單相調(diào)壓電路設(shè)計(jì)

1、單相調(diào)壓電路設(shè)計(jì)單相調(diào)壓電路設(shè)計(jì)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)一單相調(diào)壓電路設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：時(shí)間：指導(dǎo)教師：目 錄 一.仿真軟件 MATLAB 簡(jiǎn)介 2二.設(shè)計(jì)目的 2.單相交流電調(diào)壓電路原理 2 四 設(shè) 計(jì) 原理 5五.MATLAB 仿真 a.當(dāng)電感值和晶閘管開通角變化時(shí)的負(fù)載電壓和觸發(fā)脈沖波形 8七.諧波分析 19 八.Protel介 .19九.印 刷 電 路 板 .24 十 . 小 結(jié) 25 一 .教材及參 考書 25十 二 附 錄 滯相調(diào)壓電路設(shè)計(jì)一.仿真軟件MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是集數(shù)值計(jì)算、符號(hào) 運(yùn)算及圖形處理等強(qiáng)大功能于一體的科學(xué)計(jì)算工具，作為強(qiáng) 大的科學(xué)計(jì)算平臺(tái)，它幾乎可以滿

2、足所有的計(jì)算要求。另外，MATLAB還針對(duì)許多專門的領(lǐng)域開發(fā)生了功能強(qiáng)大 的模塊集或工具箱，如：電力系統(tǒng)仿真工具箱 (SimPowerSystems)等。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)由來(lái)的，用戶 可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的模型而不需要 自己編寫代碼。當(dāng)今社會(huì)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(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最基本要求, 模型化、模塊化以及動(dòng)態(tài)仿真是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)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(gè)工具軟件之一。MATLAB提供的Simulink仿真軟件實(shí)際上提供了一個(gè)系 統(tǒng)級(jí)的建模與動(dòng)

3、態(tài)仿真的圖形用戶環(huán)境，并且憑借MATLAB在科學(xué)計(jì)算上的強(qiáng)大功能，建立了從設(shè)計(jì)構(gòu)思到最終要求的 可視化橋梁，大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)工具的不足。Simulink是用模塊組合的方法來(lái)使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地 創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，特別對(duì)于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)， 效果更為明顯。Simulink模型可以用來(lái)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(dòng)畫的處理方法， 使用戶可。以方便地觀察到仿真的整個(gè)過程。它還能夠用MATLAB 自身語(yǔ)言或c、C+語(yǔ)言、FORTRAN 語(yǔ)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(kuò)充性非常強(qiáng)。其中電力系統(tǒng)仿真

4、工具箱功能強(qiáng)大，工具箱內(nèi)部的元件庫(kù) 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)建適合的元件模型。二.設(shè)計(jì)目的1.通過對(duì)單相調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)， 掌握單相 調(diào)壓電路的工作原理，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行單相調(diào)壓電路 和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。2 . 了解與單相調(diào)壓電路拓?fù)?、控制方法? .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(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，掌握元器件的選擇計(jì)算方法。4 .具有一定得電力電子電路及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(duì)單相交流電的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的電路。用在電熱控制、交流電動(dòng)機(jī)速度控制、燈光控制和交流穩(wěn) 壓器等場(chǎng)合。與自耦變壓器

5、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，即可控制輸生的負(fù)載電壓u0 o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(fù)載熱時(shí)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(shí)間與關(guān)斷時(shí)間之比，使交流開關(guān)在奧幾個(gè) 周波連續(xù)導(dǎo)通，莫幾個(gè)周波連續(xù)關(guān)斷，如此反復(fù)循環(huán)地運(yùn)行， 其輸由電壓的波形如

