晶閘管單相交流調(diào)壓及調(diào)功電路課程設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書晶閘管單相調(diào)壓及挑功課程設(shè)計(jì)目 錄緒論11 調(diào)壓調(diào)功原理簡介22 交流調(diào)壓電路波形及相控特性分析32.1 帶電阻性負(fù)載32.1.1 原理32.1.2 計(jì)算與分析32.2 帶阻感性負(fù)載42.2.1 原理分析42.2.2 計(jì)算與分析42.2.3 <的情況63 方案設(shè)計(jì)73.1 主電路的設(shè)計(jì)73.1.1 主電路圖73.1.2 參數(shù)計(jì)算73.1.3 調(diào)功電路的設(shè)計(jì)83.2 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)93.2.1 芯片介紹93.2.2 觸發(fā)電路圖103.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)113.3.1 原理113.3.2 計(jì)算123.3.3 保護(hù)電路圖134 電阻爐負(fù)載過零控制特性分析1

2、45 MATLAB仿真156個人小結(jié)17參考文獻(xiàn)18附錄19緒論交流-交流變流電路，即把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路。在進(jìn)行交流-交流變流時，可以改變相關(guān)的電壓（電流）、頻率和相數(shù)等。交流-交流變流電路可以分為直接方式（無中間直流環(huán)節(jié)方式）和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)方式）兩種。而間接方式可以看做交流-直流變換電路和直流-交流變換電路的組合，故交-交變流主要指直接方式。其中，只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，而不改變頻率的電路稱為交流電力控制電路，改變頻率的電路稱為變頻電路。采用相位控制的交流電力控制電路，即交流調(diào)壓電路；采用通斷控制的交流電力控制電路，即交流調(diào)功電路和交流無觸點(diǎn)

3、開關(guān)。交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制）及異步電動機(jī)的軟啟動也用于異步電動機(jī)調(diào)速。在電力系統(tǒng)中，這種電路還常用于對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。在這些電源中如果采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很多晶閘管串聯(lián)，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)，十分不合理。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓，其電壓、電流值都比較適中，在變壓器二次側(cè)只要用二極管整流就可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設(shè)計(jì)制造。其分為單相和三相交流調(diào)壓電路，前者是后者基礎(chǔ)，這里只討論單相問題。交流調(diào)功電路

4、常用于電爐的溫度控制，其直接調(diào)節(jié)對象是電路的平均輸出功率。像電爐溫度這樣的控制對象，其時間常數(shù)往往很大，沒有必要對交流電源的每個周期進(jìn)行頻繁的控制，只要以周波數(shù)為單位進(jìn)行控制就足夠了。通?？刂凭чl管導(dǎo)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(fù)載電壓電源都是正弦波，不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。1 調(diào)壓調(diào)功原理簡介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輸出。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。交流調(diào)功電路和交流調(diào)壓電路的電路

5、形式完全相同，只是控制方式不同。交流調(diào)功電路不是在每個交流電源周期都通過觸發(fā)延遲角對輸出電壓波形進(jìn)行控制，而是將負(fù)載與交流電源接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。2 交流調(diào)壓電路波形及相控特性分析2.1 帶電阻性負(fù)載2.1.1 原理圖1為電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路圖及其波形。圖中的晶閘管VT1和VT2也可以用一個雙向晶閘管代替。在交流電源u1的正半周和負(fù)半周，分別對VT1和VT2的開通角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負(fù)半周起始時刻（=0）均為電壓過零時刻，穩(wěn)態(tài)時，正負(fù)半周的相等?？梢钥闯?，負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（

