單相調(diào)壓電路設(shè)計

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計單相調(diào)壓電路設(shè)計姓名：學(xué)號：班級：時間：指導(dǎo)教師： 目 錄一.仿真軟件matlab簡介2二.設(shè)計目的2三.單相交流電調(diào)壓電路原理.2四.設(shè)計原理5五.matlab仿真.6六.當(dāng)電感值和晶閘管開通角變化時的負載電壓和觸發(fā)脈沖波形.8七.諧波分析.19八.protel 簡介.19九.印刷電路板.24十.小結(jié)25十一.教材及參考書.25十二.附錄.26 單相調(diào)壓電路設(shè)計一.仿真軟件matlab簡介matlab是集數(shù)值計算、符號運算及圖形處理等強大功能于一體的科學(xué)計算工具，作為強大的科學(xué)計算平臺，它幾乎可以滿足所有的計算要求。另外，matlab還針對許多專門的領(lǐng)域開發(fā)出了功能強大的

2、模塊集或工具箱，如：電力系統(tǒng)仿真工具箱(simpowersystems)等。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)出來的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的模型而不需要自己編寫代碼。當(dāng)今社會的發(fā)展如此迅猛，高性能、低成本以及生產(chǎn)和更新?lián)Q代周期短已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)對產(chǎn)品設(shè)計的最基本要求，模型化、模塊化以及動態(tài)仿真是產(chǎn)品設(shè)計者對設(shè)計工具的最基本要求，而matlab中的simulink是其中可以完全滿足此要求的幾個工具軟件之一。matlab提供的simulink仿真軟件實際上提供了一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真的圖形用戶環(huán)境，并且憑借matlab在科學(xué)計算上的強大功能，建立了從設(shè)計構(gòu)思到最終要求

3、的可視化橋梁，大大彌補了傳統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)工具的不足。simulink是用模塊組合的方法來使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型，特別對于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，效果更為明顯。simulink模型可以用來模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或兩者的混合系統(tǒng)。另外，simulink還為用戶提供一套圖形動畫的處理方法，使用戶可。以方便地觀察到仿真的整個過程。它還能夠用matlab自身語言或c、c+語言、fortran語言，根據(jù)s函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)格式寫成用戶自己定義的功能模塊，其擴充性非常強。其中電力系統(tǒng)仿真工具箱功能強大，工具箱內(nèi)部的元件庫提供了經(jīng)常使用的各種電力元件數(shù)學(xué)模型，并且提供了可以自己編程的方式創(chuàng)建適合

4、的元件模型。二設(shè)計目的1. 通過對單相調(diào)壓電路的設(shè)計，掌握單相調(diào)壓電路的工作原理，綜合運用所學(xué)知識進行單相調(diào)壓電路和系統(tǒng)設(shè)計的能力。2. 了解與單相調(diào)壓電路拓撲、控制方法。3. 理解和掌握單相調(diào)壓電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護電路的設(shè)計方法，掌握元器件的選擇計算方法。4. 具有一定得電力電子電路及系統(tǒng)實驗和調(diào)試的能力。三 單相交流電調(diào)壓電路原理單相交流調(diào)壓電路是對單相交流電的電壓進行調(diào)節(jié)的電路。用在電熱控制、交流電動機速度控制、燈光控制和交流穩(wěn)壓器等場合。與自耦變壓器調(diào)壓方法相比，交流調(diào)壓電路控制方便，調(diào)節(jié)速度快，裝置的重量輕、體積小，有色金屬消耗也少。結(jié)構(gòu)原理 交流調(diào)壓電路的一般結(jié)構(gòu)如圖

