單相交流調(diào)壓電路

中北大學(xué)電力電子課程設(shè)計說明書中北大學(xué)課程設(shè)計說明書學(xué)生姓名：劉洋學(xué)號：1503042130學(xué)院：自動控制系專業(yè)：電氣工程及其自動化題目：單相交流調(diào)壓電路設(shè)計指導(dǎo)教師：李郁峰職稱:講師2016年1月6號中北大學(xué)電力電子課程設(shè)計任務(wù)書15/16學(xué)年第一學(xué)期學(xué)院：自動控制系專業(yè)：

電氣工程及其自動化學(xué)生姓名劉洋

學(xué)號：1503042130課程設(shè)計題目：單相交流調(diào)壓電路設(shè)計

起迄日期:12月28日-1月8日課程設(shè)計地點:

計算機實驗室指導(dǎo)教師:李郁峰系主任：王忠慶

下達任務(wù)書日期:2015年12月28日課程設(shè)計任務(wù)書1．設(shè)計目的：能夠根據(jù)功能要求查找相關(guān)的元器件的說明書。能夠?qū)υ骷恼f明書進行學(xué)習(xí)并掌握元器件的控制方法和要求。能夠利用Matlab軟件編寫控制程序并應(yīng)用Multisim、Proteus仿真軟件對電路進行仿真調(diào)試。（4）能夠按著規(guī)范的課程設(shè)計的格式完成課程設(shè)計報告。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.2．設(shè)計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）：設(shè)計內(nèi)容：設(shè)計一個單相交流調(diào)壓電路交-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行控制，而不改變頻率的電路稱為交流電力控制電路，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開關(guān)。要求:1進行設(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。主電路仿真采用Matlab進行，利用Simulink中模塊進行建模。主控制電路仿真采用Multisim進行，利用Multisim中自帶模型所建原理圖。3．設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求〔包括課程設(shè)計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等〕：1.根據(jù)具體設(shè)計課題的技術(shù)指標和給定條件，獨立進行方案論證和電路設(shè)計，要求概念清楚、方案合理、方法正確、步驟完整；2.查閱有關(guān)參考資料和手冊，并能正確選擇有關(guān)元器件和參數(shù)，對設(shè)計方案進行仿真；3.完成設(shè)計說明書，說明書中要有設(shè)計方案，設(shè)計電路圖，還要有仿真結(jié)果；課程設(shè)計任務(wù)書4．主要參考文獻：[1］李維波，MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用，中國電力出版社，2007［2］王兆安，劉進軍，電力電子技術(shù)，機械工業(yè)出版社，2009.5［3］李傳奇，電力電子技術(shù)計算機仿真實驗（M），機械工業(yè)出版社20065．設(shè)計成果形式及要求：1．設(shè)計任務(wù)書2．設(shè)計方案3．主電路圖4．驅(qū)動電路和保護電路圖5．電路參數(shù)計算及元器件選擇清單6．主電路和驅(qū)動電路工作原理分析7主要節(jié)點電壓和電流波形8．參考文獻。6．工作計劃及進度：201512月28日~12月30日查找資料，確定方案1月1日~1月3日設(shè)計硬件電路，繪制電路原理圖1月4日~1月6日軟件設(shè)計，并調(diào)試通過1月7日~1月8日編寫課程設(shè)計報告，答辯或成績考核系主任審查意見：

