遼寧工業(yè)大學 電力電子技術 單相交流調壓電路(800W)

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學電力電子技術電力電子技術課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目：單相交流調壓電路（單相交流調壓電路（800W800W）院（系）：院（系）： 新能源學院新能源學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 電氣電氣141141 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字）起止時間：起止時間： 2012015 5. .0707. .0606-201-2015 5.0.07 7.1.19 9本科生課程設計（論文）課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語院（系）：新能源學院 教研室：電氣教研室注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分

2、制計算學號學生姓名專業(yè)班級電氣141班課程設計（論文）題目單相交流調壓電路（單相交流調壓電路（800W800W）課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數實現(xiàn)功能實現(xiàn)功能利用晶閘管構成交流調壓電路，對電加熱設備、白熾燈、鹵鎢燈、電風扇燈等進行平滑的調溫、調光、調速。設計任務與要求設計任務與要求1、方案的經濟技術論證。2、主電路設計。3、通過計算選擇器件的具體型號。4、觸發(fā)電路設計。5、保護電路設計6、繪制相關電路圖。7、模擬實驗或 matlab 仿真。8、完成 4000 字左右說明書。技術參數技術參數1、交流電源：單相 220V。2、輸

3、出交流電壓在 0220V 連續(xù)可調。3、輸出電流最大值 5A。4、負載為電阻負載或阻感負載。5、根據實際工作情況，最小控制角取 20300左右。工作計劃第 1 天：集中學習；第 2 天：收集資料；第 3 天：方案論證；第 4 天：主電路設計；第 5 天：選擇器件；第 6 天：觸發(fā)電路設計；第 7 天：保護電路設計；第8 天：電路調試或仿真；第 9 天：總結并撰寫說明書；第 10 天：答辯指導教師評語及成績 平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日本科生課程設計（論文）I摘 要交流調壓電路廣泛用于燈光控制（如調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速

4、。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，也常采用交流調壓電路調節(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。采用交流調壓電路在變壓器一次側調壓，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可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設計制造。單相交流調壓電路是對單相交流電的電壓進行調節(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。與自耦變壓器調壓方法相比，交流調壓電路控制簡便，調節(jié)速度快

5、，裝置的重量輕、體積小，有色金屬耗也少。本次實驗的題目是單相交流調壓電路的設計，主要是設計出主電路和觸發(fā)電路，通過觸發(fā)電路觸發(fā)主電路中的反并聯(lián)的晶閘管來控制負載電壓電流。觸發(fā)電路產生的觸發(fā)脈沖的延遲角也是可以調節(jié)的，通過對它的調節(jié)來達到對輸出控制的目的。在 MATLAB 中連接好總電路圖，用示波器觀察輸出結果，直觀方便。MATLAB 這一功能強大的軟件給我們帶來了很多方便，讓我們對于設計電路的結果分析更加清晰明確。關鍵詞：交流；調壓；MATLAB；示波器本科生課程設計（論文）II本科生課程設計（論文）III目 錄第 1 章 緒論.11.1 電力電子技術概述.11.2 本文研究內容.11.3 電

6、路設計任務.21.4 設計方案選擇.2第 2 章 單相交流調壓主電路設計及分析.32.1 電阻性負載.32.1.1 電阻性負載的交流調壓器的原理分析 .42.1.2 結果分析 .72.2 阻感負載 .82.2.1 電路結構 .82.2.2 工作原理 .92.2.3 模型仿真圖 .92.2.4 仿真圖 .102.3 數據分析與原件型號的選擇 .102.4 保護電路設計.122.5 單相交流調壓電路設計總電路圖 .13第 3 章 觸發(fā)電路設計.15第 4 章 課程設計結論.16參考文獻.17本科生課程設計（論文）0第 1 章 緒論1.1 電力電子技術概述 電力電子技術已迅速發(fā)展成為一門獨立的技術和

7、科學領域，它是利用電力電子器件對電能進行控制和轉換的學科，電力電子技術包括電力電子器件，變流電路和控制電路三部分，是電力，電子，控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科。隨著科學技術的發(fā)展，電力電子技術與現(xiàn)代控制理論，材料科學，電機工程，微電子技術等諸多領域密切相關，已逐步發(fā)展成為一門多學科相互滲透的綜合性技術學科。 電力電子技術本身是大功率的點擊數并以半導體為基本材料，近代新型電力電子器件中大量應用了微電子學的技術，其主體-電力電子電路吸收了電子學的理論基礎，根據器件的特點和電能轉換的要求，又開發(fā)出許多電能轉換電路。這些電路中還包括各種控制，觸發(fā)，保護，顯示，信息處理，繼電接觸等二次回路及外圍

