单相交流调压电路(VW)x
时间：2020-09-24 12:33:20 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
辽宁工业大学
电力电子技术课程设计（论文）
题目：单相交流调压电路（220V/1000W）
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课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电子与信息工程学院 教研室： 电子信息工程
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指导教师评语及成绩
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注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20%以百分制计算
电力电子技术是以电能变换为控制对象的电子技术，是弱电玉强电的桥梁， 它的主要任务是对电能进行控制和变换，由于电力电子技术迅速发展，应用领域 在不断扩大，电力电子技术变得越来越重要。
本设计所做的是单相交流调压电路，此设计主要由主电路、触发电路（控制 电路），及保护电路组成，介绍开发交流调压电路的背景及其技术概况 ，叙述了交 流调压电路的基本原理，并叙述其电路装置的设计思路和设计结果 ，最后表明该 实验装置性能可靠，符合项目要求。
关键词：电力电子技术；交流调压；
目录
TOC \o "1-5" \h \z \o "Current Document" 第1章绪论 1
\o "Current Document" 1.1电力电子技术概况 1
\o "Current Document" 1.2本文研究内容 2
\o "Current Document" 第2章单相交流调压电路设计 3
\o "Current Document" 2.1单相交流调压总体设计方案 3
\o "Current Document" 2.2具体电路设计 4
\o "Current Document" 2.2.1主电路设计 4
\o "Current Document" 2.2.2控制设计 5
\o "Current Document" 2.2.3保护电路设计 6
\o "Current Document" 2.3元器件型号选择 9
2.4数据分析 10
第3章 单相交流调压电路设计总结 12
\o "Current Document" 参考文献 13
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第1章绪论
1.1电力电子技术概况
电力电子线路的基本形式之一，即交流——交流变换电路，它是将一种形式 的交流电能变换成另一种形式交流电能电路。在进行交流 交流换流时，可以
改变交流电的电压、电流、频率或相位等。其中，只改变电压、电流，而不改变 交流频率的电路成为交流交流电力控制电路， 包括交流调压电路，交流调功电路, 交流电力电子开关等；在改变电压电流的同时，不需要改变其频率的交流——交 流变频电路成为交交变频电路，即直接把一种频率的交流变频变换成另一种频率 或可变的交流。因此，也称为直接变频电路。另外，还有一种交直交交变频电路。
先将交流整流成直流，再将直流经无缘逆变电路变换成频率可变的交流电能，这 种带有中间直流环节的变频电路也称为间接变频电路。
用晶闸管组成的交流调压控制电路，可以方便的调节输出电压有效值，可用 于电炉控温、灯光调节、异步电动机的启动和调速等，也可用作调节整流变压器 一次侧电压，其二次侧为低压大电流或高压小电流负载常用的这种方法。采用这 种方法，可使变压器二次侧的整流装置避免采用晶闸管，只需要二极管，而且可 控级仅在一侧，从而简化结构，降低成本。交流调压器与常规的交流调压变压器 相比，它的体积和重量都小的多，交流调压器的输出仍是交流电压，他不是正弦 波，其谐波分量较大，功率因数也较低。
1.2本文研究内容
单相交流调压电路是对单相交流电的电压进行调节的电路，把两个晶闸管反 并联后串联在交流电路中，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闸管开 通相位的控制，可方便的调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。
本文研究的交流调压电路主要应用在电热控制、 交流电动机速度控制、交流
稳压器等场合，主要有灯光调节（如调光台灯、舞台灯光控制等），温度调节（如 工频加热、感应加热、需控制的家用电器等），泵及风机等异步电动机的软启动， 交流电机的调压调速（如纺织、造纸、冶金等领域的调压调速），随电动机负载大 小自动调节（对于起动机等有较长时间空载或轻载的负荷，自动调节可节省电能）， 变压器初级调节（在高压小电流或低压大电流直流电源中，如采用晶闸管相孔整 流电路，需要很多晶闸管串联或并联，若采用交流调压电路在变压器初级调压， 其电压电流值都比较合理，在变压器次级只要用二极管整流即可，从而达到减少 体积、降低成本的目的）。
第2章 单相交流调压电路设计
2.1单相交流调压电路总体设计方案
此单相交流调压电路由主电路、触发电路及保护电路组成，触发电路由集成 触发器组成，用来触发晶闸管的导通来实现主电路的正常工作，其中的保护电路 主要是对晶闸管的过流及过压保护。晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门 极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通，交流电源电压为 220V。
触发电路
交流电压 主电路 * 输出电流
保护电路
图2.1单相交流调压电路结构图
