單相交流調(diào)壓電路純電阻負(fù)載

1、單相交流調(diào)壓電路阻性負(fù)載遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì) 題 目： 單相交流調(diào)壓電路純電阻負(fù)載 院（系、部）： 電氣與控制工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 日 期： 電氣工程系課程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分模板課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表學(xué)期2014/2015第1學(xué)期姓名專業(yè)班級(jí)課程名稱 電力電子技術(shù)設(shè)計(jì)題目 單相交流調(diào)壓電路純電阻負(fù)載 成績(jī) 評(píng)分項(xiàng)目?jī)?yōu)良中及格不及格設(shè)計(jì)表現(xiàn)1.設(shè)計(jì)態(tài)度非常認(rèn)真認(rèn)真較認(rèn)真一般不認(rèn)真2.設(shè)計(jì)紀(jì)律嚴(yán)格遵守遵守基本遵守少量違反嚴(yán)重違反3.獨(dú)立工作能力強(qiáng)較強(qiáng)能獨(dú)立設(shè)計(jì)完成基本獨(dú)立設(shè)計(jì)完成不能獨(dú)立設(shè)計(jì)完成4.上交設(shè)計(jì)時(shí)間提早或按時(shí)按時(shí)遲交半天遲交一

2、天遲交一天以上設(shè)計(jì)說(shuō)明書5.設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)思路清晰，結(jié)構(gòu)方案良好，設(shè)計(jì)參數(shù)選擇正確，條理清楚，內(nèi)容完整，結(jié)果正確設(shè)計(jì)思路清晰，結(jié)構(gòu)方案合理，設(shè)計(jì)參數(shù)選擇正確，條理清楚，內(nèi)容較完整，極少量錯(cuò)誤設(shè)計(jì)思路較清晰，結(jié)構(gòu)方案基本合理，設(shè)計(jì)參數(shù)選擇基本正確，調(diào)理清楚，內(nèi)容基本完整，有少量錯(cuò)誤設(shè)計(jì)思路基本清晰，結(jié)構(gòu)方案基本合理，設(shè)計(jì)參數(shù)選擇基本正確，調(diào)理清楚，內(nèi)容基本完整，有些錯(cuò)誤設(shè)計(jì)思路不清晰，結(jié)構(gòu)方案不合理，關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)選擇有錯(cuò)誤，調(diào)理清楚，內(nèi)容不完整，有明顯錯(cuò)誤6.設(shè)計(jì)書寫、字體、排版規(guī)范、整潔、有條理，排版很好較規(guī)范、整潔、有條理，個(gè)別排版有問(wèn)題基本規(guī)范、整潔、有條理，個(gè)別排版有問(wèn)題基本規(guī)范、整潔、有

3、條理，排版有問(wèn)題較多不規(guī)范、不整潔、無(wú)條理，排版有問(wèn)題很大7.封面、目錄、參考文獻(xiàn)完整較完整基本完整缺項(xiàng)較多不完整圖紙8.繪圖效果很出色較出色一般較差很差9.布局合理、美觀較合理基本合理有些混亂布局混亂10.繪圖工程標(biāo)準(zhǔn)符合標(biāo)準(zhǔn)較符合標(biāo)準(zhǔn)基本符合標(biāo)準(zhǔn)個(gè)別不符合標(biāo)準(zhǔn)完全不符合標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定說(shuō)明：不及格標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)內(nèi)容一項(xiàng)否決制，即5為不及格，整個(gè)設(shè)計(jì)不及格，其他4項(xiàng)否決；優(yōu)、良、中、及格標(biāo)準(zhǔn)：以設(shè)計(jì)內(nèi)容為主體，其他項(xiàng)超過(guò)三分之一為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，否則評(píng)定為下一等級(jí)；如優(yōu)秀評(píng)定，設(shè)計(jì)內(nèi)容要符合5，其余九項(xiàng)要有4項(xiàng)符合才能評(píng)定為優(yōu)，否則評(píng)定為良好，以此類推。最終成績(jī)： 評(píng)定教師簽字：課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目單相