簽字：年月日第第Ⅰ頁共Ⅰ頁目錄1單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計·············································12設(shè)計方案選擇····························································13設(shè)計原理································································24設(shè)計內(nèi)容原理圖··························································34.1主電路的設(shè)計························································34.2控制電路的設(shè)計······················································54.2.1觸發(fā)信號的種類··················································54.2.2觸發(fā)電路的設(shè)計··················································55保護電路的設(shè)計··························································85.1過電壓保護·························································85.2過電流保護··························································96總電路圖·······························································107單相交流調(diào)壓電路仿真結(jié)果及結(jié)果分析·····································117.1仿真結(jié)果···························································117.2結(jié)果分析···························································148設(shè)計體會·······························································16參考文獻·································································17第第頁共17頁3設(shè)計原理本實驗采用了鋸齒波移相觸發(fā)器。該觸發(fā)器適用于雙相晶閘管或兩只反并聯(lián)晶閘管電路的交流相位控制，具有控制方式簡單的優(yōu)點。圖為電阻負載單相交流調(diào)壓電路圖以其波形。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的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的觸發(fā)延遲角α進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負半周α起始時刻（α=0）均為電壓過零時刻。在穩(wěn)態(tài)情況下，應(yīng)使正負半周的α相等?？梢钥闯?，負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（也即電源電流）和負載電壓的波形相同，因此通過觸發(fā)延遲角α的變化就可以實現(xiàn)輸出電壓的控制。上述電路在觸發(fā)延遲角α?xí)r，負載電壓有效值U0、負載電流有效值I0、晶閘管電流有效值IVT和電路的功率因數(shù)λ分別為4設(shè)計內(nèi)容原理圖4.1主電路的設(shè)計所謂交流調(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載的性質(zhì)有很大的關(guān)系，因此下面就反電勢電阻負載予以重點討論。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)輸出電壓正、負半周α起始時刻α=0，均為電壓過零時刻。在時，對VT1施加觸發(fā)脈沖，當VT1正向偏置而導(dǎo)通時，負載電壓波形與電源電壓波形相同；在時，電源電壓過零，因電阻性負載，電流也為零，VT1自然關(guān)斷。在時，對VT2施加觸發(fā)脈沖，當VT2正向偏置而導(dǎo)通時，負載電壓波形與電源電壓波形相同；在時，電源電壓過零，VT2自然關(guān)斷。當電源電壓反向過零時，由于反電動勢負載阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時晶閘管導(dǎo)通角的大小，不但與控制角有關(guān)，而且與負載阻抗角有關(guān)。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。穩(wěn)態(tài)時，正負半周的相等，負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（電源電流）和負載電壓的波形相似。4.2控制電路的設(shè)計4.2.1觸發(fā)信號的種類晶閘管由關(guān)斷到開通，必須具備兩個外部條件：第一是承受足夠的正向電壓；第二是門極與陰極之間加一適當正向電壓、電流信號(觸發(fā)信號)。門極觸發(fā)信號有直流信號、交流信號和脈沖信號三種基本形式。1.直流信號：在晶閘管加適當?shù)年枠O正向電壓的情況下，在晶閘管門極與陰極間加適當?shù)闹绷麟妷海瑒t晶閘管將被觸發(fā)導(dǎo)通。這種觸發(fā)方式在實際中應(yīng)用極少。因為晶閘管在其導(dǎo)通后就不需要門極信號繼續(xù)存在。若采用直流觸發(fā)信號將使晶閘管門極損耗增加，有可能超過門極功耗；在晶閘管反向電壓時，門極直流電壓將使反向漏電流增加，也有可能造成晶閘管的損壞。2.交流信號：在晶閘管門極與陰極間加入交流電壓，當交流電壓uc=ut時，晶閘管導(dǎo)通。ut是保證晶閘管可靠觸發(fā)所需的最小門極電壓值，改變u。值，可改變觸發(fā)延遲角α。這種觸發(fā)形式也存在許多缺點，如：在溫度變化和交流電壓幅值波動時，觸發(fā)延遲角不穩(wěn)定，可通過交流電壓u。值來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的變化范圍較小(00≤α≤900)。脈沖信號：在晶閘管門極觸發(fā)電路中使用脈沖信號，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時刻，降低晶閘管門極功耗，還可以通過變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實現(xiàn)信號的隔離輸出。因此，觸發(fā)信號多采用脈沖形式。4.2.2觸發(fā)電路的設(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：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(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。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，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10kΩ)。移相輸入端偏置電流≤l0μA。鋸齒波幅度：≥7～8.5V。輸出脈沖：a.脈沖寬度：l00μs～2ms(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：BVceo≥l8V(測試條件：Ie=100μA）允許使用環(huán)境溫度：-l0～70℃。5保護電路的設(shè)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(qū)動電路設(shè)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。5.1過電壓保護內(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：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(jié)束后不能立刻恢復(fù)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(fù)，當其恢復(fù)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(guān)斷過電壓：全控型器件在較高的頻率下工作，當器件關(guān)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(yīng)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(guān)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5所示。5.2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(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(yīng)用最廣的一種的過流保護措施。如圖所示，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(cè)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。6總電路圖7單相交流調(diào)壓電路仿真結(jié)果及結(jié)果分析7.1仿真結(jié)果7.2結(jié)果分析上面圖5圖10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LRI的波形均為正弦波。當>0時，U、LRI的波形為非正弦波，控制角從0~180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0180度。把角等于0度、30度，60度，90度、150度和180度分別代入下式觀察圖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(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