電力電子技術課程設計晶閘管交流調壓與調功電路設計

1、摘 要交流-交流變流電路，是把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路，應用十分廣泛。把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(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。在每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制，可方便地調節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調壓電路。交流調壓電路廣泛用于燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制）及異步電動機的軟起動，也用于異步電動機調速。交流調功電路跟交流調壓電路的電路形式完全相同，只是控制方式不同。交流調功電路不是在每個交流電源周期都通過觸發(fā)延遲角a對輸出電壓波形進行控制，而是將負載與交流電源接通幾個整周波，在斷開幾個整周波

2、，通過改變接通周波數(shù)和斷開周波數(shù)的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率。交流調功電路常用于電爐的溫度控制，因其直接調節(jié)對象就是電路的平均輸出功率，所以被稱為交流調功電路。目 錄前言1第一章 概述21.1交流電力控制電路21.2交流調壓調功電路2第二章 集成觸發(fā)芯片介紹32.1 觸發(fā)芯片32.2 kj004的工作原理32.3封裝形式32.4芯片參數(shù)4第三章 硬件的設計53.1主電路的設計 53.2觸發(fā)電路設計103.3晶閘管調壓調功電路參數(shù)的計算與設定113.4電阻爐負載的過零控制特性分析第四章 設計體會與總結14附錄15參考文獻16本科生課程設計成績評定表17- 16 - / 18文檔可自由編輯打印

3、前 言電力電子技術是20世紀后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術。可以預見，在21世紀電力電子技術仍將以迅猛的速度發(fā)展。電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術的發(fā)展起著決定性的作用。用晶閘管組成的交流電壓控制電路，可以方便的調節(jié)輸出電壓有效值。可用于電爐溫控、燈光調節(jié)、異步電動機的啟動和調速等，也可用作調節(jié)整流變壓器一次側電壓，其二次側為低壓大電流或高壓小電流負載常用這種方法。采用這種方法，可使變壓器二次側的整流裝置避免采用晶閘管，只需要二極管，而且可控級僅在一側，從而簡化結構，降低成本。交流調壓器與常規(guī)的交流調壓變壓器相比，它的體積和重量都要小得多。交流調壓器的 輸出仍是交流電壓，它不是正弦波，其諧波

4、分量較大，功率因數(shù)也較低這些畢業(yè)生走進企業(yè)、公司、政府機構或研究單位之后，往往深刻地感覺到缺乏實際開發(fā)設計項目的經(jīng)驗，不善于綜合運用所學理論，對知識的把握缺乏融會貫通的能力。通過這種設計課程，我們一方面可以結合課程的教學內容循序漸進地進行設計方面的實踐訓練，另一方面，在參與一系列子項目的實踐過程中，還能提高如何綜合運用所學知識解決實際問題的能力，以及獲得有關項目管理和團隊合作等等眾多方面的具體經(jīng)驗，增強對相關課程具體內容的理解和掌握能力，培養(yǎng)對整體課程知識綜合運用和融會貫通能力。最后，向此次課程設計的指導老師以及在課程設計中幫助、支持我的同學表示衷心的感謝。由于本次課程設計時間倉促且自己水平有

5、限，難免還存在一些錯誤和不妥之處，懇請老師批評指正。第一章 概 述1、交流電力控制電路交流電力控制電路是指通過晶閘管等電力電子器件對輸入輸出之間的交流電能進行變換與控制的電路形式，其常用的控制方式有四種： 相位控制； 周期控制； 通斷控制； 斬波控制。根據(jù)不同的控制方式可以將交流電力控制系統(tǒng)分為以下幾種基本類型。 交流調壓電路交流電力電子開關交流斬波調壓電路上述四種交流電力控制系統(tǒng)中，交流調壓電路應用最為廣泛。交流調壓電路是采用相位控制方式的交流電力控制電路，通常是將兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在每相交流電源與負載之間。在電源的每半個周期內觸發(fā)一次晶閘管，使之導通。與相控整流電路一樣，通過控制晶閘管

