电力电子课程设计_单相交流调压电路设计
时间：2020-09-27 16:31:44 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
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目 录
TOC \o "1-3" \h \z \u 1引言 1
2 单相交流调压的目的 2
3 主电路的设计与分析 3
3.1 主电路设计 3
3.2 工作情况分析 5
3.2.1 电阻负载工作情况分析 5
3.2.2 阻感负载工作情况分析 5
4 触发电路 9
4.1 触发电路的选择 9
4.2 触发电路的工作原理 9
4.3 集成块的电参数及引脚功能 10
4.3.1 KC05的电参数 10
4.3.2 KC05的引脚功能 11
5 保护电路 12
5.1 晶闸管的过电压保护 12
5.2 晶闸管的过电流保护 12
6 结论 14
7 心得体会 15
参考文献 16
1引言
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—交流变换时，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，不需要该变其频率的交流—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电压控制电路，可以方便的调节输出电压有效值。可用于电炉温控、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，它的体积和重量都要小得多。交流调压器的?输出仍是交流电压，它不是正弦波，其谐波分量较大，功率因数也较低。
2 单相交流调压的目的
交流电力控制电路是指通过晶闸管等电力电子器件对输入输出之间的交流电能进行变换与控制的电路形式，其常用的控制方式有四种：相位控制、周期控制、通断控制、斩波控制。根据不同的控制方式可以将交流电力控制系统分为以下几种基本类型：交流调压电路、交流调功电路、交流电力电子开关、交流斩波调压电路
上述四种交流电力控制系统中，交流调压电路应用最为广泛。交流调压电路是采用相位控制方式的交流电力控制电路，通常是将两个晶闸管反并联后串联在每相交流电源与负载之间。在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，使之导通。与相控整流电路一样，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，可以方便的调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。其晶闸管可以利用电源自然换相，无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，系统响应速度较快，但它也存在深控时功率因数较低，易产生高次谐波等缺点。
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。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起动，交流电机的调压调速（如纺织、造纸、冶金等领域的调压调速），随电机负载大小自动调压（对于起动机等有较长时间空载或轻载的负荷，自动调压可以节省电能），变压器初级调压（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、减低成本的目的）。
与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。
3 主电路的设计与分析
3.1 主电路设计
采用两个晶闸管反向并联设计单相交流调压电路。
电阻负载
(a)主电路
(b)工作波形
图2-1 电阻负载时的主电路与工作波形
阻感负载
(a)主电路
(b)工作波形
图2-2 阻感负载时的主电路与工作波形
3.2 工作情况分析
和整流电路一样，交流调压电路的工作情况也和负载性质有很大的关系，因此分别予以讨论。
3.2.1 电阻负载工作情况分析
当负载为纯电阻负载时，图2-1(a)中T1和T2也可以用一个双向晶闸管代替。在交流电源的正半周角时，T1触发导通，输出电压等于电源电压，电流波形从0开始上升。在交流电源的负半周角时，T2触发导通，工作原理与正半周相同，其工作波形如图2-1(b)所示。
3.2.2 阻感负载工作情况分析
交流调压电路可以带电阻性负载，也可以带电感性负载，如感应电动机或其它电阻电感混合负载等。由于感性负载本身滞后于电压一定角度，再加上相位控制产生的滞后，使得交流调压电路在感性负载下大的工作情况更为复杂，其输出电压、电流波形与控制角、负载阻抗角都有关系。其中负载阻抗角,相当于在电阻电感负载上加上纯正弦交流电压时，其电流滞后于电压的角度为。为了更好的分析单相交流调压电路在感性负载下的工作情况，此处分三种工作情况分别进行讨论。
（1）时
图2-2(a)所示为单相反并联交流调压电路带感性负载时的电路图，以及在控制角触发导通时的输出波形图，同电阻负载一样，在的正半周角时，触发导通，输出电压等于电源电压，电流波形从0开始上升。由于是感性负载，电流滞后于电压，当电压达到过零点时电流不为0，之后继续下降，输出电压出现负值，直到电流下降到0时，自然关断，输出电压等于0，正半周结束，期间电流从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角。由后面的分析可知，在工况下，因此在脉冲到来之前已关断，正负电流不连续。在电源的负半周导通，工作原理与正半周相同，在断续期间，晶闸管两端电压波形如图2-2(b)所示。
为了分析负载电流的表达式及导通角与、之间的关系，假设电压坐标原点如图2-2所示，在时刻晶闸管T导通，负载电流i应满足方程
L==sin
其初始条件为 i|=0,
解该方程，可以得出负载电流i在≤≤区间内的表达式为
i=.
