電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、單相交流調(diào)壓調(diào)功課程設(shè)計(jì)電力電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)單相交流調(diào)壓調(diào)功設(shè)計(jì) 姓 名：李文利 班 級：電氣10-1學(xué) 號：12指導(dǎo)教師：張繼華 完成日期：2013年1月19日學(xué) 期2012/2013第一學(xué)期姓 名李文利專 業(yè)電氣工程及其自動化班 級電氣10-1課程名稱電力電子技術(shù)論文題目單相交流調(diào)壓調(diào)功課程設(shè)計(jì)評定標(biāo)準(zhǔn)評定指標(biāo)分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15結(jié)合實(shí)際性10知識掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100評語：任課教師時 間年 月 日備 注遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績評定表課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書一、設(shè)計(jì)題目單相交流調(diào)壓調(diào)功課程設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)1 分析單相交流調(diào)壓調(diào)

2、功的原理2 交流調(diào)壓電路波形分析3 設(shè)計(jì)方案4 分析結(jié)果三、設(shè)計(jì)計(jì)劃第1天選題，查資料；第2天電路原理分析第3天電路原理設(shè)計(jì)第4天編寫整理設(shè)計(jì)說明書第5天答辯四、設(shè)計(jì)要求1. 畫出整體電路圖。2.所設(shè)計(jì)的電路達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)要求。3. 分析結(jié)果，寫出設(shè)計(jì)說明書。指 導(dǎo) 教師：教研室主任：時 間： 年 月 日摘要把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過晶閘管的控制就可以控制交流電力。這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電力控制電路。交流調(diào)壓電路廣泛應(yīng)用于燈光控制及異步電動機(jī)軟啟動，也用于異步電動機(jī)調(diào)速。交流調(diào)功電路和交流調(diào)壓電路的形式完全相同，只是控制方式不同，交流調(diào)功電路不是在每個交流電源周期都

3、是通過觸發(fā)延遲角對輸出的電壓波形進(jìn)行控制的，而是將負(fù)載與交流電源接通幾個整周波，在斷開幾個整周波，通過改變接通周波數(shù)和斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。交流調(diào)功電路通常用于電爐的溫度控制，因其直接調(diào)節(jié)對象就是電路的平均輸出功率，所以稱為交流調(diào)功電路。本設(shè)計(jì)主要是研究單相交流調(diào)壓調(diào)功電路。關(guān)鍵詞：反并聯(lián) 電力控制 觸發(fā)角目錄前言1第一章 調(diào)壓調(diào)功原理簡介2第二章 交流調(diào)壓電路波形及相控特性分析32.1 帶電阻性負(fù)載32.1.1 原理32.1.2 計(jì)算與分析32.2 帶阻感性負(fù)載42.2.1 原理分析42.2.2 計(jì)算與分析42.2.3 <的情況5第三章 方案設(shè)計(jì)73.1 主電路的

4、設(shè)計(jì)73.1.1 主電路圖73.1.2 參數(shù)計(jì)算73.1.3 調(diào)功電路的設(shè)計(jì)83.2 觸發(fā)電路的選擇83.2.1 選擇83.2.2 觸發(fā)電路封裝形式93.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)93.3.1 原理93.3.2 計(jì)算10第四章 個人總結(jié)11參考文獻(xiàn)12前言交流-交流變流電路，即把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路。在進(jìn)行交流-交流變流時，可以改變相關(guān)的電壓（電流）、頻率和相數(shù)等。交流-交流變流電路可以分為直接方式和間接方式兩種。而間接方式可以看做交流-直流變換電路和直流-交流變換電路的組合，故交-交變流主要指直接方式。其中，只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，而不改變頻率的電路稱為交流電力控制

5、電路，改變頻率的電路稱為變頻電路。采用相位控制的交流電力控制電路，即交流調(diào)壓電路；采用通斷控制的交流電力控制電路，即交流調(diào)功電路和交流無觸點(diǎn)開關(guān)。交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制及異步電動機(jī)的軟啟動也用于異步電動機(jī)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)。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(jì)制造。交流調(diào)功電路常用于電爐的溫度控制，其直接調(diào)節(jié)對象是電路的平均輸出功率。像電爐溫度這樣的控制對象，其時間常數(shù)往往很大，沒有必要對交流電源的每個周期進(jìn)行頻繁的控制，只要以周波數(shù)為單位進(jìn)行控制就足

6、夠了。通?？刂凭чl管導(dǎo)通的時刻都是在電源電壓過零的時刻，這樣，在交流電源接通期間，負(fù)載電壓電源都是正弦波，不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。第一章 調(diào)壓調(diào)功原理簡介把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電力控制電路。在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。交流調(diào)功電路和交流調(diào)壓電路的電路形式完全相同，只是控制方式不同。交流調(diào)功電路不是在每個交流電源周期都通過觸發(fā)延遲角對輸出電壓波形進(jìn)行控制，而是將負(fù)載與交流電源接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變接通周

