相控式單相交流調(diào)壓電路設(shè)計

1、集美大學(xué)電力電子課程設(shè)計報告題目：相控式單相交流調(diào)壓電路設(shè)計姓 名：學(xué) 號：學(xué) 院：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：時 間：2015年6月19日目錄：0 概述 11 設(shè)計的目的 12 設(shè)計的任務(wù)及要求22.1 設(shè)計任務(wù) 2.2 設(shè)計要求 3 主電路總體方案設(shè)計 3.1 總體方案設(shè)計思路 23.2 主電路工作原理 33.2.1 主電路工作情況分析 33.2.2 負(fù)載電流分析 43.3 主電路參數(shù)計算及元器件選擇 63.3.1 主電路參數(shù)計算 63.3.2 主電路元器件的選型 73.3.3 芯片的詳細(xì)介紹 84 基于 MATLAB/Simulink 的仿真設(shè)計 94.1 仿真模型建立 94.2 仿真參數(shù)設(shè)置及

2、仿真結(jié)果 104.3 仿真波形分析 125 實際電路設(shè)計 125.1 總電路設(shè)計125.2 觸發(fā)控制電路設(shè)計 135.3 保護(hù)電路的設(shè)計 14設(shè)計總結(jié) 15參考文獻(xiàn) 150 概述交流調(diào)壓電路在廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)當(dāng)中， 生活中小到調(diào)光臺燈， 大到舞臺燈光控制，生產(chǎn)中異步電動機(jī)的啟動與調(diào)速，電力系統(tǒng)中無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)， 直流電源中調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)電壓等。單相交流調(diào)壓電源中， 調(diào)壓和穩(wěn)壓是最基本的要求。 目前基本的調(diào)壓器類型 有以下三種：機(jī)械式調(diào)壓器 機(jī)械式調(diào)壓器是由電動機(jī)帶動碳刷來實現(xiàn)輸出調(diào)壓。機(jī)械式 調(diào)壓器的輸出波形較好，但體積、重量大，動態(tài)性能差。磁飽和式調(diào)壓器 磁飽和式調(diào)壓器是通過控制主電

3、路中電感的飽和程度，以 改變電抗值以及電抗電壓， 從而實現(xiàn)輸出調(diào)壓。 磁飽和式調(diào)壓器具有一定的動態(tài) 輸出性能，但輸出電壓可調(diào)范圍小，體積、重量較大。電子式調(diào)壓器 電子式調(diào)壓器是采用電力電子開關(guān)器件的控制來實現(xiàn)輸出調(diào) 壓。電子式調(diào)壓器具有較好的輸出波形及動態(tài)響應(yīng)性能， 體積小，重量輕等優(yōu)點， 是目前應(yīng)用較廣泛的調(diào)壓方式。1 課程設(shè)計的目的 本課程設(shè)計是電氣工程及其自動化專業(yè)重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一。 本課程設(shè) 計的任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用 電力電子技術(shù)、電子技術(shù) 所學(xué)知識分析解決 工程實際問題。使學(xué)生加深理解電力電子變換電路的基本原理及其在工程實際中 的應(yīng)用；掌握電力電子變換主電路的選型及參數(shù)計算方

4、法； 掌握電力電子器件和 裝置的控制電路設(shè)計方法； 為今后從事與電力電子技術(shù)相關(guān)的科學(xué)研究工作打下 良好的基礎(chǔ)。2課程設(shè)計的任務(wù)及要求2.1設(shè)計任務(wù)相控式單相交流調(diào)壓電路設(shè)計2.2設(shè)計要求(1) 輸入信號為電網(wǎng)電壓，U=220Vf=50Hz,輸出負(fù)載為阻感負(fù)載，R=50 , 感抗=35 。(2) 設(shè)計出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并用MATLAB/Simulink對單相交流調(diào)壓進(jìn)行仿真。(3) 設(shè)計出單相交流調(diào)壓主電路和控制電路、保護(hù)電路等。3主電路總體方案設(shè)計3.1總體方案設(shè)計思路本系統(tǒng)設(shè)計方案基本思路是：采用兩個反向并聯(lián)的晶閘管作為開關(guān)器件，負(fù)載為阻感負(fù)載組成的主電路，以及控制晶閘管導(dǎo)通的觸發(fā)電路，其系統(tǒng)

