晶閘管單相交流調(diào)壓與調(diào)功電路設(shè)計(jì)

1、晶閘管單相交流調(diào)壓與調(diào)功電路設(shè)計(jì)1 題目初始條件初始條件：電源為工頻220V，調(diào)壓阻感負(fù)載，R0.5歐姆，L2mH。調(diào)功阻性負(fù)載R4歐姆。2 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)要求分析通過(guò)分析題目的初始條件，可知本次課程設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)基本要求：1單相交流調(diào)壓與調(diào)功主電路的設(shè)計(jì)。2. 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。3.分析系統(tǒng)不同負(fù)載下的電流、電壓波形及相控特性。4.須針對(duì)電阻爐負(fù)載分析系統(tǒng)的過(guò)零控制特性。5. 需要繪制單相交流調(diào)壓與調(diào)功電路的原理圖。3 單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)3.1單相交流調(diào)壓電路主電路的設(shè)計(jì)單相交流電壓主電路的設(shè)計(jì)主要包括：1.根據(jù)負(fù)載特性，選擇相應(yīng)型號(hào)的晶閘管。2.根據(jù)相關(guān)理論分析、推導(dǎo)及計(jì)算，得到電路相關(guān)

2、參數(shù)3.1.1 單相交流調(diào)壓電路主電路原理圖圖一 單相交流調(diào)壓主電路原理圖3.1.2 電路各參數(shù)推導(dǎo)及計(jì)算通過(guò)分析可知，當(dāng)單相交流調(diào)壓電路帶電阻性負(fù)載時(shí)，可得以下參數(shù)表達(dá)式：負(fù)載電壓、電流平均值 公式（1） 公式（2）負(fù)載電壓、電流有效值 公式（3） 公式（4） 公式（5）電路功率因數(shù)： 公式（6）當(dāng)電路帶阻感性負(fù)載時(shí)，可以分析得負(fù)載電流相位應(yīng)落后負(fù)載電壓相位一個(gè)固定的阻抗角，其大小應(yīng)為,且相當(dāng)明顯，當(dāng)用晶閘管控制時(shí)，會(huì)使得負(fù)載電流更為滯后，即阻感性負(fù)載穩(wěn)態(tài)時(shí)，晶閘管的移相范圍為。且假設(shè)在晶閘管電流過(guò)零時(shí)開通一個(gè)晶閘管，則有負(fù)載電流應(yīng)滿足以下微分方程和初始條件 公式（7） 公式（8）可以解得方

3、程的解為： 公式（9）利用邊界條件，可以得到，當(dāng)以為參變量時(shí)，與的關(guān)系可以用一簇曲線來(lái)表示。如下圖所示：由以上公式可以推得：當(dāng)單相交流調(diào)壓電路帶阻性負(fù)載時(shí)，若導(dǎo)通角為60°時(shí)，有負(fù)載平均電壓為,負(fù)載平均電流為，負(fù)載有效電壓值和有效電流值分別為，電路的功率因數(shù)為；同理可得，當(dāng)導(dǎo)通角為90°時(shí)，相應(yīng)的負(fù)載參數(shù)值分別為：電路的功率因數(shù)為當(dāng)單相交流調(diào)壓電路帶阻感性負(fù)載時(shí)，可以定性分析得，負(fù)載的平均電壓值和平均電流值，負(fù)載的有效電壓值和有效電流值都應(yīng)有所減小。3.1.3 晶閘管型號(hào)的選擇根據(jù)理論分析可知，晶閘管的額定電壓應(yīng)是它承受的反向重復(fù)峰值電壓的（23）倍，而晶閘管的額定電流應(yīng)是

4、其通態(tài)平均電流的（1.52）倍。而晶閘管的通態(tài)平均電流的定義為：元件在阻性負(fù)載情況下、工頻正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°，其結(jié)溫穩(wěn)定且不超過(guò)額定結(jié)溫所允許的最大通態(tài)平均電流。由上面推到的電路參數(shù)可知，所選的雙向晶閘管的額定電壓應(yīng)大于440V；晶閘管的額定電流應(yīng)大于（1.52）*396.14=792.28A； 公式（10）所以，我在本次設(shè)計(jì)中，采用KS500-800A它的型號(hào)是 KS800A/500V， 控制方式為雙向極數(shù)，額定正向平均電流 800（A），控制極觸發(fā)電壓500-1800（V）， KS系列平板型雙向晶閘管的額定工作電流800A額定工作電500V。3.2 單相交流調(diào)壓觸發(fā)電

