相控式单相交流调压电路设计说明x
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集美大学
电力电子课程设计报告
题目:相控式单相交流调压电路设计
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指导教师:
时 间:
2015 年 6 月 19 日
目录:
0 概述 1
1 设计的目的 1
2 设计的任务及要求
2 设计的任务及要求
2
设计任务
设计要求
TOC \o "1-5" \h \z \o "Current Document" 主电路总体方案设计 2
总体方案设计思路 2
主电路工作原理 3
主电路工作情况分析 3
负载电流分析 4
3.3 主电路参数计算及元器件选择 6
主电路参数计算 6
主电路元器件的选型 7
芯片的详细介绍 8
\o "Current Document" 基于 MATLAB/Simulink 的仿真设计 9
仿真模型建立 9
仿真参数设置及仿真结果 10
仿真波形分析 12
\o "Current Document" 实际电路设计 12
5.1 总电路设计 12
触发控制电路设计 13
保护电路的设计 14
\o "Current Document" 设计总结 15
\o "Current Document" 参考文献 15
0 概述
交流调压电路在广泛应用于生活生产当中, 生活中小到调光台灯, 大到舞台
灯光控制,生产中异步电动机的启动与调速,电力系统中无功功率的连续调节, 直流电源中调节变压器一次侧电压等。
单相交流调压电源中, 调压和稳压是最基本的要求。
目前基本的调压器类型 有以下三种:
机械式调压器 机械式调压器是由电动机带动碳刷来实现输出调压。机械式 调压器的输出波形较好,但体积、重量大,动态性能差。
磁饱和式调压器 磁饱和式调压器是通过控制主电路中电感的饱和程度,以 改变电抗值以及电抗电压, 从而实现输出调压。
磁饱和式调压器具有一定的动态 输出性能,但输出电压可调围小,体积、重量较大。
电子式调压器 电子式调压器是采用电力电子开关器件的控制来实现输出调 压。电子式调压器具有较好的输出波形及动态响应性能, 体积小,重量轻等优点, 是目前应用较广泛的调压方式。
1 课程设计的目的
本课程设计是电气工程及其自动化专业重要的实践教学环节之一。
本课程设 计的任务是培养学生综合运用 《电力电子技术》、《电子技术》 所学知识分析解决 工程实际问题。使学生加深理解电力电子变换电路的基本原理及其在工程实际中 的应用;掌握电力电子变换主电路的选型及参数计算方法; 掌握电力电子器件和 装置的控制电路设计方法; 为今后从事与电力电子技术相关的科学研究工作打下 良好的基础。
2课程设计的任务及要求
2.1设计任务
相控式单相交流调压电路设计
2.2设计要求
(1) 输入信号为电网电压,U=220Vf=50Hz,输出负载为阻感负载,R=50 , 感抗=35 。
(2) 设计出系统结构图,并用MATLAB/Simulink对单相交流调压进行仿真。
(3) 设计出单相交流调压主电路和控制电路、保护电路等。
3主电路总体方案设计
3.1总体方案设计思路
本系统设计方案基本思路是:采用两个反向并联的晶闸管作为开关器件,负
载为阻感负载组成的主电路,以及控制晶闸管导通的触发电路,其系统原理方框
图如图3.1 o
图3.1系统原理方框图
3.2主电路工作原理 321主电路工作情况分析
主电路如图3.2.1所示,由两个反向并联的晶闸管 T1、T2,负载电感L和
电阻R组成。
U1
T1图3.2.1主电路
T1
如图3.2.1(a)所示,当控制角时T1开始导电,iT1 i s
如图3.2.1(a)所示,当控制角
时T1开始导电,
iT1 i s i0
从零上升,T1导电180o后在t
时 iT1 i s
i。 0,与此同时,
T2被触发
导通,4 is
is i0从零上升,T4导电180o后在t
2 时 i T2 is
i。 0。因
o ),时 图 3.2.1 (
o ),
时 图 3.2.1 (a)
在t 时开始触发T1,在t
时开始触发T2。在t 时,
此,T1、T2的触发控制角时,T1、T2依序轮流导电