7、波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。第二章 交流調(diào)壓電路波形及相控特性分析2.1 帶電阻性負(fù)載2.1.1 原理圖1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形圖1為電阻負(fù)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u1的正半周和負(fù)半周，分別對VT1和VT2的開通角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負(fù)半周起始時刻（=0）均為電壓過零時刻，穩(wěn)態(tài)時，正負(fù)半周的相等?？梢钥闯?，負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（也即電源電流）和負(fù)載電壓的波形相同，因此通過觸發(fā)延遲角的變化就可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。2.1.2 計(jì)算與分析負(fù)載電壓有效值：故移相范圍

8、為0。=0時，輸出電壓為最大， U0=U1。隨著的增大，U0降低，當(dāng)=時，U0=0。負(fù)載電流有效值：晶閘管電流有效值：功率因數(shù)：=0時, 功率因數(shù)=1, 增大,輸入電流滯后于電壓且畸變,降低。2.2 帶阻感性負(fù)載2.2.1 原理分析圖2為帶阻感負(fù)載的單相交流調(diào)壓電路圖及其波形。圖2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形設(shè)負(fù)載的阻抗角為=arctan(wL / R)。如果用導(dǎo)線把晶閘管完全短接，穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流應(yīng)是正弦波，其相位滯后于電源電壓u1的角度為。在用晶閘管控制時，由于只能通過出發(fā)延遲角推遲晶閘管的導(dǎo)通，所以晶閘管的觸發(fā)脈沖應(yīng)在電流過零點(diǎn)之后，使負(fù)載電流更為滯后，而無法使其超前。為了方便，把=

9、0的時刻仍定義在電源電壓過零的時刻，顯然，阻感負(fù)載下穩(wěn)態(tài)時的移相范圍為 。但<時，電路并非不能工作，后面第三小節(jié)會分析此種情況。 2.2.2 計(jì)算與分析當(dāng)在t=時刻開通晶閘管VT1，負(fù)載電流應(yīng)滿足如下微分方程式和初始條件：解方程得：式中，；為晶閘管導(dǎo)通角。圖3 以為參變量的和關(guān)系曲線利用邊界條件：時，可求得：以為參變量，利用上式可以把和的關(guān)系用圖的一簇曲線來表示，如圖3所示。VT2導(dǎo)通時，上述關(guān)系完同，只是io極性相反，相位差180°負(fù)載電壓有效值：晶閘管電流有效值為： 負(fù)載電流有效值： 設(shè)晶閘管電流的標(biāo)么值為：圖4 單相交流調(diào)壓電路為參變量時和的關(guān)系曲線則可繪出和的關(guān)系曲線，

10、如圖4所示。2.2.3 <的情況如前圖3所示，越小，越大；繼續(xù)減小到<時，觸發(fā)VT1，則VT1的導(dǎo)通時間將超過。因?yàn)閂T1提前導(dǎo)通，L被過充電，放電時間延長， VT1的導(dǎo)通角超過。觸發(fā)VT2時， i0尚未過零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不通；i0圖4 <時阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形過零后， VT2開通， VT2導(dǎo)通角小于，過渡過程和帶R-L負(fù)載的單相交流電路在t = (<)時合閘的過渡過程相同，i0由兩個分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量。衰減過程中， VT1導(dǎo)通時間漸短， VT2的導(dǎo)通時間漸長，其穩(wěn)態(tài)的工作情況和=時完全相同。<時工作波形如圖5所示。 第三章

11、方案設(shè)計(jì)3.1 主電路的設(shè)計(jì)3.1.1 主電路圖電路為工頻50HZ,220V交流電輸入，負(fù)載為R0.5，L2mH的阻感負(fù)載。故主電路圖如下圖：圖5 主電路圖3.1.2 參數(shù)計(jì)算此單相交流調(diào)壓電路的負(fù)載阻抗角為：由圖4知，一定時，越小，越大，即越大。當(dāng)時，不變，為最大值0.5。故可求出晶閘管電流有效值的最大值：晶閘管的額定電流為：晶閘管承受的最大反向電壓為：所以考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：因此，依據(jù)以上參數(shù)選擇晶閘管，比如，可以選用額定電壓為800V，額定電流為200A的晶閘管。3.1.3 調(diào)功電路的設(shè)計(jì)以上的設(shè)計(jì)都是以交流調(diào)壓為基礎(chǔ)。交流調(diào)功電路與調(diào)壓完全相同，只是本次設(shè)計(jì)條件中調(diào)功電路

12、帶電阻性負(fù)載R=4。故電路中應(yīng)將阻感性負(fù)載改為電阻性負(fù)載。參數(shù)計(jì)算時，調(diào)功電路是以周期為單位控制的。故在晶閘管導(dǎo)通的周期內(nèi)=0。又有Z=4，=0，此時仍為0.5，故：晶閘管的額定電流為：而晶閘管承受的最大反向電壓同調(diào)壓電路相同，所以考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：因此，依據(jù)以上參數(shù)選擇晶閘管，比如，可以選用額定電壓為800V，額定電流為40A的晶閘管。3.2 觸發(fā)電路的選擇3.2.1 選擇晶閘管觸發(fā)電路有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路；正弦波觸發(fā)電路；鋸齒波觸發(fā)電路；集成觸發(fā)電路。 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路具有簡單、可靠，觸發(fā)脈沖前沿陡、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但輸出功率小，不能很好的滿足電感性或反電動勢負(fù)載的需