6、圖 2所示。改變導(dǎo)通的周波數(shù)和控制周期的周波數(shù)之比即可改變輸由電壓。為了提高輸由電壓的分辨率，必須增加控制周期的周波數(shù)。為了減少對(duì)周圍通信設(shè)備的干擾，晶閘管在電源電壓過零 時(shí)開始導(dǎo)通。在負(fù)載容量很大時(shí)，開關(guān)的通斷將引起對(duì)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a的方法，控制輸由電壓。晶閘管承受正向電壓開始到觸發(fā)點(diǎn)之間的電角度稱為觸發(fā)滯后角以在有效移相范圍內(nèi)改變觸發(fā)滯后角，即能改變輸由電壓。有效移相范圍隨負(fù)載功率因數(shù)不同而不同，電阻性負(fù)載最 大，純感性負(fù)載最小。圖3是阻性負(fù)載時(shí)相控方式的交流調(diào)壓電路的輸由電

7、壓波 形。相控交流調(diào)壓電路輸由電壓包含較多的諧波分量，當(dāng)負(fù)載 是電動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和附加諧波損耗。另外它還會(huì)引起電源電壓畸變。為減少對(duì)電源和負(fù)載的諧波影響，可在電源側(cè)和負(fù)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(gè)電源周期中多次通斷， 將輸入電壓切成幾個(gè)小段，用改變小段的寬度或開關(guān)通斷的 周期來(lái)調(diào)節(jié)輸由電壓。斬控調(diào)壓電路輸由電壓的質(zhì)量較高，對(duì)電源的影響也較 小。圖4是斬波控制的交流調(diào)壓電路的輸由電壓波形。在斬波控制的交流調(diào)壓電路中，為了在感性負(fù)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(fù)載并聯(lián)一只雙向開關(guān)S2O當(dāng)開關(guān)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷時(shí)，輸由電壓等于輸入電壓；開

8、 關(guān)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通時(shí)，輸由電壓為零。控制開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間之比即能控制交流調(diào)壓器 的輸由電壓。開關(guān)S1、S2動(dòng)作的頻率稱斬波頻率斬波頻率越高，輸由電壓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(shí)，輸由電壓中會(huì) 產(chǎn)生分?jǐn)?shù)次諧波。當(dāng)斬波頻率較低時(shí)，分?jǐn)?shù)次諧波較大，對(duì)負(fù)載產(chǎn)生惡劣的 影響。將斬波信號(hào)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(jì)原理 本設(shè)計(jì)中采用相位控制調(diào)壓的方式。把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)在交流電路中，通過對(duì)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

9、流電力控制電路。在每半個(gè)周波內(nèi)通過對(duì)晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸由電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。交流電源只有一相時(shí)，稱為單相調(diào)壓電路。主電路原理圖如下：圖5圖5是單相交流電路主電路圖，兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)串 聯(lián)在交流電路中，在每半個(gè)周波內(nèi)對(duì)晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸由交流電壓的有效值，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓。由于交流調(diào)壓電路的工作情況和負(fù)載有很大關(guān)系，因此分 別進(jìn)行討論。單相交流調(diào)壓負(fù)載在電阻負(fù)載時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角只與 控制角a有關(guān)，分別對(duì)兩個(gè)晶閘管的開通角進(jìn)行控制就可以 調(diào)節(jié)輸由電壓。正負(fù)半周起始時(shí)刻（=0）均為電壓過零時(shí)刻，在穩(wěn)態(tài)情況 下，應(yīng)使正負(fù)半周的 a相等。a的移相

10、范圍應(yīng)為0W a4兀對(duì)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(fù)載是阻感性負(fù)載時(shí)，在電壓反向過零時(shí)， 由于電感產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)阻礙電流的變化，晶閘管不能立即 關(guān)斷，導(dǎo)電時(shí)間延長(zhǎng)，此時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角不但與控制角 a有關(guān)，還與負(fù)載的阻抗角 B =arctan（ WL/R ）有關(guān)。當(dāng) B 13VC.最大輸由能力：KJ004為100mA（流生脈沖電流）。KJ004A 為 10mA。d.輸ttl反壓：BVceo > 18V覬試條件：Ie < l00 儂 A）正負(fù)半周脈沖相位不均衡度 <± 3使用環(huán)境溫度為四級(jí)：C:070c

