单相交流调压电路课程设计

《电力电子技术》课程设计

设计题目: 单相交流调压电路

院(系): 能源工程学院 专业年级: 13级电气二班 姓 名: 徐刚刚 学 号: 1305230246 指导教师: 荆红莉

2015年12月 28日

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：能源工程学院 教研室：电气工程及其自动化 学 号 设计题目 实现功能 利用晶闸管构成交流调压电路，对电加热设备、白炽灯、卤钨灯、电风扇灯等进行平滑的调温、调光、调速。 设计任务 1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、通过计算选择器件的具体型号。4、触发电路设计kj004。5、绘制相关电路图。 要求 1、 文字在4000字左右。 2、 文中的理论分析与计算要正确。 3、 文中的图表工整、规范。 4、元器件的选择符合要求。 技术参数 1、交流电源：单相220V。2、输出电压在0～220V连续可调。3、输出电流最大值5A。4、负载为电阻负载或阻感负载。5、根据实际工作情况，最小控制角取20～30左右。 第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：主电路设01305230246 学生姓名 徐刚刚 专业班级 二班 单相交流调压电路 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 课程设计（论文）任务 工作计划计； 第5天：选择器件；第6天：触发电路设计；第7天：保护电路设计；第8天：电路调试或仿真；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日

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前 言

电力电子技术是研究采用电力电子器件实现对电能的交换和控制的科学，是20世纪50年代诞生，70年代迅速发展起来的一门多学科互相渗透的综合性技术学科。这些技术包括以节约能源、提高照明质量为目的的绿色照明技术；以节约能源、提高运行可靠性并更好地满足产要求为目的的交流变频调速技术，以提高电力系统运行的稳定性、可控制性为目的，并可有效节能的灵括（柔性）交流输电技术等等。随着电力半导体制造技求、徽电子技术、汁算机技术，以及控制理论的不断进步。电力电子技求向着大功率、高频化及智能化方向发展，应用的领域将更加广阔。

交流调压电路广泛应用于灯光控制，如调光台灯和舞台灯光控制及其异步电动机的软启动，也应用于异步电机调速。在电力系统中，这种电路也用于对无功功率的调节。

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目录

前 言 .............................................................................................................................................. 3 1 单相交流调压电路的设计 ......................................................................................................... 5

1.1 设计目的和要求分析 ..................................................................................................... 5 2 设计方案选择 ............................................................................................................................... 5 .......................................................................................................................................................... 5 3 单向调压电路单元电路的设计 ................................................................................................... 6

3.1 单相调压主电路 ............................................................................................................. 6 4 驱动电路的设计 ........................................................................................................................... 7

4. 1 晶闸管对触发电路的要求 ............................................................................................. 7 4. 2 触发电路 ......................................................................................................................... 7

4.2.1 KJ004可控硅移相电路 ...................................................................................... 7 4.2.2 KJ004可控硅移相电路工作原理 ...................................................................... 7 4.3触发电路 ............................................................................................................................ 9 5 保护电路的设计 ........................................................................................................................... 9

5. 1 过电压的产生与保护 ..................................................................................................... 9 5. 2 过电流的产生与保护 ................................................................................................... 10 6 相交流调压电路参数设定与计算 ............................................................................................. 11

6．1 电阻性负载 ................................................................................................................... 11 6.2电路分析与计算 .............................................................................................................. 12 7 主电路及触发电路各主要元器件的选择 ................................................................................. 14

7.1 主电路图及触发电路 ..................................................................................................... 14 7.2主要元器件的选择 .......................................................................................................... 14 8仿真图及其结果 .......................................................................................................................... 15

8.1 仿真电路图 ................................................................................................................... 15 8.2 仿真效果图 ................................................................................................................... 16 参考文献......................................................................................................................................... 21 单相交流调压电路总结及体会..................................................................................................... 22

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1 单相交流调压电路的设计

1.1 设计目的和要求分析

设计一个单相交流调压电路，要求触发角为60度。输入交流U2=210伏。要求分析：

1. 单相交流调压主电路设计，原理说明；

2．触发电路设计，每个开关器件触发次序与相位分析； 3．保护电路设计，过电流保护，过电压保护原理分析；

4．参数设定与计算(包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算，输出波形分析，器件额定参数确定等可自己添加分析的参数)；

5. 相关仿真结果。

由以上要求可知该系统设计可分为四个部分：交流调压主电路设计、触发电路设计、保护电路设计及相关计算和波形分析部分。

2 设计方案选择

本系统主要设计思想是：采用两个晶闸管反向并联加负载为主电路，外加触发电路；触发电路控制晶闸管的导通，从而控制输出。其系统框图如下所示：

触发 电路 图1.1 系统整体框图

交流 输入 主 电 路 电阻 负载 输出

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3 单向调压电路单元电路的设计

3.1 单相调压主电路

如果在交流电源和负载之间之间用两个晶间管反并联后串联到交流电路中，

通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶间管开通相位的控制，以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。这种电路还用干对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联，这都是十分不经济的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。但这种交流调压电路控制方便，体积小、投资省计制造简单。因此广泛应用于需调温的工频加热、灯光调节及风机、泵类负载的异步电机调速等场合。图3．1所示的就是一种采用晶闸管为主开关元件的单相交流调压电路图，这种交流调压电路的主电路仅由一对反并联的晶闸管或一只双向晶闸管构成。