4、交流調(diào)壓電路純電阻負(fù)載二、設(shè)計(jì)任務(wù)1、 選定設(shè)計(jì)方案。2、完成單元電路的設(shè)計(jì)和主要元件的說(shuō)明。3、完成電路原理的分析，各主要元器件的選擇。4、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)三、設(shè)計(jì)計(jì)劃課程設(shè)計(jì)共一周內(nèi)完成。第1天：選題、找相關(guān)書籍閱讀第2天：確定設(shè)計(jì)方案第3天：電路原理設(shè)計(jì)第4天：查找相關(guān)保護(hù)措施第5天：設(shè)計(jì)說(shuō)明書、編輯輸出。四、設(shè)計(jì)要求1、負(fù)載要求：負(fù)載為阻性負(fù)載，R=100歐姆。2、技術(shù)要求：（1）電源電壓：交流100V/50HZ（2）輸出功率：500W（3）移相范圍：0°180°指 導(dǎo) 教師：教研室主任：時(shí) 間： 2014年9月6日摘要電力電子線路的基本形式之一，即交流交流變換電路，

5、它是將一種形式的交流電能變換成另一種形式交流電能電路。在進(jìn)行交流交流變換時(shí)，可以改變交流電的電壓、電流、頻率或相位等。用晶閘管組成的交流電壓控制電路，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓有效值?？捎糜陔姞t溫控、燈光調(diào)節(jié)、異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速等，也可用作調(diào)節(jié)整流變壓器一次側(cè)電壓，其二次側(cè)為低壓大電流或高壓小電流負(fù)載常用這種方法。采用這種方法，可使變壓器二次側(cè)的整流裝置避免采用晶閘管，只需要二極管，而且可控級(jí)僅在一側(cè)，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。交流調(diào)壓器與常規(guī)的交流調(diào)壓變壓器相比，它的體積和重量都要小得多。交流調(diào)壓器的輸出仍是交流電壓，它不是正弦波，其諧波分量較大，功率因數(shù)也較低。 交流調(diào)壓電路可以分為單相交流

6、調(diào)壓電路和三相交流調(diào)壓電路。本設(shè)計(jì)采用全控型器件的斬控式交流調(diào)壓電路，著重介紹純阻性單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：晶閘管；有效值；交流電壓控制電路；正弦波；阻性；目 錄1 設(shè)計(jì)方案及其選擇12 單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)22.1 主電路的設(shè)計(jì) 22.2 控制電路的設(shè)計(jì) 32.2.1 觸發(fā)信號(hào)的種類 32.2.2 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) 43 保護(hù)電路 63.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù) 6.3.2 過(guò)電流的保護(hù) 64 單相交流調(diào)壓電路參數(shù)設(shè)定與計(jì)算85 總結(jié)96體會(huì)10參考文獻(xiàn)111 設(shè)計(jì)方案及選擇由于題目要求輸出電壓范圍為0100V，所以方案可選電阻性負(fù)載或阻感性負(fù)載。本電路采用單相交流調(diào)壓器帶阻性負(fù)

7、載時(shí)的電路圖如圖1所示，在負(fù)載和交流電源間用兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管VT1，VT2相連。2 單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)2.1 主電路的設(shè)計(jì)所謂交流調(diào)壓就是將兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，在每半個(gè)周波內(nèi)通過(guò)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(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，也用于異步電動(dòng)機(jī)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(jì)主要是研究單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)。由于交流調(diào)壓電路的工作情況與負(fù)載的性質(zhì)有很大的關(guān)系，因此下面就反電勢(shì)電阻負(fù)載予以重點(diǎn)討論。圖2-1、圖2-2分別為反電勢(shì)電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路圖及

8、其波形。圖中的晶閘管VT1和VT2也可以用一個(gè)雙向晶閘管代替。在交流電源U2的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的移相控制角 進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓圖2-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路 圖2-2 單相交流電壓電路波形正、負(fù)半周起始時(shí)刻（=0），均為電壓過(guò)零時(shí)刻。在時(shí)，對(duì)VT1施加觸發(fā)脈沖，當(dāng)VT1正向偏置而導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓波形與電源電壓波形相同；在時(shí)，電源電壓過(guò)零，因電阻性負(fù)載，電流也為零，VT1自然關(guān)斷。在時(shí)，對(duì)VT2施加觸發(fā)脈沖，當(dāng)VT2正向偏置而導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓波形與電源電壓波形相同；在時(shí)，電源電壓過(guò)零，VT2自然關(guān)斷。當(dāng)電源電壓反向過(guò)零時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載阻止電流變化，故電流不能立