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I 5
I 5七 本科生课程设计（论文）
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2.2具体电路设计
221主电路设计
U2
图2.2单相交流电路主电路
图1是单相交流电路主电路图，两个晶闸管反并联串联在交流电路中，在每 半个周波内对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出交流电压的有效值， 实现交流调压。由于交流调压电路的工作情况和负载有很大关系，因此分别进行 讨论。单相交流调压负载在电阻负载时，晶闸管的导通角只与控制角a有关，分 别对两个晶闸管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（a =0）
均为电压过零时刻，在稳态情况下，应使正负半周的a相等。a的移相范围应为 0<a < n。对触发脉冲的要求除了要保证与电源同步外，脉冲本身的宽度也要保证 晶闸管能正常导通。单相交流调压负载是阻感性负载时，在电压反向过零时，由 于电感产生的感应电势阻碍电流的变化，晶闸管不能立即关断，导电时间延长， 此时,晶闸管的导通角不但与控制角a有关,还与负载的阻抗角巾=arctan（wL/R） 有关。当巾<a <n时,两个晶闸管VT1和VT2得导通角a均小于n ,且a越小B越 大。此时可以进行正常交流调压，输出电流既不连续也非正弦。当a二巾时，B =n
,电流波形为正弦波。当OWa<巾时，假设某一时刻触发VT1,则VT1的导通时 间将超过 。至U wt=n + a时刻触发VT2时，由于电感的作用,负载电流尚未过 零,VT1仍在导通,VT2不会立即开通。直到负载电流过零后,如果VT2的触发脉 冲有足够的宽度而尚未消失，VT2开通，但其导通时间将小于n。但如果触发脉 冲宽度不够，负载电流过零时触发脉冲已经消失 VT2将无法开通，造成每个周期
VT1导通一次而VT2始终无法导通，负载电流中有半周。这会产生很大的直流分 量而危及负载，同时对电网也带来不利影响，为保证单项交流调压电路在阻感负 载时能正常工作，其触发脉冲的宽度必须大于B -巾，因此所采用的触发电路必须 输出宽脉冲或脉冲列。
222控制设计
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 的时刻由阻断转为导通，广义上讲，晶闸管触发电路往往还会包括对其触发时刻 进行控制的相位控制电路，但这里专指脉冲的放大和输出环节，晶闸管触发电路 应满足以下环节：1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通， 对反电动势负载的
变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发；2）脉冲触发应有足够的幅度，对户外寒冷场 合，脉冲电流的幅度应增加为器件最大触发电路的 3—5倍，脉冲前沿的陡度也会 增加，一般需达1-2A/US； 3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电 流、和额定功率，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内； 4 ）应有抗干扰性能、
温度稳定性及与主电路的电气隔离。
根据以上要求分析，采用 KC05移相触发器进行触发电路的设计。驱动电路图
如下图所示:
AC30VD€AAA—C5R2 %—C3
AC30V
D€
AAA
—C5
R2 %
—C3
图2.3 触发电路图
KC05触发芯片具有锯齿波线性好，移相范围宽，控制方式简单，易于集中控
制，有失交保护，输出电流大等优点，是交流调光、调压的理想电路， KC05电路
也适用于作半控或全控全控桥式线路的相位控制。同步电压由 KC05的15、16脚
输入，在TP1点可以观测到锯齿波，RP1电位器调节锯齿波的斜率，Rp2电位器调 节移相角度，触发脉冲从第9脚，经脉冲变压器输出。调节电位器 RP1,观察锯 齿波斜率是否变化，调节 Rp2,可以观察输出脉冲的移相范围如何变化。
223保护电路设计
在电路中由于过电压、过电流或者其他原因会引起整个电路或者其内电器元 件的冲击与破坏，造成危险，因此要加一定的保护措施，保护电路成了在设计 电路时不可或缺的一部分。在电力电子中常出现的保护电路有过电压保护电路， 过电流保护电路，du/dt及di/dt保护电路。
1、过电压保护：
这里所说的过电压保护，是对晶闸管的保护。
（1）过电压的产生
电力电子装置中可能发生地过电压分为外因过电压和内因过电压两类。 夕卜因过
电压主要包括操作过电压与雷击过电压；内因过电压内因过电压主要包括换相过 电压与关断过电压。
1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切 断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。
）雷击过电压：由雷击引起的过电压。
）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后 不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当 其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶 闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。
）关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时， 因正向
电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。