此,T1、T2的触发控制角
(2)
由于isi0仍是负电流,即T2仍在导通,故此时的触发电流并不能使T1立即导如图3.2.1 (a)所示,如果把T1
由于is
i0仍是负电流,即T2仍在导通,故此时的触发电流并不能使
T1立即导
电,直到t 时,iT2因此,RL负载、is
电,直到t 时,iT2
因此,RL负载、
时,如果要使电压控制器能起到相控作用正常工作,
触发信号必须是宽脉冲。如果 o,则宽脉冲应该超过 ,此时虽然 ,但
与 时一样,输出电压电流波形都是完整的正弦波。
(3) 时
如图3.2.1 (b)所示,如果晶闸管的控制角a从t 推迟, ,在t 时iT2已为零,但此刻T1触发脉冲尚未到达,因此在 T1被触发开通之前一段时 期中is io 0,电流断流。待t ( )时T1才被触发开通,厲is io从 零上升,厲上升到最大值im后逐渐减小,并在t 之前就衰减到零,即导
电角 。在t 时,触发T2导通,在一个周期中T1、T2轮流导电9 ( )
角,因此负载电压0为正负对称的不完整正弦波,负载电流山iT1 iT2为正负对 称的非正弦电流。
图 3.2.1 (b)
3.2.2负载电流分析
时,9 =180o,即 °、io为图 3.2.1 (a)所示正弦波,T1、T2
导电角9 =188 :
vO vS /2VS sin t
..>/2Vs
is io Z_si n( t )
LR时(2)RiT1LtsinVodt1t[si n()e]tZ/tgsin()esintan()taneeiT1a)diT1—2R(3)由(1)、(2)可求出负载阻抗角 一定时导通角9与触发控制角 的ltWL-1O1HO丄ZO
L
R
时
(2)
RiT1
L
t
sin
Vo
dt
1
t
[si n(
)e
]
t
Z
/tg
sin(
)e
sin
tan(
)
tan
e
e
iT1
a)
diT1
—2
R
(3)由(1)、(2)可求出负载阻抗角 一定时导通角9与触发控制角 的
ltW
L-1O
1HO
丄
ZO 40 tiO KO lOO 1^0 140 LfiO 180
图3.2.2(a)导通角9与控制角a的关系曲线
(以负载阻抗角?为参变量)
由图3.2.2 (a)可以看出:
arctan
关系 f ,如图3.2.2 (a)所示:
时,9 =180o ,
时,9 <188。
Z ■, ( L)2
0为图3.2.1 (b)所示的部分正弦波曲线,而i。则为断流的
非正弦波,半周中的导电角
9 <188 :
)sin(a
cos
L
arcta n ——
R
a ) sin(a
时非正弦负载电压有效值 Vo、负载电流有效值Io、晶闸管电流
有效值I T分别为:
1 ( ,'2VSsin t)2d( t)
Vs
Vs J— 丄[sin2 sin 2( )]
I; It
I; It/孑
图3.2.2 (b)晶闸管电流的标么值I;与控制角a的关系曲线
若取晶闸管电流It的基准值为 2 Vs,则It的相对值为
可画出以 为参变量,I;与触发控制角a的函数关系,如图3.2.2 ( b)所示:
3.3主电路参数计算及元器件选择 3.3.1主电路参数计算
(1) 控制角围:
TOC \o "1-5" \h \z L 35 c。
minarcta n arcta n 35
min
R 50
m ax
min时,最大电流有效值0为:
22050
220
502 352 1 2
3.6A
最大功率( min时):
Pmax RI2 50 3.62 648W
功率因数
PF648220
PF
648
220 3.6
0.818
电感大小:由 L 2 fL 35
得 l 戲 35 111.5mH
2 f 2 50
3.3.2主电路元器件的选型
(1)开关管的选择
可选用VMOSFE开关管。它是具有输入阻抗高(》108V)、驱动电流小(0.1uA 左右)、耐高压(最高可耐压 1200V)工作电流大(1.5A~100A)、输出功率高
(1~250V)、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。
时晶闸管电流最大有效值It为:
;— 2 - t- 2