6、開通時所對應的相位，可以方便的調節(jié)交流輸出電壓的有效值，從而達到交流調壓的目的。其晶閘管可以利用電源自然換相，無需強迫關掉電路，并可實現(xiàn)電壓的平滑調節(jié)，系統(tǒng)響應速度較快，但它也存在深控時功率因數(shù)較低，易產(chǎn)生高次諧波等缺點。單相交流調壓電路是對單相交流電的電壓進行調節(jié)的電路。交流調壓電路主要應用在電熱控制、交流電動機速度控制、交流穩(wěn)壓器等場合，主要有燈光調節(jié)（如調光臺燈、舞臺燈光控制等），溫度調節(jié)（如工頻加熱、感應加熱、需控制的家用電器等），泵及風機等異步電動機的軟起動，交流電機的調壓調速（如紡織、造紙、冶金等領域的調壓調速），隨電機負載大小自動調壓（對于起動機等有較長時間空載或輕載的負荷，自動

7、調壓可以節(jié)省電能），變壓器初級調壓（在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，如采用晶閘管相孔整流電路，需要很多晶閘管串聯(lián)或并聯(lián)，若采用交流調壓電路在變壓器初級調壓。其電壓電流值都比較合理，在變壓器次級只要用二極管整流即可，從而達到減少體積、減低成本的目的）。與自耦變壓器調壓方法相比，交流調壓電路控制方便，調節(jié)速度快，裝置的重量輕、體積小，有色金屬消耗也少。2、交流調壓調功電路 把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(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。在每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制，可方便地調節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調壓電路。

8、交流調功電路跟交流調壓電路的電路形式完全相同，只是控制方式不同。交流調功電路不是在每個交流電源周期都通過觸發(fā)延遲角a對輸出電壓波形進行控制，而是將負載與交流電源接通幾個整周波，在斷開幾個整周波，通過改變接通周波數(shù)和斷開周波數(shù)的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率。第 二章 集成觸發(fā)芯片介紹 1、觸發(fā)芯片可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中,作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。器件輸出兩路相差180度的移相脈沖,可以方便地構成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低,有脈沖列調制輸出端等功能與特點。常用的有kj004和kc0

9、5?；趉j004的優(yōu)點，下面就對kj004z作簡要介紹。2、kj004的工作原理電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電原理見下圖：鋸齒波的斜率決定于外接電阻R6、RW1,流出的充電電流和積分電容C1的數(shù)值。對不同的移相控制電壓VY,只有改變權電阻R1、R2的比例,調節(jié)相應的偏移電壓VP。同時調整鋸齒波斜率電位器RW1,可以使不同的移相控制電壓獲得整個移相范圍。觸發(fā)電路為正極性型,即移相電壓增加,導通角增大。R7和C2形成微分電路,改變R7和 C2的值,可獲得不同的脈寬輸出的同步電壓為任意值。3、封裝形式電路采用雙列直插C

10、16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝,外形尺寸按電子工業(yè)部部頒標準。半導體集成電路外形尺寸SJll0076功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調制輸出+Vcc引線腳號1 23 45 6789101112131415164、芯片參數(shù)：1電源電壓：直流+15V、-15V,允許波動土5(±10時功能正常)。2. kj004 電源電流：正電流15mA,負電流10mA。3同步電壓：任意值。4同步輸入端允許最大同步電流：6mA(有效值)5移相范圍1700(同步電壓30V,同步輸入電阻15k)6鋸齒波幅度：10V(幅度以鋸齒波平頂為準)。7輸出脈沖：(1)寬度：400S2

11、mS(通過改變脈寬阻容元件達到)。(2)幅度：13V。(3)最大輸出能力100mA(流出脈沖電流)。(4)輸出管反壓：BVCEO18V(測試條件Ie100A)。8正負半周脈沖相位不均衡±30。9使用環(huán)境溫度為四級：C：070 R：-5585 E：-4085 M：-55125第三章 硬件的設計1、 主電路的設計1.1 電阻負載 （a）電路圖 （b）工作波形1.2阻感負載 （a）電路圖 （b）工作波形交流調壓電路可以帶電阻性負載，也可以帶電感性負載，如圖（a）所示感應電動機或其它電阻電感混合負載等。由于感性負載本身滯后于電壓一定角度，再加上相位控制產(chǎn)生的滯后，使得交流調壓電路在感性負載下

