單相交流調(diào)壓電路

1、中北大學電力電子課程設計說明書中北大學課 程 設 計 說 明 書學生姓名： 劉洋 學 號：1503042130 學 院： 自動控制系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 題 目： 單相交流調(diào)壓電路設計 指導教師： 李郁峰 職稱: 講師 2016年1月6號 中北大學電力電子課程設計任務書 15/16 學年第 一 學期學 院：自動控制系專 業(yè)：電氣工程及其自動化學 生 姓 名：劉洋學 號：1503042130課程設計題目：單相交流調(diào)壓電路設計起 迄 日 期:12月28日 - 1月8日課程設計地點:計算機實驗室指 導 教 師:李郁峰系主任：王忠慶 下達任務書日期: 2015年12月28 日課 程 設 計

2、任 務 書1設計目的：（1） 能夠根據(jù)功能要求查找相關的元器件的說明書。（2） 能夠?qū)υ骷恼f明書進行學習并掌握元器件的控制方法和要求。（3） 能夠利用Matlab軟件編寫控制程序并應用Multisim、Proteus仿真軟件對電路進行仿真調(diào)試。（4）能夠按著規(guī)范的課程設計的格式完成課程設計報告。進一步加深對變流電路基本原理的理解，提高運用基本技能的能力.2設計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術參數(shù)、條件、設計要求等）：設計內(nèi)容：設計一個單相交流調(diào)壓電路交-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

3、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開關。要求:1 進行設計方案的比較，并選定設計方案。 2 完成單元電路的設計和主要元器件的說明。 3 完成主電路的原理分析，各主要元器件的選擇。 4 驅(qū)動電路的設計。 5 電路的仿真。主電路仿真采用Matlab進行，利用Simulink中模塊進行建模。主控制電路仿真采用Multisim進行，利用Multisim中自帶模型所建原理圖。3設計工作任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：1. 根據(jù)具體設計課題的技術指標和給定條件，獨立進行方案論證和電路設計，要求概念清楚、

4、方案合理、方法正確、步驟完整； 2. 查閱有關參考資料和手冊，并能正確選擇有關元器件和參數(shù)，對設計方案進行仿真；3.完成設計說明書，說明書中要有設計方案，設計電路圖，還要有仿真結果；課 程 設 計 任 務 書4主要參考文獻：1李維波，MATLAB在電氣工程中的應用，中國電力出版社，2007 2王兆安，劉進軍，電力電子技術，機械工業(yè)出版社，2009.5 3李傳奇，電力電子技術計算機仿真實驗（M），機械工業(yè)出版社20065設計成果形式及要求：1設計任務書 2設計方案 3主電路圖 4驅(qū)動電路和保護電路圖 5電路參數(shù)計算及元器件選擇清單 6主電路和驅(qū)動電路工作原理分析 7主要節(jié)點電壓和電流波形 8參考

5、文獻 。6工作計劃及進度：2015 12月28日12月30日 查找資料，確定方案1月1日 1月3日 設計硬件電路，繪制電路原理圖1月4日 1月6日 軟件設計，并調(diào)試通過1月7日1月8日 編寫課程設計報告，答辯或成績考核系主任審查意見： 簽字： 年 月 日目錄1單相交流調(diào)壓電路的設計12 設計方案選擇13 設計原理24設計內(nèi)容原理圖3 4.1 主電路的設計3 4.2 控制電路的設計5 4.2.1觸發(fā)信號的種類5 4.2.2 觸發(fā)電路的設計55保護電路的設計8 5.1過電壓保護 8 5.2過電流保護96 總電路圖107 單相交流調(diào)壓電路仿真結果及結果分析11 7.1 仿真結果11 7.2 結果分析

6、148 設計體會16參考文獻17第 頁 共 頁1單相交流調(diào)壓電路的設計 設計目的和要求分析 設計一個單相交流調(diào)壓電路，要求觸發(fā)角為60度。輸入交流U2=210伏。要求分析： 1. 單相交流調(diào)壓主電路設計，原理說明； 2觸發(fā)電路設計，每個開關器件觸發(fā)次序與相位分析； 3保護電路設計，過電流保護，過電壓保護原理分析； 4參數(shù)設定與計算(包括觸發(fā)角的選擇，輸出平均電壓，輸出平均電流，輸出有功功率計算，輸出波形分析，器件額定參數(shù)確定等可自己添加分析的參數(shù))；5. 相關仿真結果。 由以上要求可知該系統(tǒng)設計可分為四個部分：交流調(diào)壓主電路設計、觸發(fā)電路設計、保護電路設計及相關計算和波形分析部分。 2 設計方