当=时，i=0，代入上式得，可求出与、之间的关系为
sin（-）=sin（-）e
利用上式，可以把与、之间的关系用图2-3的一簇曲线来表示。
图2-3 与、之间的关系曲线
图中以为参变量，当=0时代表电阻性负载，此时=180-；若为某一特定角度，则当 时，=180?，当>时，随着的增加而减小。
上述电路在控制角为时，交流输出电压有效值U、负载电流有效值I、晶闸管电流有效值I分别为
U=U
I=2I
I= I
式中，I为当=0时，负载电流的最大有效值，其值为
I=
为晶闸管有效值的标幺值，其值为
=
由上式可以看出，是及的函数。图2-4给出了以负载阻抗角为参变量时，晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线。
图2-4 为参变量时，晶闸管电流标幺值与的关系曲线
当、已知时，可由该曲线查出晶闸管电流标幺值，进而求出负载电流有效值I及晶闸管电流有效值I。
（2）=时
当控制角=时，负载电流i的表达式中的第二项为零，相当于滞后电源电压角的纯正弦电流，此时导通角=180，即当正半周晶闸管T关断时，T2恰好触发导通，负载电流i连续，该工况下两个晶闸管相当于两个二极管，或输入输出直接相连，输出电压及电流连续，无调压作用。
图2-5 =工况下的输出波形
(3) 时
在工况下，阻抗角相对较大，相当于负载的电感作用较强，使得负载电流严重滞后于电压，晶闸管的导通时间较长，此时式仍然适用，由于，公式右端小于0，只有当时左端才能小于0，因此，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在时刻被触发导通，由于其导通角大于180，在负半周时刻为发出出发脉冲时，还未关断，因受反压不能导通,继续导通直到在时刻因电流过零关断时，的窄脉冲已撤除，仍然不能导通，直到下一周期再次被触发导通。这样就形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情况，始终为单一方向，在电路中产生较大的直流分量。因此为了避免这种情况发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。
图2-6 窄脉冲触发方式
综上所述，当单相交流调压电路带感性负载时，为了可靠、有效的工作，并实现调压的目的，应使控制角的移相范围保持在之间，同时为了避免出现直流分量，晶闸管的控制脉冲应采用宽脉冲或脉冲列触发。
4 触发电路
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。晶闸管触发电路应满足下列要求：
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）触发脉冲应有足够的幅度，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流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也许增加，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、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；
4）应有的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路电气隔离。
4.1 触发电路的选择
采用KC05晶闸管移相触发器，该触发器适用于双向晶闸管或两只反向并联晶闸管电路的交流相位控制，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，是交流调压电路的理想电路。
4.2 触发电路的工作原理
图3-1 KC05晶闸管移相触发器内部电路原理图
图3-1是KC05晶闸管移相触发器内部电路原理图。V1、V2组成同步检测电路，当同步检测电压过零时V1、V2截止，从而使V3、V4、V5导通，V4导通，使V11基极被短接，V11截止，V5对外接电容C1充电到8V左右。同步电压过零结束时，V1、V2导通，V3、V4、V5恢复截止，C1电容经V6恒流放电，形成线性下降的锯齿波，锯齿波的斜率由5#端的外接锯齿波斜率电位器RP1调节。锯齿波送至V8与6#端引入V9的移相控制电压Uc进行比较放大，当Uc>UB时，V10、V11导通，V12截止，V13、V14导通，输出脉冲。V4是失交保护输出，保证了移相电压与锯齿波失交时晶闸管仍保持全导通。各点波形图3-2所示。
图3-2 晶闸管的工作波形
4.3 集成块的电参数及引脚功能
4.3.1 KC05的电参数
电源电压：外接直流电压+15V，允许波动±5％(±10％功能正常)。
电源电流：≤l2mA。
同步电压：≥l0V。
同步输入端允许最大同步电流：3mA(有效值)。
移相范围：≥l70°(同步电压30V，同步输入电阻10kΩ)。
移相输入端偏置电流≤l0μA。
锯齿波幅度：≥7～8.5V。
输出脉冲：
a．脉冲宽度：l00μs～2 ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。
b．脉冲幅度：>13V。
c．最大输出能力：200mA(吸收脉冲电流)。
d．输出反压：BVceo≥l8V(测试条件：Ie=100μA
允许使用环境温度：-l0～70℃。
4.3.2 KC05的引脚功能
KC05的引脚功能如表3-1。