12、大的工作情況更為復雜，其輸出電壓、電流波形與控制角、負載阻抗角都有關系。其中負載阻抗角,相當于在電阻電感負載上加上純正弦交流電壓時，其電流滯后于電壓的角度為。為了更好的分析單相交流調壓電路在感性負載下的工作情況，此處分三種工況分別進行討論。（1） 工況上圖所示為單相反并聯(lián)交流調壓電路帶感性負載時的電路圖，以及在控制角觸發(fā)導通時的輸出波形圖，同電阻負載一樣，在的正半周角時，觸發(fā)導通，輸出電壓等于電源電壓，電流波形從0開始上升。由于是感性負載，電流滯后于電壓，當電壓達到過零點時電流不為0，之后繼續(xù)下降，輸出電壓出現(xiàn)負值，直到電流下降到0時，自然關斷，輸出電壓等于0，正半周結束，期間電流從0開始上升

13、到再次下降到0這段區(qū)間稱為導通角。由后面的分析可知，在工況下，因此在脈沖到來之前已關斷，正負電流不連續(xù)。在電源的負半周導通，工作原理與正半周相同，在斷續(xù)期間，晶閘管兩端電壓波形如（b）圖所示。為了分析負載電流的表達式及導通角與、之間的關系，假設電壓坐標原點如圖所示，在時刻晶閘管T導通，負載電流i應滿足方程L=sin其初始條件為 i|=0,解該方程，可以得出負載電流i在區(qū)間內的表達式為 i=.當=時，i=0，代入上式得，可求出與、之間的關系為sin（-）=sin（-）e 利用上式，可以把與、之間的關系用下圖的一簇曲線來表示。圖中以為參變量，當=0時代表電阻性負載，此時=180-；若為某一特定角度

14、，則當 時，=180 ，當>時，隨著的增加而減小。上述電路在控制角為時，交流輸出電壓有效值U、負載電流有效值I、晶閘管電流有效值I分別為U=UI=2II= I式中，I為當=0時，負載電流的最大有效值，其值為I=為晶閘管有效值的標幺值，其值為=有上式可以看出，是及的函數(shù)下圖給出了以負載阻抗角為參變量時，晶閘管電流標幺值與控制角的關系曲線。當、已知時，可由該曲線查出晶閘管電流標幺值，進而求出負載電流有效值I及晶閘管電流有效值I。（2） =工況當控制角=時，負載電流i的表達式中的第二項為零，相當于滯后電源電壓角的純正弦電流，此時導通角=180，即當正半周晶閘管T關斷時，T恰好觸發(fā)導通

15、，負載電流i連續(xù)，該工況下兩個晶閘管相當于兩個二極管，或輸入輸出直接相連，輸出電壓及電流連續(xù)，無調壓作用。=工況下的輸出波形(3) 工況在工況下，阻抗角相對較大，相當于負載的電感作用較強，使得負載電流嚴重滯后于電壓，晶閘管的導通時間較長，此時式仍然適用，由于，公式右端小于0，只有當時左端才能小于0，因此，如圖所示，如果用窄脈沖觸發(fā)晶閘管，在時刻被觸發(fā)導通，由于其導通角大于180，在負半周時刻為發(fā)出出發(fā)脈沖時，還未關斷，因受反壓不能導通,繼續(xù)導通直到在時刻因電流過零關斷時，的窄脈沖已撤除，仍然不能導通，直到下一周期再次被觸發(fā)導通。這樣就形成只有一個晶閘管反復通斷的不正常情況，始終為單一方向，在電