5、原理方框圖如圖3.1 o圖3.1系統(tǒng)原理方框圖3.2主電路工作原理 321主電路工作情況分析主電路如圖3.2.1所示，由兩個反向并聯(lián)的晶閘管T1、T2,負(fù)載電感L和電阻R組成。U1T1T2*圖3.2.1主電路如圖3.2.1（a）所示，當(dāng)控制角時T1開始導(dǎo)電,iT1 i s i0從零上升，T1導(dǎo)電180o后在t時 i T1 isi00，與此同時,T2被觸發(fā)導(dǎo)通，G is io從零上升,T4導(dǎo)電180o后在t2 時 iT2 isi00。因此，T1、T2的觸發(fā)控制角時，T1、T2依序輪流導(dǎo)電1800（導(dǎo)電角B =180o），i。都是完整的正弦波。(2)如圖提前，即時開始觸發(fā)T2。在3.2.1(a)時

6、開始觸發(fā)T1,在t時,（1）晶閘管觸發(fā)控制角（延遲觸發(fā)角）T1立即導(dǎo)由于is i。仍是負(fù)電流，即T2仍在導(dǎo)通，故此時的觸發(fā)電流并不能使電，直到t 時，iT2 is io o，如果這時T1還有觸發(fā)電流，才能開通T1。因此，RL負(fù)載、 時，如果要使電壓控制器能起到相控作用正常工作，觸發(fā)信號必須是寬脈沖。如果0，則寬脈沖應(yīng)該超過，此時雖然 ，但與時一樣，輸出電壓電流波形都是完整的正弦波。(3)時如圖3.2.1 (b)所示，如果晶閘管的控制角a從t 推遲， ，在t時iT2已為零，但此刻T1觸發(fā)脈沖尚未到達(dá)，因此在 T1被觸發(fā)開通之前一段時期中is io 0，電流斷流。待t ()時T1才被觸發(fā)開通，厲i

7、s io從零上升，人上升到最大值im后逐漸減小，并在t之前就衰減到零，即導(dǎo)電角 。在t時，觸發(fā)T2導(dǎo)通，在一個周期中T1、T2輪流導(dǎo)電9 ()角，因此負(fù)載電壓0為正負(fù)對稱的不完整正弦波，負(fù)載電流山iT1 iT2為正負(fù)對 稱的非正弦電流。圖 3.2.1(b)3.2.2負(fù)載電流分析(1)時，9 =188，即 o、io 為圖 3.2.1(a)所示正弦波，T1、T2導(dǎo)電角9 =188:vO vSJ2VS sin t./2Vsis ioZ_si n( t )LR時(2)RiT1LtsinVodt1a)tsi n()etZ/tgsin()easintan()taneeiT1diT1(3)由(1)、(2)可

8、求出負(fù)載阻抗角一定時導(dǎo)通角9與觸發(fā)控制角的1-rtO1HO丄ZO 40 tiO KO lOO 10140 LfiO 180圖3.2.2(a)導(dǎo)通角9與控制角a的關(guān)系曲線(以負(fù)載阻抗角為參變量)由圖3.2.2 (a)可以看出:Z , ( L)2arctan關(guān)系 f ，如圖3.2.2 (a)所示:Larcta n R時，9 =180o,時，9 180o。0為圖3.2.1(b)所示的部分正弦波曲線，而i。則為斷流的非正弦波，半周中的導(dǎo)電角9 188:)sin(acossin(a(4) 時非正弦負(fù)載電壓有效值 Vo、負(fù)載電流有效值Io、晶閘管電流 有效值I T分別為:Vo1( ,2VsSin t)2d

9、( t)Vs丄sin2 sin 2()若取晶閘管電流It的基準(zhǔn)值為 2 Vs，則It的相對值為ItIt/孑Z2Vs可畫出以 為參變量，I；與觸發(fā)控制角a的函數(shù)關(guān)系，如圖3.2.2 ( b)所示:圖3.2.2(b)晶閘管電流的標(biāo)么值I；與控制角a的關(guān)系曲線3.3主電路參數(shù)計算及元器件選擇 3.3.1主電路參數(shù)計算(1) 控制角范圍:L35 c。minarcta narcta n35R50m ax(2) min時，最大電流有效值0為:220502 352 1 23.6A(3) 最大功率(min時)：PmaxRI2 50 3.62648W(4) 功率因數(shù)PF648220 3.60.818(5) 電感

