晶闸管单相交流调压与调功电路设计.docx

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晶闸管单相交流调压与调功电路设计

晶闸管单相交流调压与调功电路设计

1题目初始条件

初始条件：

电源为工频220V，调压阻感负载，R＝0.5欧姆，L＝2mH。

调功阻性负载R＝4欧姆。

2设计任务与设计要求分析

通过分析题目的初始条件，可知本次课程设计有以下几个基本要求：

1单相交流调压与调功主电路的设计。

2.触发电路的设计。

3.分析系统不同负载下的电流、电压波形及相控特性。

4.须针对电阻炉负载分析系统的过零控制特性。

5.需要绘制单相交流调压与调功电路的原理图。

3单相交流调压电路的设计

3.1单相交流调压电路主电路的设计

单相交流电压主电路的设计主要包括：

1.根据负载特性，选择相应型号的晶闸管。

2.根据相关理论分析、推导及计算，得到电路相关参数

3.1.1单相交流调压电路主电路原理图

图一单相交流调压主电路原理图

3.1.2电路各参数推导及计算

通过分析可知，当单相交流调压电路带电阻性负载时，可得以下参数表达式：

负载电压、电流平均值

公式

（1）

公式

（2）

负载电压、电流有效值

公式（3）

公式（4）

公式（5）

电路功率因数：

公式（6）

当电路带阻感性负载时，可以分析得负载电流相位应落后负载电压相位一个固定的阻抗角，其大小应为

且相当明显，当用晶闸管控制时，会使得负载电流更为滞后，即阻感性负载稳态时，晶闸管的移相范围为

。

且假设在晶闸管电流过零时开通一个晶闸管，则有负载电流应满足以下微分方程和初始条件

公式（7）

公式（8）

可以解得方程的解为：

公式（9）

利用边界条件，可以得到，当以

为参变量时，

与

的关系可以用一簇曲线来表示。

如下图所示：

由以上公式可以推得：

当单相交流调压电路带阻性负载时，若导通角为60°时，有负载平均电压为,负载平均电流为，负载有效电压值和有效电流值分别为，电路的功率因数为；同理可得，当导通角为90°时，相应的负载参数值分别为：

电路的功率因数为

当单相交流调压电路带阻感性负载时，可以定性分析得，负载的平均电压值和平均电流值，负载的有效电压值和有效电流值都应有所减小。

3.1.3晶闸管型号的选择

根据理论分析可知，晶闸管的额定电压应是它承受的反向重复峰值电压的（2~3）倍，而晶闸管的额定电流应是其通态平均电流的（1.5~2）倍。

而晶闸管的通态平均电流的定义为：

元件在阻性负载情况下、工频正弦半波、导通角不小于170°，其结温稳定且不超过额定结温所允许的最大通态平均电流。

由上面推到的电路参数可知，所选的双向晶闸管的额定电压应大于440V；晶闸管的额定电流应大于（1.5~2）*396.14=792.28A；

公式（10）

所以，我在本次设计中，采用KS500-800A

它的型号是KS800A/500V，控制方式为双向极数，额定正向平均电流800（A），控制极触发电压500-1800（V），KS系列平板型双向晶闸管的额定工作电流800A额定工作电500V。

