單相調(diào)壓電路

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 單相交流調(diào)壓電路 系 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 肖文英 職稱 副教授 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣本1105班 完成時間： 2014年5月20 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

2、合理的。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓，其電壓、電流值都比較適中，在變壓器二次側(cè)只要用二極管整流就可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設(shè)計制造。單相交流調(diào)壓電路是對單相交流電的電壓進(jìn)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。 本次試驗的題目是單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計，主要是設(shè)計出主電路和觸發(fā)電路，通過觸發(fā)電路觸發(fā)主電路中的反并聯(lián)的晶閘管來控制負(fù)載電壓電流。觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖的延遲角也是可以調(diào)節(jié)的，通過對它的調(diào)節(jié)來達(dá)到對輸出控制的目的。在MATLAB中連接好總電

3、路圖，用示波器觀察輸出結(jié)果，直接方便。MATLAB這一功能強大的軟件給我們帶來了很多方便，讓我們對于設(shè)計電路的結(jié)果分析更加清楚明確。關(guān)鍵詞：交流；調(diào)壓；電動機調(diào)速；電力系統(tǒng)；變壓器；示波器ABSTRACT AC voltage regulation circuit is widely used in lighting control (such as dimmer and stage lighting control) and asynchronous motor soft start, also for adjustable speed asynchronous motor. In powe

4、r system, the circuit is also often used forcontinuous adjustment of the wattless power. In addition, in the high voltage and low current or low voltage and high current DC power supply, often using AC voltage regulating transformer voltage regulating circuit. In these power such as using thyristor

5、phase controlled rectifier circuit, high voltage and low currentcontrolled DC power supply needs many thyristor series; similarly, low voltage and high current DC power needs many thyristor parallel. This is veryunreasonable. The AC voltage regulation circuit on the primary side of atransformer volt

6、age regulation are moderate, its voltage, current value, in the twoside of the transformer can be used as long as the diode rectifier. The size of a circuit is such a small, low cost, easy to design and manufacture. Single phaseAC voltage regulation circuit of single-phase AC voltage regulating circ

7、uit. Used in electric heating system, AC motor speed control, lighting control and AC stabilizer etc. With self coupling transformer voltage regulating method, AC voltage regulation circuit of simple control, fast regulating speed, device, light weight and small size,less consumption of non-ferrous

8、metals. The test of the topic is to design a single-phase AC voltage regulation circuit, is the design of main circuit and trigger circuit, to control the load voltage and current through the thyristor trigger circuit to trigger parallel reverse in the main circuit of the tube. The trigger circuit p

9、roduces a trigger pulse delay angle isadjustable, adjust it to output control purposes. Connect the total circuit in MATLAB, observe the output using the oscilloscope, direct and convenient.Software MATLAB this powerful brings us a lot of convenience, let us for the design of circuit analysis result

10、s more clearly.Keywords: alternating current; voltage; motor; power system; transformer;oscilloscope目 錄 一、電路設(shè)計的目的及任務(wù)11.1設(shè)計目的11.2設(shè)計要求及分析11.3 電路設(shè)計任務(wù)11.4 設(shè)計方案選擇2二、單相交流調(diào)壓主電路設(shè)計及分析22.1 電阻性負(fù)載2 2.1.1 電阻性負(fù)載的交流調(diào)壓器的原理分析3 2.1.2 結(jié)果分析62.2阻感負(fù)載7 2.2.1電路結(jié)構(gòu)8 2.2.2工作原理8 2.2.3模型仿真圖9 2.2.4仿真圖92.3 控制電路設(shè)計102.4 觸發(fā)電路設(shè)計102.5

11、 保護(hù)電路設(shè)計11三、單相交流電壓電路設(shè)計總電路圖13單相交流調(diào)壓電路總結(jié)及體會14參考文獻(xiàn)15致謝161、 電路設(shè)計的目的及任務(wù)1.1設(shè)計目的 電力電子技術(shù)是專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，做課程設(shè)計是為了讓我們運用學(xué)過的電路原理的知識，獨立進(jìn)行查找資料、選擇方案、設(shè)計電路、撰寫報告、制作電路等，進(jìn)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(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)，同時也鍛煉了自己的實踐能力。1.2設(shè)計要求及分析設(shè)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(fù)載E=40伏，輸入交流U2=210伏。分有LB和沒有LB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(shè)計，