8、電路。利用這些電路，根據應用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱為電力電子裝置。這些電子系統(tǒng)的體積，重量，效率，性能等各方面指標不斷提高，它使電力電子技術發(fā)展到一個更新的階段，與此同時，電力電子器件，電力電子電路和電力電子裝置的計算機仿真技術也不斷發(fā)展。 歷經整流器時代，逆變器時代和變頻器時代的發(fā)展，電力電子技術日臻成熟。當前電力電子技術作為節(jié)能，節(jié)材，自動化，智能化和機電一體化的基礎，正朝著技術高頻化，硬件結構模塊化，控制技術數字化，產品性能綠色化發(fā)展。當前，電力電子技術作為電工技術中的新技術，對未來輸電性能將產生重大影響。在我國，電力電子技術產業(yè)是一個年輕但極具發(fā)展前途的產業(yè)，以電力半導體

9、器件及變頻技術為核心的電力電子行業(yè)必將有著更為光明的前景。本次設計單相交流調壓在生活中同樣有著廣泛的應用，如舞臺的燈光調節(jié)，工頻，感應加熱，交流電機的調壓調速等，其具有控制方便，調節(jié)速度快等優(yōu)點，具有很大的發(fā)展空間。1.2 本文研究內容 設計一個單相交流調壓電路，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 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)次序與相位分析；本科生課程設計（論文）13保護電路設計，過電流保護，過電壓保護原理分析；4參數設定與計算(包括觸發(fā)角的選擇，

10、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，器件額定參數確定等可自己添加分析的參數)； 由以上要求可知該系統(tǒng)設計可分為四個部分：交流調壓主電路設計、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 電路設計任務1 進行設計方案的比較，并選定設計方案。2 完成單元電路的設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 驅動電路的設計。5 電路的仿真。 1.4 設計方案選擇 采用兩個普通晶閘管反向并聯(lián)設計單相交流調壓電路本科生課程設計（論文）2本科生課程設計（論文）3第 2 章 單相交流調壓主電路設計及分析所謂交流調壓就是將兩

11、個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，在每半個周波內通過控制晶閘管開通相位，可以方便的調節(jié)輸出電壓的有效值。交流調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，也常采用交流調壓電路調節(jié)變壓器一次電壓。本次課程設計主要是研究單相交流調壓電路的設計。由于交流調壓電路的工作情況與負載的性質有很大的關系，因此下面就反電勢電阻負載予以重點討論。2.1 電阻性負載 由于題目要求輸出電壓范圍為 0220V，所以方案可選電阻性負載或阻感性負載。本電路采用單相交流調壓器帶阻感負載時的電路圖如圖 2-1 所示，在負載和交流電源間用兩個反并聯(lián)的晶閘管 V

12、T1，VT2 相連。 在電阻負載時，晶閘管的導通角只與控制角 有關，正負半周起始時刻（=0）的時刻均為電壓過零時刻，在穩(wěn)態(tài)狀況下，應使正負半周的 相等控制角的移相范圍應是 0，對脈沖觸發(fā)的要求除了要保證與電源同步外，脈沖本身的寬度也要保證晶閘管能夠導通。根據題目要求取最小導通角為 2030 左右。 圖 2-1本科生課程設計（論文）42.1.1 電阻性負載的交流調壓器的原理分析 其晶閘管 VT1 和 VT2 反并聯(lián)連接，與負載電阻 R 串聯(lián)接到交流電源上。當電源電壓 U2 正半周開始時刻觸發(fā) VT1，負半周開始時刻觸發(fā) VT2，形同一個無觸點開關。若正、負半周以同樣的移相角 觸發(fā) VT1 和 V

13、T2，則負載電壓有效值隨 角而改變，實現(xiàn)了交流調壓。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 根據原理圖用 matalb 軟件畫出正確的仿真電路圖 2-3，本科生課程設計（論文）5圖 2-3（2）仿真參數設置 設置觸發(fā)脈沖 分別為 30、60、90、120。與其產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 2-4 晶閘管電流波形本科生課程設計（論文）6圖 2-5 晶閘管電壓波形圖 2-

14、6 負載電流波形本科生課程設計（論文）7圖 2-7 負載電壓波形2.1.2 結果分析上面圖 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0LRI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LRIU 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

