單相交流調(diào)壓電路VW

1、 課題完成的設(shè)計(jì)任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能：利用晶閘管構(gòu)成交流調(diào)壓電路，對(duì)電加熱設(shè)備、白熾燈、鹵鎢燈、電風(fēng)扇燈等進(jìn)行平滑的調(diào)溫、調(diào)光、調(diào)速。1、交流電源：?jiǎn)蜗?20V。2、輸出電壓在0220V連續(xù)可調(diào)。3、輸出電流最大值5A。4、負(fù)載為電阻負(fù)載或阻感負(fù)載。5、根據(jù)實(shí)際工作情況，最小控制角取20300左右設(shè)計(jì)任務(wù)：1、方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、主電路設(shè)計(jì)。3、通過(guò)計(jì)算選擇器件的具體型號(hào)。4、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。5、繪制相關(guān)電路圖。6、完成4000字左右說(shuō)明書(shū)。要求：1、 1、文字在4000字左右。2、 2、文中的理論分析與計(jì)算要正確。3、 3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。第1

2、天：集中學(xué)習(xí)；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：主電路設(shè)計(jì)；第5天：選擇器件；第6天：觸發(fā)電路設(shè)計(jì)；第7天：保護(hù)電路設(shè)計(jì)；第8天：電路調(diào)試或仿真；第9天：總結(jié)并撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)；第10天：答辯摘 要電力電子技術(shù)是以電能變換為控制對(duì)象的電子技術(shù)，是弱電玉強(qiáng)電的橋梁，它的主要任務(wù)是對(duì)電能進(jìn)行控制和變換，由于電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，電力電子技術(shù)變得越來(lái)越重要。本設(shè)計(jì)所做的是單相交流調(diào)壓電路，此設(shè)計(jì)主要由主電路、觸發(fā)電路（控制電路），及保護(hù)電路組成，介紹開(kāi)發(fā)交流調(diào)壓電路的背景及其技術(shù)概況, 敘述了交流調(diào)壓電路的基本原理, 并敘述其電路裝置的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)結(jié)果, 最后表明該實(shí)驗(yàn)裝置

3、性能可靠, 符合項(xiàng)目要求。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；交流調(diào)壓；目 錄第1章 緒論11.1 電力電子技術(shù)概況11.2 本文研究?jī)?nèi)容2第2章 單相交流調(diào)壓電路設(shè)計(jì)32.1 單相交流調(diào)壓總體設(shè)計(jì)方案32.2 具體電路設(shè)計(jì)4 主電路設(shè)計(jì)4 控制設(shè)計(jì)5 保護(hù)電路設(shè)計(jì)62.3 元器件型號(hào)選擇72.4 數(shù)據(jù)分析8第3章 單相交流調(diào)壓電路設(shè)計(jì)總結(jié)9參考文獻(xiàn)10緒論電力電子技術(shù)概況 電力電子線路的基本形式之一，即交流交流變換電路，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)行交流交流換流時(shí)，可以改變交流電的電壓、電流、頻率或相位等。其中，只改變電壓、電流，而不改變交流頻率的電路成為交流交流電力控制電路

4、，包括交流調(diào)壓電路，交流調(diào)功電路，交流電力電子開(kāi)關(guān)等；在改變電壓電流的同時(shí)，不需要改變其頻率的交流交流變頻電路成為交交變頻電路，即直接把一種頻率的交流變頻變換成另一種頻率或可變的交流。因此，也稱(chēng)為直接變頻電路。另外，還有一種交直交交變頻電路。先將交流整流成直流，再將直流經(jīng)無(wú)緣逆變電路變換成頻率可變的交流電能，這種帶有中間直流環(huán)節(jié)的變頻電路也稱(chēng)為間接變頻電路。 用晶閘管組成的交流調(diào)壓控制電路，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓有效值，可用于電爐控溫、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)載常用的這種方法。采用這種方法，可使變壓器二次側(cè)的整流裝

5、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，它的體積和重量都小的多，交流調(diào)壓器的輸出仍是交流電壓，他不是正弦波，其諧波分量較大，功率因數(shù)也較低。本文研究?jī)?nèi)容 單相交流調(diào)壓電路總體設(shè)計(jì)方案 此單相交流調(diào)壓電路由主電路、觸發(fā)電路及保護(hù)電路組成，觸發(fā)電路由集成觸發(fā)器組成，用來(lái)觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn)主電路的正常工作，其中的保護(hù)電路主要是對(duì)晶閘管的過(guò)流及過(guò)壓保護(hù)。晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，交流電源電壓為220V。 觸發(fā)電路 交流電壓主電路 輸出電流 保護(hù)電路 圖2.1 單相