10、大?。河?L 2 fL 35得 l 戲 35111.5mH2 f 2503.3.2主電路元器件的選型(1)開關(guān)管的選擇可選用VMOSFE開關(guān)管。它是具有輸入阻抗高(108V)、驅(qū)動電流小(0.1uA 左右)、耐高壓(最高可耐壓 1200V)工作電流大(1.5A100A)、輸出功率高(1250V)、跨導(dǎo)的線性好、開關(guān)速度快等優(yōu)良特性。時晶閘管電流最大有效值It為：It2Vs 2 sin t - -sint- 2e tg d tIq 2.55A2因為輸入電壓為220V的交流電，根據(jù)計算結(jié)果，故可以選用 14A/500V的N溝道開關(guān)管IRFP450LC(2)觸發(fā)控制芯片的選擇選用芯片KJ004產(chǎn)生觸

11、發(fā)控制信號，來驅(qū)動 MOSFE實現(xiàn)觸發(fā)控制，KJ004可控硅移相觸發(fā)電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡 性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低、有脈沖列調(diào)制控制輸出端等功能與特點, 可輸出兩路相差180o的移相脈沖，具有廣泛的應(yīng)用。333芯片的詳細(xì)介紹（1）晶閘管也成為可控硅整流元件（SCR,是由三個PN結(jié)構(gòu)成的一種大功 率半導(dǎo)體器件。具有單向?qū)щ娦院涂煽匦?。其?nèi)部電路可等效為兩個晶體管V1和V2串接而成，如圖3.3.3所示，只有在其陽極 A和陰極K之間加正向電壓， 并且在觸發(fā)級G加一定大小電流的觸發(fā)脈沖，才能使晶閘管導(dǎo)通；當(dāng)其電流Ia減圖3.3.3 a）晶閘管結(jié)構(gòu)模型b）晶

12、閘管等值電路（2） KJ004觸發(fā)電路電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏移電壓、移電壓綜合比較放大電路和功相率放大電路四部分組成。電路內(nèi)部原理如圖 3.3.3 （ c）所示:40*It1 昭I$3Q A圖3.3.3 （c）KJ004內(nèi)部原理圖各引腳功能及連接：2、6 10引腳：為空腳。1、15同相、反相脈沖輸出端：分別接脈沖功放晶體管及脈沖變壓器。3為鋸齒波電容連接端：通過電容接引腳 4,并通過一個電阻與可調(diào)電位器 接負(fù)電源，可調(diào)節(jié)鋸齒波的斜率。4為同步鋸齒波電壓輸出端：通過一個電阻接移相綜合端（引腳9）。5為工作負(fù)電源輸入端：接-15V電源。7為底端：芯片公共地。8為同步電源信號輸入端：

13、接同步變壓器二次側(cè)，同步電壓30V。9為移相、偏置及同步信號綜合端：分別通過一個等值電阻接移相控制端、 偏置控制端及引腳4.11為方波脈沖輸出端：通過一只電容接引腳 12，電容的大小決定輸出脈沖 的寬度。12為脈沖信號輸入端：通過一只電容接引腳 11,另外通過一個電阻接正電 源。13為負(fù)脈沖調(diào)制及封鎖控制端：通過該端輸入信號的不同，可對負(fù)載輸出 脈沖進(jìn)行調(diào)制或圭寸鎖。16為工作正電源輸入端：接+15V電源。4基于MATLAB/Simulink的仿真設(shè)計4.1仿真模型建立建立一個仿真模型，在Simulink中找到所需的交流電源、電壓表、電流表、示波器、電感電阻負(fù)載、觸發(fā)源等。將找到的各個模型按電

14、路正確連接起來，如圖4.1所示：注：為了方便觀察，示波器通道所測波形由上到下分別為電壓源、T1觸發(fā)脈沖、T2觸發(fā)脈沖、輸出電壓、輸出電流。4.2仿真參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果按前面要求設(shè)置好仿真參數(shù)，電阻R=50Q,電感L=111.5mH觀察不同觸發(fā) 角時的仿真波形。(1) 時的仿真波形如圖4.2 (a)所示：(2)窄脈沖觸發(fā)信號，時的仿真波形如圖4.2 (b)所示:(3)寬脈沖觸發(fā)信號，時的仿真波形如圖4.2 (c)所示:圖 4.2 ( c)5o35o寬脈沖觸發(fā)(4)時的仿真波形如圖4.2(d)所示:4.3仿真波形分析由仿真波形可知，示波器通道所測波形由上到下分別為電壓源、T1觸發(fā)脈沖、T2觸發(fā)脈沖

