斷器 。 當電力電子電路運行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。當器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或

25、過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進行適當?shù)倪^流保護。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種的過流保護措施。圖19 過電流保護電路圖過電流保護電路如圖6所示，其中交流側接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側短路起保護作用，但要求正常工作時，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對元件的短路故障所起的保護作用較差。直流側接快速熔斷器只對負載短路起保護作用，對元件無保護作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對元件的保護作用最好，因為它們流過同個電流因而被廣泛使用。電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷

26、路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。5總電路圖見附錄。六單相交流調(diào)壓電路參數(shù)設定與計算6.1單相交流調(diào)壓變流器參數(shù)設定：要求觸發(fā)角為45度，反電勢負載e=40伏，輸入交流u2=210伏。分有l(wèi)b和沒有l(wèi)b兩種情況分析，l足夠大，c足夠大。6.2單相交流調(diào)壓變流器電路分析：在單相交流調(diào)壓電路原理圖中，晶閘管vt1和vt2也可以用一個雙向晶閘管代替。在交流電源u2的正半周和負半周，分別對vt1和vt2的開通角 進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負半周 起始時刻（ =0）均為電壓過零時刻。在穩(wěn)態(tài)情況下應是正負半周的相等，可以看出，負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流

27、和負載電壓的波形相同。6.3 輸出平均電壓、電流及輸出有功功率的計算首先設定電阻值 ，分有l(wèi)b和沒有l(wèi)b兩種情況分析。當沒有漏感l(wèi)b時，設上述電路在開通角為 時，負載電壓的有效值為u0、負載電流有效值為i0、晶閘管電流有效值為ivt和電路功率因數(shù)為 。根據(jù)公式計算得出如下結果：=201.87v (1)=2.02a (2)ivt=1.43a (3)=0.961 (4)當考慮漏感l(wèi)b時，實際上變壓器繞組總有漏感。由于電感對電流變化起阻礙作用，電感電流不能突變，因而換相過程不能瞬間完成，而是會持續(xù)一段時間。下面分析漏感l(wèi)b在換相過程中對相關參數(shù)的影響。換相過程中，輸出電壓瞬時值為 (5)由此可知，在

28、換相過程中，整流電壓u d為同時的兩個晶閘管隨對應的兩個相電壓的平均值。與不考慮變壓器漏感時相比，每次換相u d減少了一塊，導致u d平均是減低，降低多少用u d表示，稱為換相壓降。 (6)其中xb=w lb。xb為漏感l(wèi)b的變壓器折算到二次項的漏電抗。同時我們可以得到換相重疊角，通過下式可得到。 換相重疊角隨其它參數(shù)變化的規(guī)律如下：當id越大時則越大；當xb越大時越大；當 =90時， 越小 則越大。漏感對電路影響結果分析如下：（1） 出現(xiàn)換相重疊角，整流輸出電壓平均值ud降低。（2） 整流電路的工作狀態(tài)增多（3） 晶閘管的di/dt減小，有利于晶閘管的安全開通。有時人為串入進線電抗器以抑制晶

29、閘管的 di/d t。（4） 換相時晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使晶閘管誤導通，為此必須加吸收電路。（5） 換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。7總結與體會這次電力電子技術課程設計，讓我們有機會將課堂上所學的理論知識運用到實際中。并通過對知識的綜合利用，進行必要的分析，比較。從而進一步驗證了所學的理論知識。同時，這次課程設計也為我們以后的學習打下基礎。指導我們在以后的學習，多動腦的同時，要善于自己去發(fā)現(xiàn)并解決問題。這次的課程設計，還讓我知道了最重要的是心態(tài)，在你拿到題目時會覺得困難，但是只要充滿信心，就肯定會完成的。通過電力電子技術課程設計，我加深了對課本專業(yè)知識的理解，平常都是理論知識的學習，在此次課程設計中，真正做到了自己查閱資料、完成一個基本匯編程序的設計。在此次的設計過程中，我更進一步地熟悉了單相交流調(diào)壓電路的原理以及觸發(fā)電路的設計。當然