lT 2Vs sin t- -sin - e tg d t 卡 2.55A
因为输入电压为220V的交流电,根据计算结果,故可以选用 14A/500V的N
沟道开关管IRFP450LC
触发控制芯片的选择
选用芯片KJ004产生触发控制信号,来驱动 MOSFE实现触发控制,KJ004
可控硅移相触发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、移相围宽、对同步电压要求低、有脉冲列调制控制输出端等功能与特点, 可输出两路相差180o的移相脉冲,具有广泛的应用。
333芯片的详细介绍
(1)晶闸管也成为可控硅整流元件(SCR,是由三个PN结构成的一种大功 率半导体器件。具有单向导电性和可控性。其部电路可等效为两个晶体管 V1和
V2串接而成,如图3.3.3所示,只有在其阳极A和阴极K之间加正向电压,并 且在触发级G加一定大小电流的触发脉冲,才能使晶闸管导通;当其电流 Ia减
图3.3.3 a)晶闸管结构模型b)晶闸管等值电路
(2) KJ004触发电路电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、 移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。 电路部原理如图
3.3.3 ( c)所示:
40*It1——— 昭I
4
0
*
I
t1
——— 昭I
$3
Q A
图3.3.3 (c)KJ004内部原理图
各引脚功能及连接:
2、6 10引脚:为空脚。
1、15同相、反相脉冲输出端:分别接脉冲功放晶体管及脉冲变压器。
3为锯齿波电容连接端:通过电容接引脚 4,并通过一个电阻与可调电位器 接负电源,可调节锯齿波的斜率。
4为同步锯齿波电压输出端:通过一个电阻接移相综合端(引脚 9)。
5为工作负电源输入端:接-15V电源。
7为底端:芯片公共地。
8为同步电源信号输入端:接同步变压器二次侧,同步电压 30V。
9为移相、偏置及同步信号综合端:分别通过一个等值电阻接移相控制端、 偏置控制端及引脚4.
11为方波脉冲输出端:通过一只电容接引脚 12,电容的大小决定输出脉冲 的宽度。
12为脉冲信号输入端:通过一只电容接引脚 11,另外通过一个电阻接正电 源。
13为负脉冲调制及封锁控制端:通过该端输入信号的不同,可对负载输出 脉冲进行调制或圭寸锁。
16为工作正电源输入端:接+15V电源。
4基于MATLAB/Simulink的仿真设计
4.1仿真模型建立
建立一个仿真模型,在Simulink中找到所需的交流电源、电压表、电流表、
示波器、电感电阻负载、触发源等。将找到的各个模型按电路正确连接起来,如
图4.1所示:
注:为了方便观察,示波器通道所测波形由上到下分别为电压源、 T1触发
脉冲、T2触发脉冲、输出电压、输出电流。
4.2仿真参数设置及仿真结果
按前面要求设置好仿真参数,电阻R=50Q,电感L=111.5mH观察不同触发 角时的仿真波形。
时的仿真波形如图4.2 (a)所示:
(2)窄脉冲触发信号, 时的仿真波形如图4.2 (b)所示:
宽脉冲触发信号, 时的仿真波形如图4.2 (c)所示:
1 r
1_
1 r
1 r
i l
L 」
-......-L.....…
1 I,
i[
1 1 1 1 1 1 r
MH COZ LR DIM (UR UK IMF >009 (IB
图 4.2 ( c) 5o 35o
宽脉冲触发
时的仿真波形如图4.2(d)所示:
4.3仿真波形分析
由仿真波形可知,示波器通道所测波形由上到下分别为电压源、 T1触发脉
冲、T2触发脉冲、输出电压、输出电流。此时的负载是电阻电感性负载,当触 发控制角等于阻抗角时,即 时,输出电压、电流均为连续的正弦波;当触
发控制角小于阻抗角时,即 时,若触发脉冲为窄脉冲时,输出电压、电流均
为不连续波形;若触发脉冲为宽脉冲时,输出电压、电流均为连续的正弦波;当 触发控制角大于阻抗角时,即 时,输出电压为不连续的正弦波,输出电流则
为不连续的对称的非正弦波。
5实际电路设计
5.1总电路设计
如图5.1所示,总电路主要包括主电路、触发控制电路、和保护电路三部分:
5.2触发控制电路设计
如图5.2所示,由KJ004设计成的可控硅移相控制电路,主要由同步检测电 路、锯齿波形成电路、偏形电路、移相电路及锯齿波电压综合比较放大电路和功 率放大电路组成。锯齿波的斜率由外接电阻 R6 RW流出的充电电流和积分电容 C1的大小决定。对不同移相控制电压 Uy由改变电阻R1 R2的比例调节响应的 偏移电压Up。同时RW1可以使不同移相控制电压获得整个移相围。 R7 C2形成
微分电路,改变其值得大小可以获得不同的脉宽输出。
图5.2触发电路接线图
5.3保护电路的设计
在电路中,由于过压、过流等容易造成整个电路或者元器件的损坏, 造成损 失甚至产生危险,因此必须添加一定的保护措施,保护电路的设计成了在电路设 计中不可缺少的一部分。在电力电子中最主要的保护电路可分为过压保护电路、 过流保护电路和缓冲电路三种。
(1)过电压保护
电力电子设备中过电压的产生可分为外因过电压和因过电压两种。 外因过电
压有操作过电压与雷击过电压;因过电压有二极管反向恢复过电压和开关管关断 过电压。过电压的常用保护措施是采用 RC过电压抑制电路,如图5.3(a)。
(2) 过电流保护
电力电子线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子电路中最有效、 应用最广泛的一 种过电流保护措施,如图5.3 (b)。
(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器件的因过电压、 或者过电 流,减少器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。 关断
缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起,又可称为复合缓冲电路。如图 5.3(c)
为关断缓冲电路
通过分析可知在此交流调压电路中,只需对晶闸管进行过电压保护及过电流
保护即可,因此我们采用RC过电压抑制电路进行过压保护,采用快速熔断器进行过流保护。图5.3(
保护即可,因此我们采用
RC过电压抑制电路进行过压保护,采用快速熔断器进
行过流保护。
图5.3( b)过流保护电路
图5.3
图5.3 ( c)关断缓冲电路
设计总结
通过本次电力电子课程设计, 加深了对电力电子专业知识的理解, 通过广泛 的查阅资料, 一步一步的完成了本次课程设计。
在本次的课程设计中, 我深入了 解了相控式单相调压电路的工作原理, 以及触发电路的设计。
掌握电力电子变换 主电路的选型及参数计算方法等。
与此同时,还掌握了 MATLAB/Simulink 在电力 电子仿真中的应用,掌握了如何使用 Altium_designer 绘制电路原理图等。
当然,在整个课程设计过程中也遇到了一些问题,如在 Simulink 中找不到 元器件,仿真参数不会设置等问题, 但通过大量查阅相关书籍, 最终将问题逐一 解决,并在最后取得了理想的结果, 得到了正确的仿真结果, 顺利的完成了本次 课程设计。
经过本次电力电子课程设计, 我不仅值理论知识上得到了巩固, 更学会了如 何查阅资料, 如何总结经验, 在问题面前学会如何正确分析问题的方法, 并利用 自己所掌握的知识, 以及如何利用现成的资料去解决问题。
为今后从事与电力电 子技术相关的科学研究工作打下良好的基础。
参考文献
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( 第三版 )[M] ,高等教育;
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占松、蔡宣三,开关电源的原理与设计(修订版)
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王兆安,电力电子技术 [M] ,机械工业;
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王莉,浅谈单相交流调压电路的建模及 matlab
仿真 [J],2012-6-15;
[6]KJ004 可控硅移相触发电路 [J] , 2009-7-27;