5、路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中，我選用可控硅移相觸發(fā)器KJ006，KJ006主要用于交流供電的雙向可控硅或反并聯(lián)可控硅線路的交流相位控制。能由交流電網(wǎng)直接供電并無(wú)需外加同步信號(hào)、輸出變壓器和滯留工作電源，并且能直接與可控硅控制級(jí)直接耦合觸發(fā)。具有鋸齒波線性好、移相范圍寬、控制方式簡(jiǎn)單輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)。電參數(shù)如下：電源電壓： a外接直流電壓+15V，允許波動(dòng)±5(±10功能正常)。b自生直流電源電壓：+(1215)V。電源電流：l2mA。同步電壓：l0V(有效值)。同步輸人端允許最大同步電流：6mA(有效值)。移相范圍：l70°(同步電壓220V，同步輸入電阻51k)。移相輸入

6、端偏置電流l0A。鋸齒波幅度：78.5v。輸出脈沖： a脈沖寬度：l00s2ms(通過(guò)改變脈寬阻容元件達(dá)到)。 b脈沖幅度：>13V(電源電壓l5V時(shí))。 C最大輸出能力：200mA(吸收脈沖電流)。 d輸出反壓：BVceol8V(測(cè)試條件：lel00A)。正負(fù)半周脈沖相位不均衡度：±3°。可控硅檢測(cè)端最大輸入電流：6mA(有效值)。3.1.2 單相交流調(diào)壓電路觸發(fā)電路原理圖圖二 單相交流調(diào)壓觸發(fā)電路原理圖電路工作原理：KJ006是由同步檢波、鋸齒波形成電路、電流綜合比較放大電路、功率放大電路和失交保護(hù)電路等部分組成。外電路接線圖如圖二鋸齒波斜率決定于R7，RP1和C

7、1的數(shù)值，由R5、C2的數(shù)值決定，再經(jīng)過(guò)功率放大由9腳輸出，能夠得到200mA的輸出負(fù)載能力。從2腳也可以輸出失交脈沖，將2腳與12腳相連，具有失交保護(hù)功能。對(duì)不同的電網(wǎng)電壓，KJ006電路的同步限流電阻R1的選擇按下式計(jì)算：=73333110000。3.3 單相交流調(diào)壓電路阻性負(fù)載下的電流、電壓波形和相控特性3.3.1 單相交流調(diào)壓電路的matlab仿真原理圖 圖三 單相調(diào)壓電路MATLAB仿真圖3.3.2 導(dǎo)通角為60° A B圖四 導(dǎo)通角為60°時(shí)示波器波形圖60°3.3.3 導(dǎo)通角為90° A B 圖五 導(dǎo)通角為90°時(shí)示波器波形圖3.

8、3.4 仿真結(jié)果分析和總結(jié) 圖四，圖五是單相交流調(diào)壓電路分別在導(dǎo)通角為60°和90°情況時(shí)示波器的波形。圖像中第一個(gè)是輸入電網(wǎng)電壓波形；第二個(gè)是其中一個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖波形，脈沖是幅值為12V，占空比為10%的方波；第三個(gè)是負(fù)載電壓的波形；第四個(gè)是負(fù)載電流的波形；第五個(gè)是第二個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈動(dòng)波形。由圖像可以很清楚的看到，當(dāng)負(fù)載為阻感性時(shí)，負(fù)載電流的相位滯后負(fù)載電壓一個(gè)固定的角度，通過(guò)計(jì)算應(yīng)該可得這個(gè)角度即是阻感角11.31。而且通過(guò)相同觸發(fā)角、不同性質(zhì)負(fù)載下負(fù)載電流波形可以看出，電感對(duì)電流有抗拒作用。但是負(fù)載電壓波形與理論分析不一致，這是因?yàn)槔碚摲治鰰r(shí)，是假設(shè)負(fù)載電感值為