6、也即電源電流）和負(fù)載電壓的波形相同，因此通過觸發(fā)延遲角的變化就可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。圖1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形2.1.2 計(jì)算與分析負(fù)載電壓有效值：故移相范圍為0。=0時，輸出電壓為最大， U0=U1。隨著的增大，U0降低，當(dāng)=時，U0=0。負(fù)載電流有效值：晶閘管電流有效值：功率因數(shù)：=0時, 功率因數(shù)=1, 增大,輸入電流滯后于電壓且畸變,降低。2.2 帶阻感性負(fù)載2.2.1 原理分析圖2為帶阻感負(fù)載的單相交流調(diào)壓電路圖及其波形。設(shè)負(fù)載的阻抗角為=arctan(wL / R)。如果用導(dǎo)線把晶閘管完全短接，穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流應(yīng)是正弦波，其相位滯后于電源電壓u1的角度為。在用晶閘管控制時

7、，由于只能通過出發(fā)延遲角推遲晶閘管的導(dǎo)通，所以晶閘管的觸發(fā)脈沖應(yīng)在電流過零點(diǎn)之后，使負(fù)載電流更為滯后，而無法使其超前。為了方便，把=0的時刻仍定義在電源電壓過零的時刻，顯然，阻感負(fù)載下穩(wěn)態(tài)時的移相范圍為 。但<時，電路并非不能工作，后面第三小節(jié)會分析此種情況。 圖2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形2.2.2 計(jì)算與分析當(dāng)在t=時刻開通晶閘管VT1，負(fù)載電流應(yīng)滿足如下微分方程式和初始條件：解方程得：式中，；為晶閘管導(dǎo)通角。利用邊界條件：時，可求得：以為參變量，利用上式可以把和的關(guān)系用圖的一簇曲線來表示，如圖3所示。VT2導(dǎo)通時，上述關(guān)系完同，只是io極性相反，相位差180°負(fù)載

8、電壓有效值：晶閘管電流有效值為：圖3 以為參變量的和關(guān)系曲線負(fù)載電流有效值： 設(shè)晶閘管電流的標(biāo)么值為：則可繪出和的關(guān)系曲線，如圖4所示。圖4 單相交流調(diào)壓電路為參變量時和的關(guān)系曲線2.2.3 <的情況如前圖3所示，越小，越大；繼續(xù)減小到<時，觸發(fā)VT1，則VT1的導(dǎo)通時間將超過。因?yàn)閂T1提前導(dǎo)通，L被過充電，放電時間延長， VT1的導(dǎo)通角超過。觸發(fā)VT2時， i0尚未過零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不通；i0過零后， VT2開通， VT2導(dǎo)通角小于，過渡過程和帶R-L負(fù)載的單相交流電路在t = (<)時合閘的過渡過程相同，i0由兩個分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量。衰減過

9、程中， VT1導(dǎo)通時間漸短， VT2的導(dǎo)通時間漸長，其穩(wěn)態(tài)的工作情況和=時完全相同。<時工作波形如圖5所示。 圖5 <時阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形3 方案設(shè)計(jì)3.1 主電路的設(shè)計(jì)3.1.1 主電路圖電路為工頻50HZ,220V交流電輸入，負(fù)載為R0.5，L2mH的阻感負(fù)載。故主電路圖如下圖：圖6 主電路圖3.1.2 參數(shù)計(jì)算此單相交流調(diào)壓電路的負(fù)載阻抗角為：由圖4知，一定時，越小，越大，即越大。當(dāng)時，不變，為最大值0.5。故可求出晶閘管電流有效值的最大值：晶閘管的額定電流為：晶閘管承受的最大反向電壓為：所以考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：因此，依據(jù)以上參數(shù)選擇晶閘管，比如，可以