15、、輸出電壓、輸出電流。此時的負(fù)載是電阻電感性負(fù)載，當(dāng)觸 發(fā)控制角等于阻抗角時，即時，輸出電壓、電流均為連續(xù)的正弦波；當(dāng)觸發(fā)控制角小于阻抗角時，即時，若觸發(fā)脈沖為窄脈沖時，輸出電壓、電流均為不連續(xù)波形；若觸發(fā)脈沖為寬脈沖時，輸出電壓、電流均為連續(xù)的正弦波；當(dāng) 觸發(fā)控制角大于阻抗角時，即時，輸出電壓為不連續(xù)的正弦波，輸出電流則為不連續(xù)的對稱的非正弦波。5實際電路設(shè)計5.1總電路設(shè)計如圖5.1所示，總電路主要包括主電路、觸發(fā)控制電路、和保護(hù)電路三部分:5.2觸發(fā)控制電路設(shè)計如圖5.2所示，由KJ004設(shè)計成的可控硅移相控制電路，主要由同步檢測電 路、鋸齒波形成電路、偏形電路、移相電路及鋸齒波電壓綜合

16、比較放大電路和功 率放大電路組成。鋸齒波的斜率由外接電阻 R6 RW流出的充電電流和積分電容 C1的大小決定。對不同移相控制電壓 Uy由改變電阻R1 R2的比例調(diào)節(jié)響應(yīng)的 偏移電壓Up。同時RW1可以使不同移相控制電壓獲得整個移相范圍。R7 C2形成微分電路，改變其值得大小可以獲得不同的脈寬輸出。圖5.2觸發(fā)電路接線圖5.3保護(hù)電路的設(shè)計在電路中，由于過壓、過流等容易造成整個電路或者元器件的損壞， 造成損 失甚至產(chǎn)生危險，因此必須添加一定的保護(hù)措施，保護(hù)電路的設(shè)計成了在電路設(shè) 計中不可缺少的一部分。在電力電子中最主要的保護(hù)電路可分為過壓保護(hù)電路、 過流保護(hù)電路和緩沖電路三種。(1) 過電壓保護(hù)

17、電力電子設(shè)備中過電壓的產(chǎn)生可分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩種。夕卜因過電壓有操作過電壓與雷擊過電壓；內(nèi)因過電壓有二極管反向恢復(fù)過電壓和開關(guān)管 關(guān)斷過電壓。過電壓的常用保護(hù)措施是采用RC過電壓抑制電路，如圖5.3 (a)。(2) 過電流保護(hù)電力電子線路中常采用的過電流保護(hù)措施有快速熔斷器、 直流快速熔斷器和 過電流繼電器三種。其中快速熔斷器是電力電子電路中最有效、 應(yīng)用最廣泛的一 種過電流保護(hù)措施，如圖5.3 (b)。(3) 緩沖電路緩沖電路又稱吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、 或者過 電流，減少器件的開關(guān)損耗。緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。 關(guān) 斷緩沖電路和開通緩沖電

18、路結(jié)合在一起，又可稱為復(fù)合緩沖電路。如圖 5.3 (c) 為關(guān)斷緩沖電路通過分析可知在此交流調(diào)壓電路中，只需對晶閘管進(jìn)行過電壓保護(hù)及過電流保護(hù)即可，因此我們采用RC過電壓抑制電路進(jìn)行過壓保護(hù)，采用快速熔斷器進(jìn)行過流保護(hù)。圖5.3 ( b)過流保護(hù)電路圖5.3圖5.3 (c)關(guān)斷緩沖電路設(shè)計總結(jié)通過本次電力電子課程設(shè)計， 加深了對電力電子專業(yè)知識的理解， 通過廣泛 的查閱資料， 一步一步的完成了本次課程設(shè)計。 在本次的課程設(shè)計中， 我深入了 解了相控式單相調(diào)壓電路的工作原理， 以及觸發(fā)電路的設(shè)計。 掌握電力電子變換 主電路的選型及參數(shù)計算方法等。 與此同時，還掌握了 MATLAB/Simulink 在電力 電子仿真中的應(yīng)用，掌握了如何使用 Altium_designer 繪制電路原理圖等。當(dāng)然，在整個課程設(shè)計過程中也遇到了一些問題，如在 Simulink 中找不到 元器件，仿真參數(shù)不會設(shè)置等問題， 但通過大量查閱相關(guān)書籍， 最終將問題逐一 解決，并在最后取得了理想的結(jié)果， 得到了正確的仿真結(jié)果， 順利的完成了本次 課程設(shè)計。經(jīng)過本次電力電子課程設(shè)計， 我不僅值理論知識上得到了鞏固， 更學(xué)會了如 何查閱資料， 如何總結(jié)經(jīng)驗， 在問題面