15、 UUUU2223099. 06543662sin21UUUU2226090. 03243332sin21UUUU2220100sin212sin2120UU本科生課程設計（論文）8 圖 2-4-圖 2-7 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，單相交流調壓電路能夠得到很好的調壓結果。2.2 阻感負載由于感性負載本身滯后于電壓一定角度，再

16、加上相位控制產生的滯后，使得交流調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)arctan(RwL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。 2.2.1 電路結構當負載為電感線圈、交流電動機或變壓器繞組時，這種負載稱為阻感性負載，電路圖如圖 2-8UUUU222150671. 02101251252sin210002sin2122180UUUUUUU2229071. 0210222sin(21本科生課程設計（論文）9

17、圖 2-8 2.2.2 工作原理工作情況與單相半波整流電路帶電阻性負載時相似。當電源電壓反向過零時，由于負載電感產生感應電動勢阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時晶閘管導通角的大小不但與控制角 a 有關，而且與負載阻抗角&arctgwl/r 有關。兩只晶閘管門極的起始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&=a180 度，正負半周有相同的 a 角2.2.3 模型仿真圖本科生課程設計（論文）10 圖 2-92.2.4 仿真圖圖 2-102 2.3 數據分析與原件型號的選擇根據任務要求：1、交流電源：單相 220V；2、輸出電壓在 0220V 連續(xù)可調；VUo

18、67.2161本科生課程設計（論文）113、輸出電流最大值 5A；4、負載為電阻負載或阻感負載；5、根據實際工作情況，最小控制角取 2030 左右如下數據分析： 根據公式 可知若要輸出電壓在 0220V 連續(xù)可調，則將輸出電壓的兩個極值 0V 和220V 代入公式中，即：2sin2101U，2sin212201U，計算得出 a 的取值范圍是 0，但是實際要求是最小控制角在 2030 左右，因此把 =20 和 30 分別代入到公式中可以計算得出VUo67.2161，VUo89.2182，取其平均值為 217.78V，因此電壓的取值范圍是 0Uo217.78V。2.計算流過晶閘管的電流值，根據要求

19、輸出電流最大為 5A，則晶閘管的電流有效值為2/1IIo，代入數據得AIo53. 3。3.計算功率因數，由2sin21， （將根據實際工作情況，最小控制角取 2030 考慮進去）得在不同狀態(tài)下的取值范圍是 013V。 C.最大輸出能力：200mA（吸收脈沖電流） 。 D.輸出反壓：BVceo18V（測試條件：uAIe100允許使用環(huán)境溫度：-2sin211UUo本科生課程設計（論文）121070C） 。 5.電容 C 的耐壓應大于正常工作時晶閘管兩端電壓峰值的 1.5 倍。 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 R=100，C=

20、0.1uF，VUc450。 6.快速熔斷器的選取快熔斷的選擇：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 1.57Ir（AV） 。即可按下式選擇： 通過上訴公式我們選擇熔斷器型號為 RS-308，管號 Y4，額定電壓為 250V，額定電流 10A 的圓管型螺栓連接快速熔斷器。2.42.4 保護電路設計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適，驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓，過電流，dtdu/保護和dtdi/保護也是

21、必要的。1.過電壓的產生及過電壓保護 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： .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常性操作中的電磁過程引起的過壓。 .雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括： A.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)

22、的全控型器件兩端產生過電壓。 B.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。 過壓保護要根據電路中過壓產生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到一定電壓值時，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VUo67.2161本科生課程設計（論文）13電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，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

23、電路中的電感與電容產生振蕩。2.過電流保護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)產生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低，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的過流保護。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。2.5 單相交流調壓電路設計總電路圖 本科生課程設計（論文）14圖 2-11 單相交流電壓電路總電路圖本科生課程設計（論文）15第 3 章 觸發(fā)電路設計晶閘管觸發(fā)電路的作用是產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要

24、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；4）應有的抗干擾性能、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。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 驅動電路如圖 3-1 所示：圖 3-1 單相交流調壓觸發(fā)電路原理圖本科生課程設計（論文）16第 4 章 課程設計結論本次電力電子課程設計，我所做的題目是單相調壓電路的設計。一開始拿到這個題目，感覺自己根本無從下手，不知道該如何去做，心里一點頭緒都沒有，感覺很茫然。于是我開始網上查資料，翻書本，向同學請教，通過各種途徑去盡量了解有關我的題目的信息。其實通過電力電子技術課