表3-1 KC05的引脚功能
功能
空
失交端
同步输出
锯齿波形成
锯齿波形成
综合比较
地
扩展端
输出
微分阻容
空
失交端
微分阻容
空
同步输入
+VCC
引脚号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
5 保护电路
相对于电机和继电器，接触器等控制器而言，电力电子器件承受过电流和过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。但又不能完全根据装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，必须充分发挥器件应有的过载能力。因此，保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的重要环节。
5.1 晶闸管的过电压保护
所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压，可采用阀侧浪涌过电压抑制RC电路来防止电路过压，其电路图见图4-1 。如果电路中出现过电压现象，因C1两端电压不能发生突变，从而保护了晶闸管VT1、VT2达到电路过电压保护的目的。
电容C的耐压应大于正常工作时晶闸管两端电压峰值的1.5倍。
电阻R一般取R=10~30Ω。在实际应用中可按经验数据选取表4-1。
表4-1
晶闸管额定电流/A
10
20
100
200
500
1000
电容/μF
0.1
0.15
0.25
0.5
1
2
电阻/Ω
100
80
20
10
5
2
由主电路的分析可知流过晶闸管的电流不超过10A，所以我们可以选择RC电路的R和C分为100Ω、0.1uF、450V。
图4-1 过电压保护电路 图4-2 过电流保护电路
5.2 晶闸管的过电流保护
熔断器FU是最简单有效的且应用最普遍的过电流保护器件。针对晶闸管热容量小、过电流能力差的特点，专门为保护大功率半导体变流元件而制造了快速熔断器，简称快熔。其熔断时间小于20ms，能保证在晶闸管损坏之前快熔切断短路故障，达到保护晶闸管的目的（见图4-2）。目前常用的快熔有：小容量RLS(螺旋式)系列、大容量RTK（插入式）系列、RS0（汇流排式）系列、RS3系列、RSF系列等。
快熔断的选择：快熔的额定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的元件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流Ir(AV)来选择，一般应小于被保护晶闸管的额定有效值1.57 Ir(AV)。即可按下式选择：
1.57 Ir(AV)≥IRN≥ITM (管子实际最大电流有效值)
通过上述公式我们选择熔断器为RS3-80，额定电压为250V，电流10A的快速熔断器。
图4-3 单相交流调压电路总电路图
如图4-3所示，R7、C3为阻容滤波器，R8、C4为晶闸管的过电压保护，快速熔断器是晶闸管的过电流保护。
6 结论
本课程设计是单相交流调压电路的设计。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以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。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。
和整流电路一样，交流调压电路的工作情况也和负载性质有很大的关系。由于感性负载本身滞后于电压一定角度，再加上相位控制产生的滞后，使得交流调压电路在感性负载下大的工作情况更为复杂，其输出电压、电流波形与控制角、负载阻抗角都有关系。单相交流调压电路的负载电压和负载电流均不是正弦波，含有大量谐波。
主电路的工作需要触发脉冲。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。
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。
7 心得体会
这次电力电子技术课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。并通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较。从而进一步验证了所学的理论知识。同时，这次课程设计也为我们以后的学习打下基础。指导我们在以后的学习，多动脑的同时，要善于自己去发现并解决问题。这次的课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在你拿到题目时会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。
通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，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。
参考文献
[1] 王云亮 电力电子技术 北京 电子工业出版社 2004
[2] 赵良炳 现代电力电子技术基础 北京 清华大学出版社 1999
[3] 黄俊,王兆安 电力电子变流技术 北京 机械工业出版社 2001
[4] 王兆安，黄俊 电力电子技术 北京 机械工业出版社，2000.
[5] 周克宁 电力电子技术 北京 机械工业出版社 2004