5、1a所示。按一定的規(guī)律控制交流開關(guān)s1的通斷，即可控制輸出的負載電壓u0。按單相交流調(diào)壓電路的控制方式有周波控制調(diào)壓、相位控制調(diào)壓和斬波控制調(diào)壓。采用前兩種控制方式的單相交流調(diào)壓電路如圖1b所示。圖1c所示。是斬波控制的單相交流調(diào)壓電路，圖中的雙向開關(guān)s2是續(xù)流開關(guān)。(1)周波控制調(diào)壓 適用于負載熱時間常數(shù)較大的電熱控制系統(tǒng)?？刂茍D1b所示。中晶閘管導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間之比，使交流開關(guān)在某幾個周波連續(xù)導(dǎo)通，某幾個周波連續(xù)關(guān)斷，如此反復(fù)循環(huán)地運行，其輸出電壓的波形如圖2所示。改變導(dǎo)通的周波數(shù)和控制周期的周波數(shù)之比即可改變輸出電壓。為了提高輸出電壓的分辨率，必須增加控制周期的周波數(shù)。為了減少對周圍通

6、信設(shè)備的干擾，晶閘管在電源電壓過零時開始導(dǎo)通。在負載容量很大時，開關(guān)的通斷將引起對電網(wǎng)的沖擊，產(chǎn)生由控制周期決定的分?jǐn)?shù)次諧波，這些分?jǐn)?shù)次諧波引起電網(wǎng)電壓閃變。這是其缺陷。（2）相位控制調(diào)壓 利用控制觸發(fā)滯后角的方法，控制輸出電壓。晶閘管承受正向電壓開始到觸發(fā)點之間的電角度稱為觸發(fā)滯后角。在有效移相范圍內(nèi)改變觸發(fā)滯后角，即能改變輸出電壓。有效移相范圍隨負載功率因數(shù)不同而不同，電阻性負載最大，純感性負載最小。圖3是阻性負載時相控方式的交流調(diào)壓電路的輸出電壓波形。相控交流調(diào)壓電路輸出電壓包含較多的諧波分量，當(dāng)負載是電動機時，會使電動機產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩和附加諧波損耗。另外它還會引起電源電壓畸變。為減少對電

7、源和負載的諧波影響，可在電源側(cè)和負載側(cè)分別加濾波網(wǎng)絡(luò)。（3）斬波控制調(diào)壓使開關(guān)在一個電源周期中多次通斷，將輸入電壓切成幾個小段，用改變小段的寬度或開關(guān)通斷的周期來調(diào)節(jié)輸出電壓。斬控調(diào)壓電路輸出電壓的質(zhì)量較高，對電源的影響也較小。圖4是斬波控制的交流調(diào)壓電路的輸出電壓波形。在斬波控制的交流調(diào)壓電路中，為了在感性負載下提供續(xù)流通路，除了串聯(lián)的雙向開關(guān)s1外，還須與負載并聯(lián)一只雙向開關(guān)s2。當(dāng)開關(guān) s1導(dǎo)通，s2關(guān)斷時，輸出電壓等于輸入電壓；開關(guān)s1關(guān)斷，s2導(dǎo)通時，輸出電壓為零?？刂崎_關(guān)導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間之比即能控制交流調(diào)壓器的輸出電壓。開關(guān) s1、s2動作的頻率稱斬波頻率。斬波頻率越高，輸出電壓

8、中的諧波電壓頻率越高，濾波較容易。當(dāng)斬波頻率不是輸入電源頻率的整數(shù)倍時，輸出電壓中會產(chǎn)生分?jǐn)?shù)次諧波。當(dāng)斬波頻率較低時，分?jǐn)?shù)次諧波較大，對負載產(chǎn)生惡劣的影響。將斬波信號與電源電壓鎖相，可消除分?jǐn)?shù)次諧波。斬波控制的交流調(diào)壓電路的功率開關(guān)元件必須采用功率晶體管或其他自關(guān)斷元件，所以成本較高。四.設(shè)計原理本設(shè)計中采用相位控制調(diào)壓的方式。把兩個晶閘管反并聯(lián)在交流電路中，通過對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。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。交流電源只有一相時，稱為單相調(diào)壓電路。主電路原理圖