13、要，移相范圍也受到限制。所以只在單相與要求不高的三相晶閘管裝置中使用。 正弦波同步觸發(fā)電路它的優(yōu)點(diǎn)：是整流裝置在負(fù)載連續(xù)時直流輸出電壓與控制電壓成線性關(guān)系；能部分補(bǔ)償電源電壓波動對輸出電壓的影響。缺點(diǎn)是：同步電壓直接受電網(wǎng)電壓的波動及干擾影響較大，特別是電源電壓波形畸變時，控制電壓與同步電壓波形交點(diǎn)不穩(wěn)定，導(dǎo)致整個裝置工作不穩(wěn)定；正弦波移相電路理論上分析移相范圍可達(dá)001800，實(shí)際上由于正弦波頂部平坦與控制電壓交點(diǎn)不明確而無法工作，實(shí)際移相范圍最多只能達(dá)到001500。為防止各種可能出現(xiàn)的意外情況，電路中必須設(shè)置對最小控制角min與最小逆變角min限制。 鋸齒波同步觸發(fā)電路，具有雙脈沖，強(qiáng)觸

14、發(fā)的特點(diǎn)，由于同步電壓采用鋸齒波，不直接受電網(wǎng)電壓波動畸變的影響，移相范圍寬，克服了正弦波移相的缺點(diǎn)應(yīng)用廣泛。 集成觸發(fā)電路與分立元件相比，提高了電路的可靠性和通用性，具有體積小，成本低，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 因此，本設(shè)計(jì)采用KJ01集成觸發(fā)電3.2.2 觸發(fā)器件封裝形式KJ004封裝形式：該電路采用雙列直插C16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝，外型尺寸按電子工業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)。半導(dǎo)體集成電路外型尺寸SJ110076KJ004的管腳功能如表1所示。 表1 KJ004的各引腳功能功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調(diào)制輸出+Vcc引線腳號1 23 45

15、 6789101112131415163.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)3.3.1 原理在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必要的。1) 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)：圖6阻容保護(hù)電路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)因過電壓兩類。外因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：操作過電壓、雷擊過電壓；內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：換相過電壓、關(guān)斷過電壓。過壓保護(hù)的基本原則是：根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的附加電路，當(dāng)達(dá)到定過壓值時，自動開通附加電路，

16、使過壓通過附加電路形成通路，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(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。保護(hù)電路形式很多。這里主要考慮晶閘管在實(shí)際應(yīng)用中一般會承受的換相過電壓，故可用阻容保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰時，電容兩端電壓不能突發(fā)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。阻容保護(hù)電路如圖10所示。2) 過電流的產(chǎn)生及過電流保護(hù)：引起過流的原因：當(dāng)電力電子變換器內(nèi)部某一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)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過低、缺相等，均

17、可引起變換器內(nèi)元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過流。由于電力電子器件的電流過載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此，必須對變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。變換器的過流一般主要分為兩類：過載過流和短路過流。在晶閘管變換器中，快速熔斷器是應(yīng)用最普遍的過流保護(hù)措施，可用于交流側(cè)、直流側(cè)和裝置主電路中。其中交流側(cè)接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側(cè)短路起保護(hù)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(hù)作用較差。直流側(cè)接快速熔斷器只對負(fù)載短路起保護(hù)作用，對元件無保護(hù)作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對元件的保護(hù)作用最好，因?yàn)樗鼈兞鬟^同個電流。因而被廣泛使用。

18、3.3.2 計(jì)算1) 阻容保護(hù)電路參數(shù)：RC阻容保護(hù)電路參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來選擇。電容C的選擇為：電阻一般取40。2) 快速熔斷器的選用原則：和普通熔斷器一樣要考慮快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓有效值，熔斷器(安裝熔體的外殼)的額定電流應(yīng)大于或等于熔體額定電流值。此外，快速熔斷器熔體的額定電流是指電流有效值，而晶閘管額定電流是指通態(tài)電流平均值，其有效值為1.57。故選用時要求：式中：晶閘管通態(tài)電流平均值，快速熔斷器的熔體額定電流。算得1.57。所以選取額定電流大于等于194.4A的快速熔斷器。第六章 個人總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)的題目是晶閘管單相交流調(diào)壓、調(diào)功電路，電路圖比較簡單，但必須弄清楚其原理及相互間的區(qū)別及聯(lián)系。在剛知道課題之后，為了設(shè)計(jì)能夠順利的進(jìn)行，我通過利用網(wǎng)絡(luò)、教科書、圖書館等途徑，查閱了大量關(guān)于本設(shè)計(jì)有關(guān)的資料，了解到調(diào)壓電路中的變化對波形的影響，并且知道了不同負(fù)載對調(diào)壓電路的影響，即、之間的變化關(guān)系，以及不同時，標(biāo)幺值與之間的關(guān)系。此次電路的難點(diǎn)在于觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。選用了集成觸發(fā)電路KJ004，但是要應(yīng)用它還需加上很多