3.2单相交流调压触发电路的设计

本次设计中，我选用可控硅移相触发器KJ006，KJ006主要用于交流供电的双向可控硅或反并联可控硅线路的交流相位控制。

能由交流电网直接供电并无需外加同步信号、输出变压器和滞留工作电源，并且能直接与可控硅控制级直接耦合触发。

具有锯齿波线性好、移相范围宽、控制方式简单输出电流大等优点。

电参数如下：

电源电压：

a．外接直流电压+15V，允许波动±5％（±10％功能正常）。

b．自生直流电源电压：

+（12～15）V。

电源电流：

≤l2mA。

同步电压：

≥l0V（有效值）。

同步输人端允许最大同步电流：

6mA（有效值）。

移相范围：

≥l70°（同步电压220V，同步输入电阻51kΩ）。

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～2ms（通过改变脉宽阻容元件达到）。

b．脉冲幅度：

>13V（电源电压l5V时）。

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：

le≤l00ⅣA）。

正负半周脉冲相位不均衡度：

≤±3°。

可控硅检测端最大输入电流：

6mA（有效值）。

3.1.2单相交流调压电路触发电路原理图

图二单相交流调压触发电路原理图

电路工作原理：

KJ006是由同步检波、锯齿波形成电路、电流综合比较放大电路、功率放大电路和失交保护电路等部分组成。

外电路接线图如图二锯齿波斜率决定于R7，RP1和C1的数值，由R5、C2的数值决定，再经过功率放大由9脚输出，能够得到200mA的输出负载能力。

从2脚也可以输出失交脉冲，将2脚与12脚相连，具有失交保护功能。

对不同的电网电压，KJ006电路的同步限流电阻R1的选择按下式计算：

=73333~110000。

3.3单相交流调压电路阻性负载下的电流、电压波形和相控特性

3.3.1单相交流调压电路的matlab仿真原理图

图三单相调压电路MATLAB仿真图

3.3.2导通角为60°

AB

图四导通角为60°时示波器波形图

60°

3.3.3导通角为90°

AB

图五导通角为90°时示波器波形图

3.3.4仿真结果分析和总结

图四，图五是单相交流调压电路分别在导通角为60°和90°情况时示波器的波形。

图像中第一个是输入电网电压波形；第二个是其中一个晶闸管的触发脉冲波形，脉冲是幅值为12V，占空比为10%的方波；第三个是负载电压的波形；第四个是负载电流的波形；第五个是第二个晶闸管的触发脉动波形。

由图像可以很清楚的看到，当负载为阻感性时，负载电流的相位滞后负载电压一个固定的角度，通过计算应该可得这个角度即是阻感角11.31。

而且通过相同触发角、不同性质负载下负载电流波形可以看出，电感对电流有抗拒作用。

但是负载电压波形与理论分析不一致，这是因为理论分析时，是假设负载电感值为无穷大的，但是实际电路中，电感值为

2mH.。

而且可以从不同触发角下负载电压波形可以分析出，当导通角越大时，负载电压波形畸变越严重，平均值越小，这与电路参数分析得到的结论一致。

4单相交流调功电路的设计

4.1单相交流调功电路的主电路设计

单相交流调功电路和单相交流调压电路形式完全相同，只是控制方式不同。

交流调功电路不是在每个交流电源周期都对输出电压波形进行调制，而是将负载与交流电源接通几个整周期，然后再断开几个整周期，通过改变接通周期数和断开周期数的比值来控制负载所消耗的平均功率。