9、如下：圖5圖5是單相交流電路主電路圖，兩個晶閘管反并聯(lián)串聯(lián)在交流電路中，在每半個周波內(nèi)對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸出交流電壓的有效值，實現(xiàn)交流調(diào)壓。由于交流調(diào)壓電路的工作情況和負載有很大關(guān)系，因此分別進行討論。單相交流調(diào)壓負載在電阻負載時，晶閘管的導(dǎo)通角只與控制角 有關(guān)，分別對兩個晶閘管的開通角進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負半周起始時刻( =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 相等。 的移相范圍應(yīng)為0。對觸發(fā)脈沖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正常導(dǎo)通。單相交流調(diào)壓負載是阻感性負載時，在電壓反向過零時，由于電感產(chǎn)生的感應(yīng)電勢阻礙電流的變

10、化，晶閘管不能立即關(guān)斷，導(dǎo)電時間延長，此時，晶閘管的導(dǎo)通角不但與控制角 有關(guān)，還與負載的阻抗角 =arctan（wl/r）有關(guān)。當(dāng) 時，兩個晶閘管vt1和vt2 得導(dǎo)通角均小于，且越小，越大。此時可以進行正常交流調(diào)壓，輸出電流既不連續(xù)也非正弦。當(dāng) = 時，=，電流波形為正弦波。當(dāng)0 13v。 c最大輸出能力：kj004為looma(流出脈沖電流)。kj004a為10ma。 d輸ttl反壓：bvceol8v(測試條件：iel00a)。正負半周脈沖相位不均衡度3。使用環(huán)境溫度為四級： c：070 r：-5585 e：-4085 m：-55125 kj004(kj004a)采用雙列直插l6腳封裝。

11、觸發(fā)脈沖電路：圖21該觸發(fā)電路主要由kj004集成電路構(gòu)成。同步信號由第8腳引入，第1腳和第l5腳可產(chǎn)生相位相差180。的2路輸出脈沖，這2路脈沖經(jīng)過信號驅(qū)動電路放大后，接到脈沖變壓器的輸入端，在脈沖變壓器的輸出端產(chǎn)生加在晶閘管門極和陰極的觸發(fā)信號。加脈沖變壓器是為了控制電路和主電路隔離及經(jīng)過變壓后產(chǎn)生觸發(fā)晶閘管合適脈沖。調(diào)節(jié)電位器rp。可調(diào)節(jié)輸出脈沖的相位，調(diào)節(jié)電位器rp：可以調(diào)節(jié)鋸齒波的斜率，從而使在控制電壓為零時，主電路輸出電壓為零。九印刷電路板：圖22印刷電路板主要由焊盤、過孔、安裝孔、導(dǎo)線、元器件、接插件、填充、電氣邊界等組成，各組成部分的主要功能如下： 焊盤：用于焊接元器件引腳的金

12、屬孔。 過孔：用于連接各層之間元器件引腳的金屬孔。安裝孔：用于固定印刷電路板。 導(dǎo)線：用于連接元器件引腳的電氣網(wǎng)絡(luò)銅膜。 接插件：用于電路板之間連接的元器件。 填充：用于地線網(wǎng)絡(luò)的敷銅，可以有效的減小阻抗。 電氣邊界：用于確定電路板的尺寸，所有電路板上的元器件都不能超過該邊界。印制電路板設(shè)計中應(yīng)注意的問題：1. 元件的布局要均衡，疏密有序；2. 元件布局應(yīng)按照元件的關(guān)鍵性來進行，先布置關(guān)鍵元器件，然后按照地址線和數(shù)據(jù)線的走向，依照就近原則，布置其他元件；3. 高頻元件引出的導(dǎo)線應(yīng)盡量短，以減少對其他器件和電路得干擾，也可就近安裝濾波電容；4. 模擬電路與數(shù)字電路盡量分開布設(shè)；5. 帶強電的元件