图 3.1 单相交流调压电路图

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4 驱动电路的设计

4. 1 晶闸管对触发电路的要求

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要要的时刻有阻断转为导通。

4. 2 触发电路

4.2.1 KJ004可控硅移相电路

可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。

4.2.2 KJ004可控硅移相电路工作原理

电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。R7和C2形成微分电路,改变R7和 C2的值,可获得不同的脉宽输出。其封装形式如图所示：

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图4.1 KJ004封装形式

各引脚功能如下表所示：

表4.1 引脚功能

功 能 输出 空 锯齿波形成 -Vee(1kΩ) 空 地 同步输入 综合比较 空 微分阻容 封锁调制 输出 +Vcc 引线脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

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4.3触发电路

+15VR110KVp6.8KT1-15V+24VD12CZ82CR7VT12CZ82CR910kR851030k+15VC20.047uR215KR310KVy2.2K接VT1161514131211107T2+24VD22CZ82CKJ0041234568R415kT3接VT23DK4VT2R10510R1110KC1~30V0.047uR630kR51kPR16.8k-15V9~220V R?POT2图4.2 触发电路

5 保护电路的设计

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护也是必要的。

5. 1 过电压的产生与保护

过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储

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存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。

为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图5.1所示。

图5.1 RC阻容过电压保护电路图

5. 2 过电流的产生与保护

当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。

图5.2 过电流保护电路图

过电流保护电路如图5.2所示，其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶

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闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同—个电流．因而被广泛使用。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

6 相交流调压电路参数设定与计算

6．1 电阻性负载

相交流调压变流器参数设定：要求触发角为60，输入流U2=220V，输出负载电阻200Ω。

图6.1为电阻负载单相交流调压电路及其波形。

图6.1 电阻负载单相交流调压电路

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图6.2为60度时相应的波形图

6.2电路分析与计算

在单相交流调压电路原理图中，晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。在交流电源U2的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角 进行控制就可以调节输出电压。正负半周 起始时刻（ ɑ=0）均为电压过零时刻。在稳态情况下应是正负半周的相等，可以看出，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流和负载电压的波形相同。

输出平均电压、电流及输出有功功率的计算

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根据公式计算得出如下结果：

u0?1?2(2Usin?t)d(?t)?197.34V (1) 2∫????i0?u0=0.987A (2) RIVT=

12?2U2sinwt2()d(wt)?0.698A (3) ∫?R???λ=

PU0I0=0.897 (4) =SU2I0从图及以上各式可以看出，?的移相范围为0????，?=0时，相当于晶闸管一直通，输出电压为最大值，uo=u1。随着的增大，uo慢慢减少，直到?=时uo=0。

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7 主电路及触发电路各主要元器件的选择

7.1 主电路图及触发电路

图7.1 主电路及触发电路

7.2主要元器件的选择 通过计算可知，晶闸管的电压峰值U

考虑

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倍余量，UTM

取

=2Uo=2?197.34故UTM=279.12V，

TM

600V。晶闸管额定电流

IT(AV)?IVT/1.57A=0.698/1.57A=0.765A，考虑2倍余量，IT(AV)取2A；所有晶闸管选取2A，600V的型号，KP2-6。

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8仿真图及其结果

8.1 仿真电路图

SIMULINK是Mathworks公司开发的MATLAB仿真工具之一,其主要功能是实现动态系统建模﹑仿真与分析. SIMULINK支持线性系统仿真和非线性系统仿真;可以进行连续系统仿真,也可以进行离散系统仿真,或者两者混合的系统仿真;同时也支持具有多种采样速率的采样系统仿真.利用SIMULINK对系统进行仿真与分析,可以对系统进行适当的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及确定控制系统的参数,以提高系统的性能,减少设计系统过程中反复修改时间,从而实现高效率地开发实际系统的目标。SIMULINK框图提供了交互性很强的非线性仿真环境,可以通过下拉菜单执行仿真,或使用命令进行批处理.仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口显示.

利用matlab软件进行一系列仿真，其原理图如下：

图8.1 电路仿真原理图

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表8.1 仿真元器件表

符号 AC Voltage Source Thyristor1 Thyristor2 VT1 VT2 scope 电压表A 电压表B 电流表 R

名称或功能 交流输入100V 晶闸管1 晶闸管2 正向触发脉冲 反向触发脉冲 示波器五路输出 便于仿真附件 便于仿真附件 便于仿真附件 负载 8.2 仿真效果图

输入为100V交流，分别仿真触发30°，40°，45°，60°，90°，120°，150°，160°，180°等仿真图。分别仿真其输入100V，VT1，VT2触发脉冲，输出电压，电流等。

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图8.2 触发角30°时

图8.3 触发角40°时

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图8.4 触发角45°时

图8.5 触发角60°时

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图8.6 触发角90°时

图8.7 触发角120°时

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图8.8 触发角160°时

图8.9 触发角180°时

此时输出电压，电流已很小，其幅度已接近于0。20

参考文献

[1] 王兆安 刘进军 电力电子技术 . 北京：机械工业出版社 2009 [2] 王中鲜 MATLAB仿真与应用 北京：机械工业出版社 2014 [3] 黄俊, 王兆安[4] 黄俊 [5] 周克宁 [6] 林辉

电子电流变电技术 电力电子技术 北京：机械工业出版社 2001 北京：机械工业出版社 2000. 北京：机械工业出版社 2004 武汉：武汉理工大学出版社21

电力电子技术电力电子技术 2001

单相交流调压电路总结及体会

通过本次电力电子技术课程设计，我加深了对本课程知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、完成一个基本汇编程序的设计。在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了单相交流调压电路的原理以及触发电路的设计。当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，让我对以后的工作学习有了更大的信心。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2czo.html