12、原理說明；2觸發(fā)電路設(shè)計，每個開關(guān)器件觸發(fā)次序與相位分析；3保護(hù)電路設(shè)計，過電流保護(hù)，過電壓保護(hù)原理分析；4參數(shù)設(shè)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(shè)計可分為四個部分：交流調(diào)壓主電路設(shè)計、觸發(fā)電路設(shè)計、保護(hù)電路設(shè)計及相關(guān)計算和波形分析部分。下面分別做詳細(xì)的介紹。1.3 電路設(shè)計任務(wù)1 進(jìn)行設(shè)計方案的比較，并選定設(shè)計方案。2 完成單元電路的設(shè)計和主要元器件的說明。3 完成主電路的原理分析，各主要元器件的選擇。4 驅(qū)動電路的設(shè)計。5 電路的仿真。 1.4 設(shè)計方案選擇采用兩個普通晶

13、閘管反向并聯(lián)設(shè)計單相交流調(diào)壓電路。2、 單相交流調(diào)壓主電路設(shè)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(shè)計主要是研究單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計。由于交流調(diào)壓電路的工作情況與負(fù)載的性質(zhì)有很大的關(guān)系，因此下面就反電勢電阻負(fù)載予以重點討論。2.1 電阻性負(fù)載由于題目要求輸出電壓范圍為0100V，所以方案可選電阻性負(fù)載或阻感性負(fù)載。本電路采用單相交流調(diào)壓

14、器帶阻感負(fù)載時的電路圖如圖2-1所示，在負(fù)載和交流電源間用兩個反并聯(lián)的晶閘管VT1，VT2相連。 圖2-12.1.1 電阻性負(fù)載的交流調(diào)壓器的原理分析 其晶閘管VT1和VT2反并聯(lián)連接，與負(fù)載電阻R串聯(lián)接到交流電源上。當(dāng)電源電壓U2正半周開始時刻觸發(fā)VT1，負(fù)半周開始時刻觸發(fā)VT2，形同一個無觸點開關(guān)。若正、負(fù)半周以同樣的移相角觸發(fā)VT1和VT2，則負(fù)載電壓有效值隨角而改變，實現(xiàn)了交流調(diào)壓。移相角為時的輸出電壓u的波形， 波形如圖2-2所示。圖2-2 輸入輸出電壓及電流波形圖 （1） 建立模型仿真根據(jù)原理圖用matalb軟件畫出正確的仿真電路圖2-3， 圖2-3（2）仿真參數(shù)設(shè)置設(shè)置觸發(fā)脈沖分

15、別為30、60、90、120。與其產(chǎn)生的相應(yīng)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(fù)載電流波形，第四列波為負(fù)載電壓波形圖2-4晶閘管電流波形圖2-5晶閘管電壓波形圖2-6負(fù)載電流波形圖2-7負(fù)載電壓波形2.1.2 結(jié)果分析上面圖2-4-圖2-7給出了分別為0度、 30度， 60度，90度、150度和180度時單相交流調(diào)壓電路的純電阻負(fù)載的電壓和電流的仿真波形。當(dāng)晶閘管觸發(fā)控制角=0時，U=U2 ，負(fù)載兩端的電壓U和流過其電流的波形均為正弦波。當(dāng)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

16、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度分別代入下式可得到=圖2-4-圖2-7的仿真波形，可得到隨著角增大，負(fù)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(jié)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)壓純電阻電路，并對電路進(jìn)行相應(yīng)的理論分析和仿真實驗。仿真實驗結(jié)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(jié)果2.2阻感負(fù)載由于感性負(fù)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(fù)載下大