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 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
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(2)过电压抑制措施
在抑制过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的。其典型连接 方式如下图：
图2.4过电压保护电路
2、过电流保护
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。在电力电子电路中常采用的过电流保护措施有快速熔断器、直流 快速熔断器和过电流继电器三种。其中快速熔断器是电力电力电路中最为有效、 应用最广的一种过电流保护措施，其原理图如图 2.5所示：
图2.5过电流保护
3、缓冲电路
缓冲电路又称吸收电路。其作用是抑制电力电子期间的内因过电压、 du/dt
或者过电流di/dt,减少器件爱你的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和 开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为 du/dt抑制电路，用于吸收其器件的关断 过电压和换相过电压，抑制du/dt,减少器件的开通损耗。可将关断缓冲电路和 开通缓冲电路结合在一起，称其为复合缓冲电路，还可以用列外的分类方法： 缓冲电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上，贝U称其为耗能式缓冲电 路；如果缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或者电源，则称其为馈能 式缓冲电路，或称为无损耗吸收电路。如无特殊要求或说明，通常缓冲电路专 指关断缓冲电路，而将开通缓冲电路叫做 di/dt抑制电路，电路图如下：
图2.6 di/dt 抑制电路
通过以上分析可知在此要求的交流调压电路中，只需要对晶闸管进行过电 压保护及过电流保护即可，此设计电路中，过电压保护采用就是RC过电压抑制 电路，过电流保护采用的是快速熔断器。
2.3元器件型号选择
编号
元器件名称
符号
数量
备注
1
电阻
R
10
2
电容
C
5
3
电感
L
3
4
二极管
D
7
5
晶闸管
VT
5
6
变压器
T
2
7
电源（含15V供电电源）
Vcc
3
8
可调电阻
Rp
2
9
触发芯片
CK05
1
10
开关管
Kg
2
11
高频功率管
G
2
12
开关
K
2
13
导线
若干
14
地线
1
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2.3系统调试或仿真、数据分析
单相交流数据分析：根据设计要求，控制角为取 30度，交流电源为220V,
L,R足够大，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（a =0）均为过零时刻，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。首先设定 R=10（n。贝
_ 2C；
_ 2
C；2u2sin t) d( t)
U2#sin(2 )
=201.87V
I0 土 =2.02A R
IVT2sin t 22
IVT
2sin t 2
2 ) d( t)
U2
1
2(1
Sin2 )
=1.43AP ~1sin 2S ■ 2=0.961流过晶闸管的电流为：I
=1.43A
P ~1
sin 2
S ■ 2
=0.961
流过晶闸管的电流为：
Ivt（AV）=Ivt/1.57=0.91A
加到晶闸管两端的最大电压为：
UVT =v2 X 220V=311.08v
根据晶闸管选择原理，额定电压值是实际工作最大电压的 定电流时正常工作时流过晶闸管通态平均电流的 1.5~2倍
额定电压：
2~3倍，晶闸管额
额定电流:
Ue=(2~3)x 311.08=800V
Ie=(1.5~2)x 0.91=1.5A
第3章课程设计总结
此次电路的难点在于触发电路的设计。选用了集成触发电路 KJ004,但是要
应用它还需要加上很多外围电路，最后通过查阅各种资料完成了设计。
然后实际中要加入很多保护电路来保证电路的稳定、安全运行。这里因为其 电流很大，又考虑到晶闸管的换相过电压，就加入了快速熔断器，并给晶闸管加 了缓冲电路。
目前市场上的单相交流调压实验装置，采用的是普通脉冲触发电路，在实验 操作中可以观察到电阻负载时单相交流调压的正常工作过程 ，也可以观察到电阻
电感负载巾Wa时正常工作过程及在电阻电感负载a ＜巾时出现较大直流分量的
现象，但无法观测到在电阻电感负载a ＜巾时也可以工作，不出现直流分量的过 程。交流调压出现较大直流分量在实际的使用场合是不允许的 ，因为可能会损坏
设备并对电网产生干扰。我们设计的这套单相交流调压实验装置 ，既可以观察到
在普通脉冲触发下，单相交流调压电阻负载及电阻电感负载 巾Wa时正常工作过 程，也可以观察电阻电感负载a ＜巾时出现较大直流分量的现象，同时还可以观 察到在脉冲列触发下单相交流调压的工作过程及在电阻电感负载a ＜巾时仍能获
得对称连续的负载正弦波形电流的现象，避免了直流分量的产生。此装置可以满 足实际的各种要求。
参考文献
王兆安、李进军主编?电力电子技术?第五版?北京：机械工业出版社，2009
王云亮主编?电力电子技术?电子工业出版社，2009
TOC \o "1-5" \h \z 李宏主编?常用晶闸管触发集成电路及应用?科学出版社? 2011
赵良炳主编?现代电力电子技术基础?清华大学出版社? 1999
黄俊、王兆安主编?电力电子交流技术?机械工业出版社?北京? 2001