9、無(wú)窮大的，但是實(shí)際電路中，電感值為2mH.。而且可以從不同觸發(fā)角下負(fù)載電壓波形可以分析出，當(dāng)導(dǎo)通角越大時(shí)，負(fù)載電壓波形畸變?cè)絿?yán)重，平均值越小，這與電路參數(shù)分析得到的結(jié)論一致。4 單相交流調(diào)功電路的設(shè)計(jì)4.1 單相交流調(diào)功電路的主電路設(shè)計(jì)單相交流調(diào)功電路和單相交流調(diào)壓電路形式完全相同，只是控制方式不同。交流調(diào)功電路不是在每個(gè)交流電源周期都對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行調(diào)制，而是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)整周期，然后再斷開幾個(gè)整周期，通過(guò)改變接通周期數(shù)和斷開周期數(shù)的比值來(lái)控制負(fù)載所消耗的平均功率?？芍涣髡{(diào)功電路適合控制時(shí)間常數(shù)大（電爐）這樣的負(fù)載。4.1.1 單相交流調(diào)功電路主電路原理圖圖六 交流調(diào)功主電路

10、原理圖4.1.2 晶閘管的選型經(jīng)過(guò)分析可知，單相交流調(diào)功電路所用的晶閘管可以采用與單相交流調(diào)壓電路所用的晶閘管一樣的型號(hào)?？梢酝耆珴M足單相交流調(diào)功電路的設(shè)計(jì)要求。4.1.3 電路各參數(shù)推導(dǎo)及計(jì)算4.2 單相交流調(diào)功電路的觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)單相交流調(diào)功電路的觸發(fā)電路選擇使用可控硅過(guò)零觸發(fā)器KJ007。可控硅過(guò)零觸發(fā)器KJ007能使雙向可控硅的開關(guān)過(guò)程在電源電壓為零或者電流為零的瞬間進(jìn)行觸發(fā)。這樣，負(fù)載的瞬態(tài)浪涌電流和射頻干擾最小，可控硅的使用壽命就可以提高。電路內(nèi)部有自生直流穩(wěn)壓電源，可以直接接交流電網(wǎng)電壓使用。該電路具有零電壓觸發(fā)、零電流觸發(fā)、輸出電流大等特點(diǎn)。電參數(shù)如下： 電源電壓： a外接直流

11、電壓+(1216)V。 b自生直流電源電壓：+(12l4)V。 電源電流：l2 mA。 零檢測(cè)輸入端最大峰值電流：8mA。 輸出脈沖： a脈沖幅度：>13V。 b最大輸出能力：50mA(脈沖寬度400s以內(nèi))，可擴(kuò)展。 C輸出反壓：BVceo18V(測(cè)試條件：Iel00A)。 輸入控制電壓靈敏度：l00mV、300mV、500mV。 零電流檢測(cè)輸出幅度：8V。 使用環(huán)境溫度為四級(jí)： C：070 R：-5585 E：-4085 M：-55125 KJ007采用雙列直插l4腳封裝。4.2.1 單相交流調(diào)功電路觸發(fā)電路原理圖KJ007工作原理：KJ007是KJ006的一種特例，該電路或者是零電

12、流觸發(fā)、或者是零電壓觸發(fā)，且只能是其中之一。零電壓觸發(fā)應(yīng)用中，同步電壓通過(guò)R2加到1腳和14腳之間，內(nèi)部電路進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)。內(nèi)部電路的差分比較端（4腳）接基準(zhǔn)電壓。當(dāng)來(lái)自于2腳的電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，5腳再同步電壓過(guò)零時(shí)觸發(fā)脈沖。當(dāng)2腳電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，5腳沒(méi)有觸發(fā)脈沖輸出。圖七 交流調(diào)功電路觸發(fā)電路原理圖4.3 單相交流調(diào)功電路的過(guò)零控制特性分析圖5-8為過(guò)零觸發(fā)單相交流調(diào)功電路。交流電源電壓u以及V1和V2的觸發(fā)脈沖ug1、ug2的波形分別如圖5-9所示。由于各晶閘管都是在電壓u過(guò)零時(shí)加觸發(fā)脈沖的，因此就有電壓uo輸出。如果不觸發(fā)V1和V2，則輸出電壓uo0。由于是電阻性負(fù)載，因此當(dāng)交流電源