13、與其他元器件的距離應(yīng)盡量遠些；6. 對發(fā)熱量較大的器件要注意散熱，如大面積接地、加散熱片。十小結(jié)：本次課程設(shè)計，有以下幾點體會。 對matlab仿真軟件有了進一步的了解和認識，并能用其進行一些電路的仿真； 能用protel軟件繪出一些原理圖，設(shè)計出印制電路板； 學(xué)會了一種晶閘管的脈沖觸發(fā)電路，同時對kj004芯片有一定的認識； 對單相交流調(diào)壓電路的原理和功能等有了更全面的理解；總之，這次設(shè)計對個人就相關(guān)課本知識和軟件有了一次較全面的認識和提升，對今后的學(xué)習(xí)和工作有借鑒和促進作用。十一.教材及參考書1. 孫樹撲等.電力電子技術(shù).第一版中國礦業(yè)大學(xué)出版社.19992. 邵丙衡.電力電子技術(shù)第一版.

14、鐵道出版社.19973. 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).第四版機械工業(yè)出版社.20084. 張立.現(xiàn)代電力電子技術(shù).第一版.科學(xué)出版社.19955. 周明寶.電力電子技術(shù).第一版.機械工業(yè)出版社.19976. 葉斌.電力電子技術(shù)習(xí)題集.第一版.鐵道出版社.19957. 林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路.第二版.浙江大學(xué)出版社.20028. 趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ).第一版.清華大學(xué)出版社.1995十二.附錄：一種單相交流調(diào)壓電路板單相通用型可控硅觸發(fā)板編號：pro200732593126型號：gbc2m-1價格：交流調(diào)壓與半控整流通用廠商：gbc2m-1型gbc2m-1型單相交流調(diào)壓與半控整流通用型

15、可控硅觸發(fā)板是移相型的電力控制器，其核心部件采用國外生產(chǎn)的高性能、高可靠性的軍品級可控硅觸發(fā)專用集成電路。輸出觸發(fā)脈沖具有極高的對稱性及穩(wěn)定性，且不隨環(huán)境溫度變化，使用中不需要對脈沖對稱度及限位進行調(diào)整?，F(xiàn)場調(diào)試一般不需要示波器即可完成。* 可用于220v與380v電源頻率為50hz/60hz電網(wǎng)，特殊電壓要求可定制 * 采用移相式觸發(fā)方式、適用于阻性負載、感性負載、變壓器一次側(cè)等各種負載類型。 * 能與國內(nèi)外各種控制儀表、微機的輸出信號直接接口。* 可手動電位器控制也可自動信號控制 * 寬脈沖輸出更可靠，采用專用芯片，脈沖輸出對稱度小于0.1度。 * 具有軟啟動功能，減少對電網(wǎng)的沖擊干擾，使

16、主電路更加安全可靠。 * 同步電壓范圍寬ac5vac2400v。 * 可驅(qū)動各種進口國產(chǎn)單相可控硅硅，反并聯(lián)可控硅模塊，單相半控橋等組成的各種可控硅主電路形式1 負載性質(zhì)它可廣泛的應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域的電壓電流調(diào)節(jié)，適用于電阻性負載、電感性負載、變壓器一次側(cè)及各種整流裝置等，主要應(yīng)用于以下負載：*以鎳鉻、鐵鉻鋁、遠紅外發(fā)熱元件及硅鉬棒、硅碳棒等為加熱元件的溫度控制。*鹽浴爐、工頻感應(yīng)爐、淬火爐、熔融玻璃的溫度加熱控制。*整流變壓器、調(diào)功機（純電感線圈）、電爐變壓器一次側(cè)、直流電機控制。*單相電焊機、電阻焊機、點焊機控制等各種調(diào)場合。*單相風(fēng)機水泵調(diào)速節(jié)能控制*電壓、電流、功率、燈光等無級平滑調(diào)節(jié)2 技術(shù)規(guī)格額定輸入電壓220v或380v、50/60hz特殊電壓要求可定制輸入電壓范圍額定輸入電壓的15%可觸發(fā)可控硅額定電流5a10000a負載性質(zhì)阻性、一般感性、純感性、變壓器一次側(cè)、二次側(cè)、純電感線圈等輸入控制信號420ma010ma05v15v010v手動電位器控制過流保護輸出電流1.8倍額定值