9、即為零，此時(shí)晶閘管導(dǎo)通角的大小，不但與控制角有關(guān)，而且與負(fù)載阻抗角有關(guān)。兩只晶閘管門極的起始控制點(diǎn)分別定在電源電壓每個(gè)半周的起始點(diǎn)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，正負(fù)半周的相等，負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（電源電流）和負(fù)載電壓的波形相似。2.2 控制電路的設(shè)計(jì)2.2.1 觸發(fā)信號(hào)的種類晶閘管由關(guān)斷到開通，必須具備兩個(gè)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(dāng)正向電壓、電流信號(hào)(觸發(fā)信號(hào))。門極觸發(fā)信號(hào)有直流信號(hào)、交流信號(hào)和脈沖信號(hào)三種基本形式。1 直流信號(hào)： 在晶閘管加適當(dāng)?shù)年?yáng)極正向電壓的情況下，在晶閘管門極與陰極間加適當(dāng)?shù)闹绷麟妷?，則晶閘管將被觸發(fā)導(dǎo)通。這種觸發(fā)方式在實(shí)際中

10、應(yīng)用極少。因?yàn)榫чl管在其導(dǎo)通后就不需要門極信號(hào)繼續(xù)存在。若采用直流觸發(fā)信號(hào)將使晶閘管門極損耗增加，有可能超過(guò)門極功耗；在晶閘管反向電壓時(shí)，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(hào)： 在晶閘管門極與陰極間加入交流電壓，當(dāng)交流電壓=時(shí)，晶閘管導(dǎo)通。是保證晶閘管可靠觸發(fā)所需的最小門極電壓值，改變值，可改變觸發(fā)延遲角。這種觸發(fā)形式也存在許多缺點(diǎn)，如：在溫度變化和交流電壓幅值波動(dòng)時(shí)，觸發(fā)延遲角不穩(wěn)定，可通過(guò)交流電壓值來(lái)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的變化范圍較小(00900)。3脈沖信號(hào)： 在晶閘管門極觸發(fā)電路中使用脈沖信號(hào)，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時(shí)刻，降低晶閘管門極功耗，還可以通過(guò)變壓器的雙繞

11、組或多繞組輸出，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離輸出。因此，觸發(fā)信號(hào)多采用脈沖形式。2.2.2 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)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：1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，對(duì)反電動(dòng)勢(shì)負(fù)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(duì)戶外寒冷場(chǎng)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(dá)1-2A/us ；3）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過(guò)晶閘管門極的電壓、電流和功率

12、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。根據(jù)以上要求分析，采用KC05移相觸發(fā)器進(jìn)行觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。KCO5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引腳圖如圖2-3所示：圖2-3 KC05引腳圖KC05觸發(fā)芯片具有鋸齒波形好，移相范圍寬，控制方式簡(jiǎn)單，易于集中控制，有失交保護(hù)，輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)可以觀測(cè)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

13、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2-4所示：圖2-4 單相交流調(diào)壓觸發(fā)電路原理圖3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)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(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓、過(guò)電流、du/dt保護(hù)和di/dt 保護(hù)也是必要的。3.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)應(yīng)過(guò)電壓兩類。外應(yīng)過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因，包括：1）操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起的過(guò)電壓，快速直流開關(guān)的切斷等經(jīng)常性操作中的電磁過(guò)程引起的過(guò)

14、壓。2）雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起的過(guò)電壓。內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過(guò)程，包括：1）換相過(guò)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(guò)，使殘存的載流子恢復(fù)，當(dāng)其恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會(huì)因線路電感而在晶閘管陰陽(yáng)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(guò)電壓。2）關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件在較高的頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，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(guò)電壓。過(guò)壓保護(hù)要根據(jù)電路中過(guò)壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到定電壓值時(shí)，自動(dòng)開通保護(hù)電路，使過(guò)壓通過(guò)保護(hù)電路形