13、電壓過(guò)零時(shí)，原來(lái)導(dǎo)通的晶閘管因其電流下降到維持電流以下而自行關(guān)斷，這樣使負(fù)載得到完整的正弦波電壓和電流。由于晶閘管是在電源電壓過(guò)零的瞬時(shí)被觸發(fā)導(dǎo)通的，這就可以保證大大減小瞬態(tài)負(fù)載浪涌電流和觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)的電流變化率di/dt，從而使晶閘管由于di/dt過(guò)大而失效或換相失敗的幾率大大減少。 5 晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)5.1 晶閘管過(guò)電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)正常工作時(shí)，晶閘管承受的最大峰值電壓為，超過(guò)此峰值電壓的就算過(guò)電壓。在整流裝置中，任何偶然出現(xiàn)的過(guò)電壓均不應(yīng)超過(guò)元件的不重復(fù)峰值電壓，而任何周期性出現(xiàn)的過(guò)電壓則應(yīng)小于元件的重復(fù)峰值電壓。這兩種過(guò)電壓都是經(jīng)常發(fā)生和不可避免的。因此，在變流過(guò)程中，必須采用各種

14、有效保護(hù)措施，以抑制各種暫態(tài)過(guò)電壓，保護(hù)晶閘管元件不受損壞。抑制暫態(tài)過(guò)電壓的方法一般有三種：用電阻消耗過(guò)電壓的能量；用非線性元件限制過(guò)電壓的幅值；用儲(chǔ)能元件吸收過(guò)電壓的能量。若以過(guò)電壓保護(hù)裝設(shè)的部位來(lái)分，有交流保護(hù)，直流保護(hù)，直流側(cè)保護(hù)和元器件保護(hù)3種。一、交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)交流側(cè)過(guò)電壓一般都是外因過(guò)電壓，在抑制外因過(guò)電壓的措施中，采用RC過(guò)電壓抑制電路是最為常見的。通常是在變壓器次級(jí)(元件側(cè))并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場(chǎng)釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)化為電容器的電場(chǎng)能而儲(chǔ)存起來(lái)。串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能產(chǎn)生的振蕩。當(dāng)整流器容量較大時(shí)，RC電路也可以接在

15、變壓器電源側(cè)。其電路圖如圖八所示。圖八 晶閘管過(guò)電壓保護(hù)電路原理圖 5.2 晶閘管過(guò)電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)變流裝置發(fā)生過(guò)電流的原因歸納起來(lái)有如下幾個(gè)方面：(1) 外部短路：如直流輸出端發(fā)生短路。(2) 內(nèi)部短路：如整流橋主臂中某一元件被擊穿而發(fā)生的短路。(3) 可逆系統(tǒng)中產(chǎn)生換流失敗和環(huán)流過(guò)大。(4) 生產(chǎn)機(jī)械發(fā)生過(guò)載或堵轉(zhuǎn)等。晶閘管元件承受過(guò)電流的能力也很低，若過(guò)電流數(shù)值較大而切斷電路的時(shí)間又稍長(zhǎng)，則晶閘管元件因熱容量小就會(huì)產(chǎn)生熱擊穿而損壞。因此必須設(shè)置過(guò)流保護(hù)，其目的在于一旦變流電路出現(xiàn)過(guò)電流，就把它限制在元件允許的范圍內(nèi)，在晶閘管被損壞前就迅速切斷過(guò)電流，并斷開橋臂中的故障元件，以保護(hù)其它元

16、件。晶閘管變流裝置可能采用的過(guò)流保護(hù)措施有：交流斷路器；進(jìn)線電抗器；靈敏過(guò)電流繼電器；斷路器；電流反饋控制電路；直流快速開關(guān)；快速熔斷器?？砂磳?shí)際需要選擇其中一種或數(shù)種。本設(shè)計(jì)采用的晶閘管過(guò)電流保護(hù)措施是快速熔斷器保護(hù)方法，其額定電流一般取晶閘管平均電流的1.52倍。圖九 晶閘管過(guò)電流保護(hù)電路6 電路原理圖6.1 單相交流調(diào)壓電路原理圖 圖十 交流調(diào)壓電路原理圖6.2 單相交流調(diào)功電路原理圖圖十一 交流調(diào)功電路原理圖 總結(jié)電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力通信、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等加用電氣及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我了解到了交流調(diào)壓電路在實(shí)際社會(huì)生活中的一般應(yīng)用電路和應(yīng)用方法，也比較深刻的認(rèn)識(shí)了交流調(diào)壓電路與交流調(diào)功電路控制方式和所驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性的不同。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我充分鍛煉了自己的能力，包括查閱資料的能力，設(shè)計(jì)能力，與同學(xué)相互探討的能力，也學(xué)會(huì)了怎樣使用MATLAB來(lái)仿真電力電子相關(guān)期間和電路。參考文獻(xiàn)1楊威，張金棟