單相交流調(diào)壓電路(220V-1000W)19

6/6單相交流調(diào)壓電路(220V-1000W)19遼寧工業(yè)大學(xué)

電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)（論文）題目：?jiǎn)蜗嘟涣髡{(diào)壓電路（220V/1000W）

院（系）：

專(zhuān)業(yè)班級(jí)：

學(xué)號(hào)

學(xué)生姓名：

指導(dǎo)教師：（簽字）

起止時(shí)間：

遼寧工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）

課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告的內(nèi)容及其文本格式

1、課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告要求用A4紙排版，單面打印，并裝訂成冊(cè)，內(nèi)容包括：

①封面（包括題目、院系、專(zhuān)業(yè)班級(jí)、學(xué)生學(xué)號(hào)、學(xué)生姓名、指導(dǎo)教師姓名、、起止時(shí)間等）

②設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)及評(píng)語(yǔ)

③中文

課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)

院（系）：電子與信息工程學(xué)院教研室：電子信息工程Array

注：成績(jī)：平時(shí)20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計(jì)算

目錄

第1章緒論(1)

1.1電力電子技術(shù)概況(1)

1.2本文研究?jī)?nèi)容(2)

第2章單相交流調(diào)壓電路設(shè)計(jì)(3)

2.1單相交流調(diào)壓總體設(shè)計(jì)方案(3)

2.2具體電路設(shè)計(jì)(4)

2.2.1主電路設(shè)計(jì)(4)

2.2.2控制設(shè)計(jì)(5)

2.2.3保護(hù)電路設(shè)計(jì)(6)

2.3元器件型號(hào)選擇(9)

2.4數(shù)據(jù)分析(10)

第3章單相交流調(diào)壓電路設(shè)計(jì)總結(jié)(12)

第1章緒論

1.1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，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。

1.2本文研究?jī)?nèi)容

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，把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過(guò)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，稱為交流電力控制電路，在每半個(gè)周波內(nèi)通過(guò)對(duì)晶閘管開(kāi)通相位的控制，可方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。

本文研究的交流調(diào)壓電路主要應(yīng)用在電熱控制、交流電動(dòng)機(jī)速度控制、交流穩(wěn)壓器等場(chǎng)合，主要有燈光調(diào)節(jié)（如調(diào)光臺(tái)燈、舞臺(tái)燈光控制等），溫度調(diào)節(jié)（如工頻加熱、感應(yīng)加熱、需控制的家用電器等），泵及風(fēng)機(jī)等異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，交流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速（如紡織、造紙、冶金等領(lǐng)域的調(diào)壓調(diào)速），隨電動(dòng)機(jī)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)節(jié)（對(duì)于起動(dòng)機(jī)等有較長(zhǎng)時(shí)間空載或輕載的負(fù)荷，自動(dòng)調(diào)節(jié)可節(jié)省電能），變壓器初級(jí)調(diào)節(jié)（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(diào)壓電路在變壓器初級(jí)調(diào)壓，其電壓電流值都比較合理，在變壓器次級(jí)只要用二極管整流即可，從而達(dá)到減少體積、降低成本的目的）。

第2章單相交流調(diào)壓電路設(shè)計(jì)

2.1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

保護(hù)電路

圖2.1單相交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)圖

2.2具體電路設(shè)計(jì)

2.2.1主電路設(shè)計(jì)

U2U0

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α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(α=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α相等。α的移相范圍應(yīng)為

0<α<π。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(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α有關(guān),還與負(fù)載的阻抗角ф=arctan(wL/R)有關(guān)。當(dāng)ф<α<π時(shí),兩個(gè)晶閘管VT1和VT2得導(dǎo)通角α均小于π,且ɑ越小,θ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)ɑ=ф時(shí),θ=π

,電流波形為正弦波。當(dāng)0≤ɑ<ф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=π+α?xí)r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π。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θ-ф，因此所采用的觸發(fā)電路必須輸出寬脈沖或脈沖列。

2.2.2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3—5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。

2.2.3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。可將關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路結(jié)合在一起，稱其為復(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，則稱其為饋能式緩沖電路，或稱為無(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2.6di/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

2.3系統(tǒng)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（α=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=100Ω。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=√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2~3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1.5~2倍

額定電壓：

Ue=(2~3)×311.08=800V額定電流：

0Uu==00U

I