16、路中產(chǎn)生較大的直流分量；因此為了避免這種情況發(fā)生，應采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)方式。窄脈沖觸發(fā)方式綜上所述，當單相交流調壓電路帶感性負載時，為了可靠、有效的工作，并實現(xiàn)調壓的目的，應使控制角的移相范圍保持在之間，同時為了避免出現(xiàn)直流分量，晶閘管的控制脈沖應采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。 2、 觸發(fā)電路設計晶閘管觸發(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為導通。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)電路應滿足下列要求：1）觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，對反電動勢負載的變流器應采用寬脈沖或脈沖列

17、觸發(fā)； 2）觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應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；4）應有的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。綜上所述可以用kj004芯片構成觸發(fā)電路。觸發(fā)電路圖如下。（d）單相交流調壓調功觸發(fā)電路原理圖根據(jù)設計要求，要實現(xiàn)調壓與調功兩個功能，可以調節(jié)與kj004的12腳相連接的電阻R2的阻值和電容C1的容值，就可以實現(xiàn)調功；調節(jié)滑動變阻器R11則可以實現(xiàn)調壓。 綜上所述，用以kj004芯片構成的觸發(fā)電路

18、跟主電路結合可以滿足課程設計的要求。3、 晶閘管調壓調功電路參數(shù)的計算與設定單相交流調壓變流器電路分析：在單相交流調壓電路原理圖中，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的開通角 進行控制就可以調節(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)情況下應是正負半周的相等，可以看出，負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流和負載電壓的波形相同。3) 輸出平均電壓、電流及輸出有功功率的計算首先設定電阻 R=4 分有LB和沒有LB兩種情況分析。當沒有漏感LB時，設上述電路在開通角為 時，負載電壓的有效值為U0、負載電流有

19、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)公式計算得出如下結果：=220V (1)則 可以計算出來。 (2)IVT= 1.43A (3) =0.961 (4) 當考慮漏感LB時，實際上變壓器繞組總有漏感。由于電感對電流變化起阻礙作用，電感電流不能突變，因而換相過程不能瞬間完成，而是會持續(xù)一段時間。下面分析漏感LB在換相過程中對相關參數(shù)的影響。換相過程中，輸出電壓瞬時值為 (5)由此可知，在換相過程中，整流電壓U d為同時的兩個晶閘管隨對應的兩個相電壓的平均值。與不考慮變壓器漏感時相比，每次換相U d減少了一塊，導致U d平均是減低，降低多少用U d表示，稱為換相壓降。 (6)

20、其中XB=w LB。XB為漏感LB的變壓器折算到二次項的漏電抗。同時我們可以得到換相重疊角，通過下式可得到。 (7)換相重疊角隨其它參數(shù)變化的規(guī)律如下：當Id越大時則越大；當XB越大時越大；當 <=90°時， 越小 則越大。漏感對電路影響結果分析如下：（1） 出現(xiàn)換相重疊角，整流輸出電壓平均值Ud降低。（2） 整流電路的工作狀態(tài)增多（3） 晶閘管的di/dt減小，有利于晶閘管的安全開通。有時人為串入進線電抗器以抑制晶閘管的 di/d t。（4） 換相時晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使晶閘管誤導通，為此必須加吸收電路。（5） 換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。4、

21、電阻爐負載的過零控制特性分析。當負載時電爐的時候，由于電爐的溫度是控制對象，其時間常數(shù)往往很大，沒有必要對交流電源的每一個周期進行頻繁的調制，只要以周波數(shù)為單位進行控制就足夠了。通?？刂凭чl管導通的時刻都是在電源電壓過零的時刻，這樣，在交流電源接通期間，負載電源電壓都是正弦波，不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義上的諧波污染。 晶閘管調功波形 第四章 設計體會與總結此次課程設計，大大深了我電力電子技術的理解。在這次設計中，我學到了很多課本上沒有的，以及平時被我們所忽視的東西。平時在上完課后認為對老師所講的東西都很理解，但是在真正自己設計程序時卻無從下手。不能清晰的理解理論知識，就不能在實際實踐中熟練的應用。不僅是理論知