10、選用額定電壓為800V，額定電流為200A的晶閘管。3.1.3 調(diào)功電路的設(shè)計(jì)以上的設(shè)計(jì)都是以交流調(diào)壓為基礎(chǔ)。交流調(diào)功電路與調(diào)壓完全相同，只是本次設(shè)計(jì)條件中調(diào)功電路帶電阻性負(fù)載R=4。故電路中應(yīng)將阻感性負(fù)載改為電阻性負(fù)載。參數(shù)計(jì)算時，調(diào)功電路是以周期為單位控制的。故在晶閘管導(dǎo)通的周期內(nèi)=0。又有Z=4，=0，此時仍為0.5，故：晶閘管的額定電流為：而晶閘管承受的最大反向電壓同調(diào)壓電路相同，所以考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：因此，依據(jù)以上參數(shù)選擇晶閘管，比如，可以選用額定電壓為800V，額定電流為40A的晶閘管。3.2 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)3.2.1 芯片介紹觸發(fā)單元以前都是由分立元件構(gòu)成的，它的

11、控制精度查，可靠性低，不便于維修，因此，觸發(fā)電路集成化非常必要。可控硅移相觸發(fā)器KJ004，與分立元件組成的觸發(fā)電路相比，具有移相線性好、移相范圍寬、溫漂小、可靠性高、相位不均衡度小等優(yōu)點(diǎn)。KJ004芯片其內(nèi)部原理圖如下：圖7 KJ004內(nèi)部原理圖該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。KJ004封裝形式：該電路采用雙列直插C16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝，外型尺寸按電子工業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)。半導(dǎo)體集成電路外型尺寸SJ110076KJ004的管腳功能如表1所示。 圖8 KJ004封裝引腳圖表1 KJ004的各管腳功能功 能輸出空鋸齒波形成-Vee

12、(1k)空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調(diào)制輸出+Vcc引線腳號1 23 45 6789101112131415163.2.2 觸發(fā)電路圖由于交流調(diào)壓調(diào)功電路中只用到兩個晶閘管，而KJ004有兩個輸出口，故用一片KJ004即可。由KJ004的典型連接圖畫得此次觸發(fā)電路如下圖。圖9 觸發(fā)單元接線圖其中，同步串聯(lián)電阻R4的選擇按下式計(jì)算：這里R4選用15K。電路原理：鋸齒波的斜率決定于外接R6、RW1流出的充電電流和積分C1的數(shù)值。對不同的移項(xiàng)控制V1，只有改變R1、R2的比例，調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移VP。同時調(diào)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范圍。觸發(fā)電路為正極性型，即移相電

13、壓增加，導(dǎo)通角增大。R8和C2形成微分電路，改變R8和C2的值，可獲得不同的脈寬輸出。KJ004的同步電壓為任意值。3.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)3.3.1 原理在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必要的。1) 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)：電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：操作過電壓、雷擊過電壓；內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：換相過電壓、關(guān)斷過電壓。過壓保護(hù)的基本原則是：根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同

14、部位，加入不同的附加電路，當(dāng)達(dá)到定過壓值時，自動開通附加電路，使過壓通過附加電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。保護(hù)電路形式很多。這里主要考慮晶閘管在實(shí)際應(yīng)用中一般會承受的換相過電壓，故可用阻容保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰時，電容兩端電壓不能突發(fā)的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓 圖10 阻容保護(hù)電路能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩。阻容保護(hù)電路如圖10所示。2) 過電流的產(chǎn)生及過電流保護(hù)：引起過流的原因：當(dāng)電力電子變換器內(nèi)部某一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載

15、、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起變換器內(nèi)元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過流。由于電力電子器件的電流過載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此，必須對變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。常見的過電流保護(hù)電路有如下一些形式。圖11 過電流各種保護(hù)措施及配置位置變換器的過流一般主要分為兩類：過載過流和短路過流。在晶閘管變換器中，快速熔斷器是應(yīng)用最普遍的過流保護(hù)措施，可用于交流側(cè)、直流側(cè)和裝置主電路中。其中交流側(cè)接快速熔斷器能對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，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對元件的短路故障所起的保護(hù)作用