7、案選擇 本系統(tǒng)主要設計思想是：采用兩個晶閘管反向并聯(lián)加負載為主電路，外加觸發(fā)電路；觸發(fā)電路控制晶閘管的導通，從而控制輸出。其系統(tǒng)框圖如下所示：主 電 路電阻負載輸出交流輸入觸發(fā)電路圖2.1 系統(tǒng)整體框圖 第 1 頁 共 17 頁3 設計原理 本實驗采用了鋸齒波移相觸發(fā)器。該觸發(fā)器適用于雙相晶閘管或兩只反并聯(lián)晶閘管電路的交流相位控制，具有控制方式簡單的優(yōu)點。 圖為電阻負載單相交流調(diào)壓電路圖以其波形。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的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的觸發(fā)延遲角進行控制就可以調(diào)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

8、下，應使正負半周的相等?？梢钥闯?，負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（也即電源電流）和負載電壓的波形相同，因此通過觸發(fā)延遲角的變化就可以實現(xiàn)輸出電壓的控制。 上述電路在觸發(fā)延遲角時，負載電壓有效值U0、負載電流有效值I0、晶閘管電流有效值IVT和電路的功率因數(shù)分別為4設計內(nèi)容原理圖4.1 主電路的設計 所謂交流調(diào)壓就是將兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，在每半個周波內(nèi)通過控制晶閘管開通相位，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制及異步電動機的軟啟動，也用于異步電動機調(diào)速。此外，在高電壓小電流或低電壓流之流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。本次課程

9、設計主要是研究單相交流調(diào)壓電路的設計。由于交流調(diào)壓電路的工作情況與負載的性質(zhì)有很大的關系，因此下面就反電勢電阻負載予以重點討論。圖1、圖2分別為反電勢電阻負載單相交流調(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U2的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的移相控制角進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓 正、負半周起始時刻=0，均為電壓過零時刻。在時，對VT1 施加觸發(fā)脈沖，當VT1正向偏置而導通時，負載電壓波形與電源電壓波形相同；在時，電源電壓過零，因電阻性負載，電流也為零，VT1自然關斷。在時，對VT2施加觸發(fā)脈沖，當VT2正向偏置而導通時，負載電壓波形與電源電壓

10、波形相同；在時，電源電壓過零，VT2自然關斷。 當電源電壓反向過零時，由于反電動勢負載阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時晶閘管導通角的大小，不但與控制角有關，而且與負載阻抗角有關。兩只晶閘管門極的起始控制點分別定在電源電壓每個半周的起始點。穩(wěn)態(tài)時，正負半周的相等，負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（電源電流）和負載電壓的波形相似。 4.2 控制電路的設計 4.2.1觸發(fā)信號的種類 晶閘管由關斷到開通，必須具備兩個外部條件：第一是承受足夠的正向電壓；第二是門極與陰極之間加一適當正向電壓、電流信號(觸發(fā)信號)。門極觸發(fā)信號有直流信號、交流信號和脈沖信號三種基本形式。 1 .直流信號：

11、 在晶閘管加適當?shù)年枠O正向電壓的情況下，在晶閘管門極與陰極間加適當?shù)闹绷麟妷海瑒t晶閘管將被觸發(fā)導通。這種觸發(fā)方式在實際中應用極少。因為晶閘管在其導通后就不需要門極信號繼續(xù)存在。若采用直流觸發(fā)信號將使晶閘管門極損耗增加，有可能超過門極功耗；在晶閘管反向電壓時，門極直流電壓將使反向漏電流增加，也有可能造成晶閘管的損壞。 2 .交流信號： 在晶閘管門極與陰極間加入交流電壓，當交流電壓uc=ut時，晶閘管導通。ut是保證晶閘管可靠觸發(fā)所需的最小門極電壓值，改變u。值，可改變觸發(fā)延遲角。這種觸發(fā)形式也存在許多缺點，如：在溫度變化和交流電壓幅值波動時，觸發(fā)延遲角不穩(wěn)定，可通過交流電壓u。值來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的變