11、R:- 5585c E:- 40 85 c M :- 55125c KJ004(KJ004A)采用雙列直插16腳封裝。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(hào)由第8腳引入，第1腳和第15腳可產(chǎn)生相位相差180o的2路輸生脈沖，這2路脈沖經(jīng)過信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路放大后， 接到脈沖變壓器的輸入端，在脈沖變壓器的輸由端產(chǎn)生加在 晶閘管門極和陰極的觸發(fā)信號(hào)。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RPo可調(diào)節(jié)輸由脈沖的相位，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(shí)，主電路輸由電壓為零。九.印刷電路板：圖22印刷電路板

12、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(jì)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(lái)進(jìn)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.高頻元件引生的導(dǎo)線應(yīng)

13、盡量短，以減少對(duì)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(qiáng)電的元件與其他元器件的距離應(yīng)盡量遠(yuǎn)些；6.對(duì)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(jì)，有以下幾點(diǎn)體會(huì)。 對(duì)MATLAB仿真軟件有了進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)，并能用其進(jìn)行一些電路的仿真； 能用PROTEL軟件繪由一些原理圖，設(shè)計(jì)由印制電路板； 學(xué)會(huì)了一種晶閘管的脈沖觸發(fā)電路，同時(shí)對(duì) KJ004芯片有一定的認(rèn)識(shí)； 對(duì)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(jì)對(duì)個(gè)人就相關(guān)課本知識(shí)和軟件有了一次較全面的 認(rèn)識(shí)和提升，對(duì)今后的學(xué)習(xí)和工作有借鑒和促進(jìn)作

14、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(guó)礦業(yè)大學(xué)生版社.1999 2.邵丙衡.電力電子技術(shù)第一版 鐵道曲版社.1997 3.王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).第四版機(jī)械 工業(yè)由版社.2008 4.張立.現(xiàn)代電力電子技術(shù).第一版 科學(xué)生 版社.1995 5.周明寶.電力電子技術(shù).第一版.機(jī)械工業(yè)由版 社.1997 6.葉斌.電力電子技術(shù)習(xí)題集.第一版.鐵道由版社.1995 7.林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路.第二版.浙江大學(xué)生版 社.2002 8.趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ).第一版.清華大學(xué) 由版社.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(hào)：Pro2007

15、32593126 型號(hào)： GBC2M-1 價(jià)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 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(guó)外 生產(chǎn)的高性能、高可靠性的軍品級(jí)可控硅觸發(fā)專用集成電 路。輸由觸發(fā)脈沖具有極高的對(duì)稱性及穩(wěn)定性，且不隨環(huán)境溫 度變化，使用中不需要對(duì)脈沖對(duì)稱度及限位進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)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(fù) 載、感性負(fù)載、變壓器一次側(cè)等各種負(fù)載類型。* 能與國(guó)內(nèi)外各種控制儀表、微機(jī)的輸由信號(hào)直接接口。*

16、 可手動(dòng)電位器控制也可自動(dòng)信號(hào)控制*寬脈沖輸由更可靠，采用專用芯片，脈沖輸由對(duì)稱度小于0.1度。* 具有軟啟動(dòng)功能，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊干擾，使主電路 更加安全可靠。* 同步電壓范圍寬 AC5V-AC2400V。* 可驅(qū)動(dòng)各種進(jìn)口國(guó)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(fù)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(fù)載、電感性負(fù)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(fù)載：以銀銘、鐵銘鋁、遠(yuǎn)紅外發(fā)熱元件及硅鋁棒、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(jī)（純電感線圈）、電爐變壓器一次 側(cè)、直流電機(jī)控制。* 單相電焊機(jī)、電阻焊機(jī)、點(diǎn)焊機(jī)控制等各種調(diào)場(chǎng)合。* 單相風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能控制*電壓、電流、功率、燈光等無(wú)級(jí)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 5A-10000A負(fù)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(hào) 420mA010mA05 V15V010V手動(dòng)電位器控制 過流保護(hù) 輸由電流A 1.8倍 額定值時(shí)，10ms內(nèi)截止輸由 可控硅過熱