17、的工作情況更為復(fù)雜，其輸出電壓、電流波形與控制角、負(fù)載阻抗角都有關(guān)系。其中負(fù)載阻抗角,相當(dāng)于在電阻電感負(fù)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(fù)載下的工作情況，此處分三種工況分別進(jìn)行討論。2.2.1電路結(jié)構(gòu)當(dāng)負(fù)載為電感線圈、交流電動機或變壓器繞組時，這種負(fù)載稱為阻感性負(fù)載，電路圖如圖2-8圖2-82.2.2工作原理 工作情況與單相半波整流電路帶電阻性負(fù)載時相似。當(dāng)電源電壓反向過零時，由于負(fù)載電感產(chǎn)生感應(yīng)電動勢阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時晶閘管導(dǎo)通角的大小不但與控制角a有關(guān)，而且與負(fù)載阻抗角&arctgwl/r有關(guān)。兩只晶閘管門極的起始

18、控制點分別定在電源電壓每個半周的起始點，a的最大變化范圍&=aUB時，V10、V11導(dǎo)通，V12截止，V13、V14導(dǎo)通，輸出脈沖。V4是失交保護(hù)輸出，保證了移相電壓與鋸齒波失交時晶閘管仍保持全導(dǎo)通。2.4 觸發(fā)電路設(shè)計 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(zhuǎn)為導(dǎo)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(jìn)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(yīng)滿足下列要求：1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，對反電動勢負(fù)載的變流器應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)； 2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增加為

19、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(dá)1-2A/us；3）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)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(yīng)有的抗干擾性能、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(jìn)行觸發(fā)電路的設(shè)計。KC05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驅(qū)動電路如圖3-1所示：圖3-1單相交流調(diào)壓觸發(fā)電路原理圖2.5 保護(hù)電路設(shè)計 相對于電機和繼電器，接觸器等控制器而言，電力電子器件承受過電流和過電壓的能力較差，短時間的過電流和過電壓就會把器件損壞。但又不能完全根據(jù)裝置運行時可

20、能出現(xiàn)的暫時過電流和過電壓的數(shù)值來確定器件參數(shù)，必須充分發(fā)揮器件應(yīng)有的過載能力。因此，保護(hù)就成為提高電力電子裝置運行可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)。(a) 晶閘管的過電壓保護(hù)所謂過壓保護(hù)，即指流過晶閘管兩端的電壓值超過晶閘管在正常工作時所能承受的最大峰值電壓Um都稱為過電壓，可采用閥側(cè)浪涌過電壓抑制RC電路來防止電路過壓，其電路圖見圖4-1 。如果電路中出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，因C1兩端電壓不能發(fā)生突變，從而保護(hù)了晶閘管VT1、VT2達(dá)到電路過電壓保護(hù)的目的。 電容C的耐壓應(yīng)大于正常工作時晶閘管兩端電壓峰值的1.5倍。電阻R一般取R=1030。在實際應(yīng)用中可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取表2晶閘管額定電流102010020

21、05001000電容/F0.10.150.250.512電阻/10080201052由主電路的分析可知流過晶閘管的電流不超過10A，所以我們可以選擇RC電路中的R和C分別為100、0.1uF 450V。 (b) 晶閘管的過電流保護(hù) 熔斷器FU是最簡單有效的且應(yīng)用最普遍的過電流保護(hù)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(hù)大功率半導(dǎo)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(dá)到保護(hù)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、RS

22、F系列等。 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(yīng)按它所保護(hù)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(biāo)出的額定電流Ir(AV)來選擇，一般應(yīng)小于被保護(hù)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。三、單相交流電壓電路設(shè)計總電路圖圖4-1單相交流電壓電路總電路圖課程設(shè)計體會與總結(jié)這次電力電子技術(shù)設(shè)計，讓我們有機會將課堂上所學(xué)的理論知識運用到實際中。并通過對知識的綜合運用，進(jìn)行必要的分析、比較。從而進(jìn)一步驗證了所學(xué)的理論知識。同時，這次課程設(shè)計，還讓我知道了最重要的是心態(tài)，在剛開始會覺得困難，但是只要充滿信心，就肯定會完成的。通過電力電子技術(shù)課程設(shè)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(xué)習(xí)，在此次課程設(shè)計過程中，我更進(jìn)一步地熟悉了單相交流調(diào)壓電路的原理和觸發(fā)電路的設(shè)計。當(dāng)然，在這個過程中我也遇到了困難，查閱資料，相互通過討論。我準(zhǔn)確地找出了我們的錯