6、交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)圖 具體電路設(shè)計(jì)主電路設(shè)計(jì)U0U2 圖2.2 單相交流電路主電路 圖1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(kāi)通相位的控制, 可以方便地調(diào)節(jié)輸出交流電壓的有效值, 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)通角只與控制角有關(guān), 分別對(duì)兩個(gè)晶閘管的開(kāi)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(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。的移相范圍應(yīng)為0<<。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

7、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(guò)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)通角不但與控制角有關(guān), 還與負(fù)載的阻抗角= arctan(wL/R)有關(guān)。當(dāng)<<時(shí),兩個(gè)晶閘管VT1和VT2得導(dǎo)通角均小于,且越小,越大。此時(shí)可以進(jìn)行正常交流調(diào)壓, 輸出電流既不連續(xù)也非正弦。當(dāng)=時(shí),=, 電流波形為正弦波。當(dāng)0<時(shí), 假設(shè)某一時(shí)刻觸發(fā)VT1, 則VT1的導(dǎo)通時(shí)間將超過(guò)。到wt=+時(shí)刻觸發(fā)VT2時(shí), 由于電感的作用, 負(fù)載電流尚未過(guò)零, VT1仍在導(dǎo)通, VT2不會(huì)立即開(kāi)通。直到負(fù)載電流過(guò)零后, 如

8、果VT2的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度而尚未消失, VT2開(kāi)通, 但其導(dǎo)通時(shí)間將小于。但如果觸發(fā)脈沖寬度不夠，負(fù)載電流過(guò)零時(shí)觸發(fā)脈沖已經(jīng)消失VT2將無(wú)法開(kāi)通，造成每個(gè)周期VT1導(dǎo)通一次而VT2始終無(wú)法導(dǎo)通，負(fù)載電流中有半周。這會(huì)產(chǎn)生很大的直流分量而危及負(fù)載，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)也帶來(lái)不利影響，為保證單項(xiàng)交流調(diào)壓電路在阻感負(fù)載時(shí)能正常工作，其觸發(fā)脈沖的寬度必須大于-，因此所采用的觸發(fā)電路必須輸出寬脈沖或脈沖列。控制設(shè)計(jì) 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，廣義上講，晶閘管觸發(fā)電路往往還會(huì)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(zhuān)指脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)，晶閘

9、管觸發(fā)電路應(yīng)滿足以下環(huán)節(jié)：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）脈沖觸發(fā)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)電路的35倍，脈沖前沿的陡度也會(huì)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(mén)極的電壓、電流、和額定功率，且在門(mén)極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)； 4）應(yīng)有抗干擾性能、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)。驅(qū)動(dòng)電路圖如下圖所示： 圖2.3 觸發(fā)電路圖 KC05觸發(fā)芯片具有鋸齒波線性好，移相范圍寬，控制方式簡(jiǎn)單，易于集中控制，有失交保

10、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。保護(hù)電路設(shè)計(jì) 在電路中由于過(guò)電壓、過(guò)電流或者其他原因會(huì)引起整個(gè)電路或者其內(nèi)電器元件的沖擊與破壞，造成危險(xiǎn)，因此要加一定的保護(hù)措施，保護(hù)電路成了在設(shè)計(jì)電路時(shí)不可或缺的一部分。在電力電子中常出現(xiàn)的保護(hù)電路有過(guò)電壓保護(hù)電路，過(guò)電流保護(hù)電路，du/dt及

11、di/dt保護(hù)電路。1、 過(guò)電壓保護(hù)： 這里所說(shuō)的過(guò)電壓保護(hù)，是對(duì)晶閘管的保護(hù)。（1） 過(guò)電壓的產(chǎn)生 電力電子裝置中可能發(fā)生地過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類(lèi)。外因過(guò)電壓主要包括操作過(guò)電壓與雷擊過(guò)電壓；內(nèi)因過(guò)電壓內(nèi)因過(guò)電壓主要包括換相過(guò)電壓與關(guān)斷過(guò)電壓。1） 操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起的過(guò)電壓，快速直流開(kāi)關(guān)的切斷等經(jīng)常性操作中的電磁過(guò)程引起的過(guò)壓。  2）雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起的過(guò)電壓。 3）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

12、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。 4）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(kāi)通保護(hù)電路，使過(guò)壓通過(guò)保護(hù)電路形成通路，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(kāi)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

13、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 （2）過(guò)電壓抑制措施在抑制過(guò)電壓的措施中，采用RC過(guò)電壓抑制電路是最為常見(jiàn)的。其典型連接方式如下圖： 圖2.4 過(guò)電壓保護(hù)電路 2、 過(guò)電流保護(hù) 當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(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)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)。在電力電子電路中常采用的過(guò)電流保護(hù)措施有快速熔斷器、直流快速熔斷器和過(guò)電流繼電器三種。其中快速熔斷器是電力電力電