15、成通路，消耗過(guò)壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過(guò)壓的能量不會(huì)加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時(shí)，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(guò)壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過(guò)壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過(guò)電壓保護(hù)電路如圖3-1所示。圖3-1 RC阻容過(guò)電壓保護(hù)電路圖3.2 過(guò)電流保護(hù)當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。當(dāng)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(guò)載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低、缺相等，均可引起過(guò)

16、流。由于電力電子器件的電流過(guò)載能力相對(duì)較差，必須對(duì)變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)流保護(hù)。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(guò)流保護(hù)措施。圖3-2 過(guò)電流保護(hù)電路圖過(guò)電流保護(hù)電路如圖3-2所示，其中交流側(cè)接快速熔斷器能對(duì)晶閘管元件短路及直流側(cè)短路起保護(hù)作用，但要求正常工作時(shí)，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對(duì)元件的短路故障所起的保護(hù)作用較差。直流側(cè)接快速熔斷器只對(duì)負(fù)載短路起保護(hù)作用，對(duì)元件無(wú)保護(hù)作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對(duì)元件的保護(hù)作用最好，因?yàn)樗鼈兞鬟^(guò)同個(gè)電流因而被廣泛使用。電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路

17、動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。4 單相交流調(diào)壓電路參數(shù)設(shè)定與計(jì)算1）單相交流調(diào)壓變流器參數(shù)設(shè)定：要求觸發(fā)角為45度，輸入交流U2=210V。2）單相交流調(diào)壓變流器電路分析：在單相交流調(diào)壓電路原理圖中，晶閘管VT1和VT2也可以用一個(gè)雙向晶閘管代替。在交流電源的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的觸發(fā)延遲角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負(fù)半周起始時(shí)刻（=0）均為電壓過(guò)零時(shí)刻。在穩(wěn)態(tài)情況下，應(yīng)使正負(fù)半周的相等?？梢钥闯觯?fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流和負(fù)載電壓的波形相同。3) 輸出平均電壓、電流及輸出有功功率的計(jì)算首先設(shè)定電阻值R=100歐姆 。設(shè)上述電路在開通角

18、時(shí)，負(fù)載電壓的有效值為U0、負(fù)載電流有效值為I0、晶閘管電流有效值為IVT和電路功率因數(shù)為。根據(jù)公式計(jì)算得出如下結(jié)果：=201.87V (1)=2.02A (2)IVT=1.43A (3)=0.961 (4)5結(jié)論通過(guò)設(shè)計(jì)可以總結(jié)出，的移相范圍為0。=0時(shí)，相當(dāng)于晶閘管一直導(dǎo)通，輸出電壓為最大值，=。隨著的增大，逐漸減小。知道=時(shí)，=0。此外，=0時(shí)，功率因數(shù)=1，隨著的增大，輸入電流滯后于電壓且發(fā)生畸變，也逐漸降低。6 體會(huì)此次課程設(shè)計(jì)的題目是晶閘管單相交流調(diào)壓、調(diào)功電路，電路圖比較簡(jiǎn)單，但必須弄清楚其原理及相互間的區(qū)別及聯(lián)系。做了課設(shè)后，對(duì)交流調(diào)壓和調(diào)功電路的了解更加深入，以前沒(méi)有細(xì)究的問(wèn)題都逐一查資料解決。特別是對(duì)調(diào)壓電路中的變化對(duì)波形的影響首次清楚認(rèn)識(shí)，并且知道了不同負(fù)載對(duì)調(diào)壓電路的影響，即、之間的變化關(guān)系，然后實(shí)際中要加入很多保護(hù)電路來(lái)保證電路的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。這里因?yàn)槠潆娏骱艽螅挚紤]到晶閘管的換相過(guò)電壓，就加入了快速熔斷器，并給晶閘管加了緩沖電路。平時(shí)設(shè)計(jì)對(duì)這些保護(hù)電路都沒(méi)有怎么考慮，這次課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)各種保護(hù)電路也有了個(gè)了解和學(xué)會(huì)選擇。通過(guò)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我加深了對(duì)課本專業(yè)知識(shí)的理解，平常都是理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，在此次課程設(shè)計(jì)中，真正做到了自己查閱資料、完成一個(gè)基本匯