16、較差。直流側(cè)接快速熔斷器只對負(fù)載短路起保護(hù)作用，對元件無保護(hù)作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對元件的保護(hù)作用最好，因?yàn)樗鼈兞鬟^同個電流。因而被廣泛使用。3.3.2 計(jì)算1) 阻容保護(hù)電路參數(shù)：RC阻容保護(hù)電路參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來選擇。電容C的選擇為：電阻一般取40。2) 快速熔斷器的選用原則：和普通熔斷器一樣要考慮快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓有效值，熔斷器(安裝熔體的外殼)的額定電流應(yīng)大于或等于熔體額定電流值。此外，快速熔斷器熔體的額定電流是指電流有效值，而晶閘管額定電流是指通態(tài)電流平均值，其有效值為1.57。故選用時要求：式中：晶閘管通態(tài)電流平均值，快速熔斷器的熔體額定電流。算

17、得1.57。所以選取額定電流大于等于194.4A的快速熔斷器。3.3.3 保護(hù)電路圖將快速熔斷器和RC阻容保護(hù)電路放入電路中：圖12 保護(hù)電路圖4 電阻爐負(fù)載過零控制特性分析當(dāng)負(fù)載為電阻爐的時候，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(jìn)行頻繁的調(diào)制，只要以周波數(shù)為單位進(jìn)行控制就足夠了。通?？刂凭чl管導(dǎo)通的時刻都是在電源電壓過零的時刻，即過零調(diào)功控制。這樣，在交流電源接通期間，負(fù)載電源電壓都是正弦波，因此不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義上的諧波污染,不會產(chǎn)生各種高次諧波污染電網(wǎng)。原理分析：令控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導(dǎo)通，后MN個周期關(guān)斷。當(dāng)M=

18、3、N=2時的電路波形如圖13所示。負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期。 圖13 交流調(diào)功電路典型波形（M=3、M=2） 在負(fù)載為電阻時，負(fù)載電流波形和負(fù)載電壓波形相同。以控制周期為基準(zhǔn)，對圖13的波形進(jìn)行傅里葉分析，可以得到圖14所示電流頻譜圖。圖中In為n次諧波有效值，Ion為導(dǎo)通時電路電流幅值。從圖14的電流頻譜圖可以看出，如果以電源周期為基準(zhǔn)，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波，而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。圖14 交流調(diào)功電路的電流頻譜圖（M=3、N=2）5 MATLAB仿真由于proteus中不包含KJ004此元器件，故采

19、用其它方法仿真。用MATLAB中的Simulink，不涉及具體的元器件型號的選用，仿真簡單?，F(xiàn)用Simulink仿真單相交流調(diào)壓電路。交流電源、兩個晶閘管反向并聯(lián)、阻感性負(fù)載即構(gòu)成了主電路，再給兩個晶閘管分別提供觸發(fā)脈沖。為了觀察波形，在電源兩端、負(fù)載兩端加上電壓表，主電路中接入電流表，再將各表的輸出導(dǎo)入示波器，同時還要觀察兩個觸發(fā)脈沖的波形。仿真連線圖如下：圖15 MATLAB仿真連線圖仿真前，要設(shè)定好元器件的參數(shù)。將題目條件中交流調(diào)壓電路阻感負(fù)載的阻抗代入，交流電源的頻率設(shè)為50HZ，觸發(fā)脈沖的頻率要和電源一樣，故設(shè)其周期為0.02s，幅值設(shè)為12，脈沖寬度設(shè)為5，這里設(shè)觸發(fā)時間一個為0.005s，一個為0.015s，即觸發(fā)角為90°。其仿真波形如圖16所示。根據(jù)示波器輸入端口的順序，波形圖分別表示：電源電壓、負(fù)載電壓、負(fù)載電流、正相觸發(fā)脈沖、負(fù)相觸發(fā)脈沖。圖16 MATLAB仿真波形圖6. 個人小結(jié)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，對交流調(diào)壓和調(diào)功電路的了解更加深入，以前沒有細(xì)究的問題都逐一查資料解