14、路中最為有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施，其原理圖如圖2.5所示： 圖2.5 過(guò)電流保護(hù)3、 緩沖電路 緩沖電路又稱(chēng)吸收電路。其作用是抑制電力電子期間的內(nèi)因過(guò)電壓、du/dt或者過(guò)電流di/dt,減少器件愛(ài)你的開(kāi)關(guān)損耗。緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路又稱(chēng)為du/dt抑制電路，用于吸收其器件的關(guān)斷過(guò)電壓和換相過(guò)電壓，抑制du/dt,減少器件的開(kāi)通損耗?？蓪㈥P(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路結(jié)合在一起，稱(chēng)其為復(fù)合緩沖電路，還可以用列外的分類(lèi)方法：緩沖電路中儲(chǔ)能元件的能量如果消耗在其吸收電阻上，則稱(chēng)其為耗能式緩沖電路；如果緩沖電路能將其儲(chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)載或者電源，則稱(chēng)其為饋能

15、式緩沖電路，或稱(chēng)為無(wú)損耗吸收電路。如無(wú)特殊要求或說(shuō)明，通常緩沖電路專(zhuān)指關(guān)斷緩沖電路，而將開(kāi)通緩沖電路叫做di/dt抑制電路，電路圖如下： 圖2.6 di/dt抑制電路 通過(guò)以上分析可知在此要求的交流調(diào)壓電路中，只需要對(duì)晶閘管進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)及過(guò)電流保護(hù)即可，此設(shè)計(jì)電路中，過(guò)電壓保護(hù)采用就是RC過(guò)電壓抑制電路，過(guò)電流保護(hù)采用的是快速熔斷器。2.3元器件型號(hào)選擇編號(hào)元器件名稱(chēng)符號(hào)數(shù)量備注1電阻R102電容C53電感L34二極管D75晶閘管VT56變壓器T27電源（含15V供電電源)源）Vcc38可調(diào)電阻Rp29觸發(fā)芯片CK05110開(kāi)關(guān)管Kg211高頻功率管G212開(kāi)關(guān)K213導(dǎo)線若干14地線1系統(tǒng)

16、調(diào)試或仿真、數(shù)據(jù)分析 單相交流數(shù)據(jù)分析：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，控制角為取30度，交流電源為220V，L,R足夠大，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的開(kāi)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(shí)刻（=0）均為過(guò)零時(shí)刻，在穩(wěn)態(tài)情況下應(yīng)是正負(fù)半周的相等，可以看出，負(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。首先設(shè)定R=100。則： =201.87V =2.02A =1.43A=0.961流過(guò)晶閘管的電流為： IVT(AV)=IVT/1.57=0.91A加到晶閘管兩端的最大電壓為： UVT =

17、2×220V=311.08v根據(jù)晶閘管選擇原理，額定電壓值是實(shí)際工作最大電壓的23倍，晶閘管額定電流時(shí)正常工作時(shí)流過(guò)晶閘管通態(tài)平均電流的1.52倍額定電壓： Ue=(23)×311.08=800V額定電流： Ie=(1.52)× 0.91=1.5A 此次電路的難點(diǎn)在于觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。選用了集成觸發(fā)電路KJ004，但是要應(yīng)用它還需要加上很多外圍電路，最后通過(guò)查閱各種資料完成了設(shè)計(jì)。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。目前市場(chǎng)上的單相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)裝置, 采用的是普通脈沖觸發(fā)電路, 在實(shí)驗(yàn)操作中可以觀察到電阻負(fù)載時(shí)單相交流調(diào)壓的正常工作過(guò)程, 也可以觀察到電阻電感負(fù)載時(shí)正常工作過(guò)程及在電阻電感負(fù)載<時(shí)出現(xiàn)較大直流分量的現(xiàn)象, 但無(wú)法觀測(cè)到在電阻電感負(fù)載<時(shí)也可以工作, 不出現(xiàn)直流分量的過(guò)程。交流調(diào)壓出現(xiàn)較大直流分量在實(shí)際的使用場(chǎng)合是不允許的, 因?yàn)榭赡軙?huì)損壞設(shè)備并對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。我們?cè)O(shè)計(jì)的這套單相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)裝置, 既可以觀察到在普通脈沖觸發(fā)下, 單相交流調(diào)壓電阻負(fù)載及電阻電感負(fù)載時(shí)正常工作過(guò)程, 也可以觀察電阻電感負(fù)載<時(shí)出現(xiàn)較大直流分量的現(xiàn)象, 同時(shí)還可以觀察到在脈沖列觸發(fā)下單相交流調(diào)壓的工作