可知，交流调功电路适合控制时间常数大（电炉）这样的负载。

4.1.1单相交流调功电路主电路原理图

图六交流调功主电路原理图

4.1.2晶闸管的选型

经过分析可知，单相交流调功电路所用的晶闸管可以采用与单相交流调压电路所用的晶闸管一样的型号。

可以完全满足单相交流调功电路的设计要求。

4.1.3电路各参数推导及计算

4.2单相交流调功电路的触发电路的设计

单相交流调功电路的触发电路选择使用可控硅过零触发器KJ007。

可控硅过零触发器KJ007能使双向可控硅的开关过程在电源电压为零或者电流为零的瞬间进行触发。

这样，负载的瞬态浪涌电流和射频干扰最小，可控硅的使用寿命就可以提高。

电路内部有自生直流稳压电源，可以直接接交流电网电压使用。

该电路具有零电压触发、零电流触发、输出电流大等特点。

电参数如下：

电源电压：

a．外接直流电压+（12～16）V。

b．自生直流电源电压：

+（12～l4）V。

电源电流：

≤l2mA。

零检测输入端最大峰值电流：

8mA。

输出脉冲：

a．脉冲幅度：

>13V。

b．最大输出能力：

50mA（脉冲宽度400μs以内），可扩展。

C．输出反压：

BVceo≥18V（测试条件：

Ie≤l00μA）。

输入控制电压灵敏度：

l00mV、300mV、500mV。

零电流检测输出幅度：

≥8V。

使用环境温度为四级：

C：

0～70℃R：

-55～85℃E：

-40～85℃M：

-55～125℃KJ007采用双列直插l4脚封装。

4.2.1单相交流调功电路触发电路原理图

KJ007工作原理：

KJ007是KJ006的一种特例，该电路或者是零电流触发、或者是零电压触发，且只能是其中之一。

零电压触发应用中，同步电压通过R2加到1脚和14脚之间，内部电路进行过零检测。

内部电路的差分比较端（4脚）接基准电压。

当来自于2脚的电压小于基准电压时，5脚再同步电压过零时触发脉冲。

当2脚电压大于基准电压时，5脚没有触发脉冲输出。

图七交流调功电路触发电路原理图

4.3单相交流调功电路的过零控制特性分析

图5-8为过零触发单相交流调功电路。

交流电源电压u以及V1和V2的触发脉冲ug1、ug2的波形分别如图5-9所示。

由于各晶闸管都是在电压u过零时加触发脉冲的，因此就有电压uo输出。

如果不触发V1和V2，则输出电压uo＝0。

由于是电阻性负载，因此当交流电源电压过零时，原来导通的晶闸管因其电流下降到维持电流以下而自行关断，这样使负载得到完整的正弦波电压和电流。

由于晶闸管是在电源电压过零的瞬时被触发导通的，这就可以保证大大减小瞬态负载浪涌电流和触发导通时的电流变化率di/dt，从而使晶闸管由于di/dt过大而失效或换相失败的几率大大减少。

5晶闸管保护电路的设计

5.1晶闸管过电压保护电路的设计

正常工作时，晶闸管承受的最大峰值电压为

，超过此峰值电压的就算过电压。

在整流装置中，任何偶然出现的过电压均不应超过元件的不重复峰值电压

，而任何周期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压

。

这两种过电压都是经常发生和不可避免的。

因此，在变流过程中，必须采用各种有效保护措施，以抑制各种暂态过电压，保护晶闸管元件不受损坏。

抑制暂态过电压的方法一般有三种：

①用电阻消耗过电压的能量；②用非线性元件限制过电压的幅值；③用储能元件吸收过电压的能量。

若以过电压保护装设的部位来分，有交流保护，直流保护，直流侧保护和元器件保护3种。

一、交流侧过电压保护

交流侧过电压一般都是外因过电压，在抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的。

通常是在变压器次级（元件侧）并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转化为电容器的电场能而储存起来。

串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的振荡。

当整流器容量较大时，RC电路也可以接在变压器电源侧。

其电路图如图八所示。

图八晶闸管过电压保护电路原理图

5.2晶闸管过电流保护电路的设计

变流装置发生过电流的原因归纳起来有如下几个方面：

（1）外部短路：

如直流输出端发生短路。

（2）内部短路：

如整流桥主臂中某一元件被击穿而发生的短路。

（3）可逆系统中产生换流失败和环流过大。

（4）生产机械发生过载或堵转等。

晶闸管元件承受过电流的能力也很低，若过电流数值较大而切断电路的时间又稍长，则晶闸管元件因热容量小就会产生热击穿而损坏。

因此必须设置过流保护，其目的在于一旦变流电路出现过电流，就把它限制在元件允许的范围内，在晶闸管被损坏前就迅速切断过电流，并断开桥臂中的故障元件，以保护其它元件。

晶闸管变流装置可能采用的过流保护措施有：

①交流断路器；②进线电抗器；③灵敏过电流继电器；④断路器；⑤电流反馈控制电路；⑥直流快速开关；⑦快速熔断器。

可按实际需要选择其中一种或数种。

本设计采用的晶闸管过电流保护措施是快速熔断器保护方法，其额定电流一般取晶闸管平均电流的1.5~2倍。

图九晶闸管过电流保护电路

6电路原理图

6.1单相交流调压电路原理图

图十交流调压电路原理图

6.2单相交流调功电路原理图

图十一交流调功电路原理图

总结

电力电子技术的应用范围十分广泛。

它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力通信、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等加用电气及其他领域中也有着广泛的应用。

通过本次课程设计，我了解到了交流调压电路在实际社会生活中的一般应用电路和应用方法，也比较深刻的认识了交流调压电路与交流调功电路控制方式和所驱动负载特性的不同。

通过这次课程设计，我充分锻炼了自己的能力，包括查阅资料的能力，设计能力，与同学相互探讨的能力，也学会了怎样使用MATLAB来仿真电力电子相关期间和电路。

参考文献

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清华大学出版，2006