12、化范圍較小(00900)。 3. 脈沖信號： 在晶閘管門極觸發(fā)電路中使用脈沖信號，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時刻，降低晶閘管門極功耗，還可以通過變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實現(xiàn)信號的隔離輸出。因此，觸發(fā)信號多采用脈沖形式。4.2.2 觸發(fā)電路的設計 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(zhuǎn)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觸發(fā)；2）觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合

13、，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(nèi)；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。 KC05觸發(fā)芯片具有鋸齒波形好，移相范圍寬，控制方式簡單，易于集中控制，有失交保護，輸出電流大等優(yōu)點，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橋式線路的相位控制。同步電壓由KC05的15、16腳輸入，在TP1點可以觀測到鋸齒波，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)

14、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單相交流調(diào)壓觸發(fā)電路原理圖如圖4所示：集成塊的電參數(shù) 電源電壓：外接直流電壓+15V，允許波動5(10功能正常)。 電源電流：l2mA。 同步電壓：l0V。 同步輸入端允許最大同步電流：3mA(有效值)。 移相范圍：l70(同步電壓30V，同步輸入電阻10k)。 移相輸入端偏置電流l0A。 鋸齒波幅度：78.5V。 輸出脈沖：a.脈沖寬度：l00s2 ms(通過改變脈寬阻容元件達到)。 b脈沖幅度：13V。 c最大輸出能力：200mA(吸收脈沖電流)。 d輸出反壓：BVceol8V(測試條件：Ie=100A）允

15、許使用環(huán)境溫度：-l070。5保護電路的設計 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)動電路設計良好外，采用合適的過電壓、過電流、du/dt保護和di/dt 保護也是必要的。 5.1過電壓保護 內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關過程，包括： 1）換相過電壓：由于晶閘管或者全控器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷能力，因而有較大的反向電流流過，使殘存的載流子恢復，當其恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極之間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過電壓。 2）關斷過電壓：全控型器件在較高的頻率下工作，當器件關斷時，因正向

16、電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。 過壓保護要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，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器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，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壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護電路如圖5所示。5.2過電流保護 當電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。當器件擊穿或短

17、路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、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，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進行適當?shù)倪^流保護。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種的過流保護措施。 如圖所示，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作用較差。直流側(cè)接快速熔斷器只對負載短路起保護作用，對元件無保護作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對元件的保護作用最好，因為它們流過同個電流因而被廣泛使用。

18、電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。6 總電路圖7 單相交流調(diào)壓電路仿真結果及結果分析 7.1 仿真結果7.2 結果分析 上面圖5-圖10給出了a分別為0度、 30度， 60度，90度、150度和180 度時單相交流調(diào)壓電路的純電阻負載的電壓和電流的仿真波形。 當晶閘管觸發(fā)控制角a=0時，U=U2 ，負載兩端的電壓U和流過其電流LRI的波形均為正弦波。當a0時，U、LRI的波形為非正弦波，控制角a從0180度范圍改變時，輸出電壓有效值U從U2下降到0，控制角a對輸出電壓U的移相可控區(qū)域是0-18

19、0度。把a角等于0度、 30度， 60度，90度、150度和180度分別代入下式 觀察圖5-圖10的仿真波形，可得到隨著a角增大，負載兩端電壓U的波形的曲線部分的寬度越來越窄，則其有效值將不斷減小。 5、 由此可知，理論分析與仿真結果是一致的。在Sim庫環(huán)境下利用電力系統(tǒng)模塊庫中的電力電子器件組建單相交流調(diào)壓純電阻電路，并對電路進行相應的理論分析和仿真實驗。仿真實驗結果表明，通過控制a角的大小，單相交流調(diào)壓電路能夠得到很好的調(diào)壓結果。8 設計體會 這次電力電子技術課程設計，讓我們有機會將課堂上所學的理論知識運用到實際中。并通過對知識的綜合利用，進行必要的分析，比較。從而進一步驗證了所學的理論知識。同時，這次課程設計也為