晶闸管单相交流调压调功电路课程设计.docx
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晶闸管单相交流调压调功电路课程设计
摘要
交流-交流变流电路，即把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。
在进行交流-交流变流时，可以改变相关的电压（电流）、频率和相数等。
交流-交流变流电路可以分为直接方式（无中间直流环节方式）和间接方式（有中间直流环节方式）两种。
而间接方式可以看做交流-直流变换电路和直流-交流变换电路的组合，故交-交变流主要指直接方式。
其中，只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电路，改变频率的电路称为变频电路。
采用相位控制的交流电力控制电路，即交流调压电路；采用通断控制的交流电力控制电路，即交流调功电路和交流无触点开关。
交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软启动也用于异步电动机调速。
在电力系统中，这种电路还常用于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。
在这些电源中如果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，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联，十分不合理。
采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压、电流值都比较适中，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。
这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。
其分为单相和三相交流调压电路，前者是后者基础，这里只讨论单相问题。
交流调功电路常用于电炉的温度控制，其直接调节对象是电路的平均输出功率。
像电炉温度这样的控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制，只要以周波数为单位进行控制就足够了。
通常控制晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零的时刻，这样，在交流电源接通期间，负载电压电源都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。
1调压调功工作原理介绍
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输出。
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。
交流调功电路和交流调压电路的电路形式完全相同，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通过触发延迟角α对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。
2交流调压电路波形及相控特性分析
2.1电阻性负载
2.1.1工作原理
图1为电阻负载单相交流调压电路图及其波形。
图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。
在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角α进行控制就可以调节输出电压。
正负半周α起始时刻（α=0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的α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（也即电源电流）和负载电压的波形相同，因此通过触发延迟角α的变化就可实现输出电压的控制。
图1电阻负载单相交流调压电路及其波形
2.1.2分析和计算
负载电压有效值：
故移相范围为0≤α≤π。
α=0时，输出电压为最大，U0=U1。
随着α的增大，U0降低，当α=π时，U0=0。
负载电流有效值：
晶闸管电流有效值：
功率因数：
α=0时,功率因数λ=1,α增大,输入电流滞后于电压且畸变,λ降低。
2.2阻感性负载
2.2.1工作原理
图2为带阻感负载的单相交流调压电路图及其波形。
设负载的阻抗角为φ=arctan（wL/R）。
如果用导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流应是正弦波，其相位滞后于电源电压u1的角度为φ。
在用晶闸管控制时，由于只能通过出发延迟角α推迟晶闸管的导通，所以晶闸管的触发脉冲应在电流过零点之后，使负载电流更为滞后，而无法使其超前。
为了方便，把α=0的时刻仍定义在电源电压过零的时刻，显然，阻感负载下稳态时α的移相范围为φ≤α≤π。
但α<φ时，电路并非不能工作，后面第三小节会分析此种情况。
图2阻感负载单相交流调压电路及其波形
2.2.2分析和计算
当在ωt=α时刻开通晶闸管VT1，负载电流应满足如下微分方程式和初始条件：
解方程得：
式中，
；θ为晶闸管导通角。
利用边界条件：
时
，可求得：
以φ为参变量，利用上式可以把α和θ的关系用图的一簇曲线来表示，如图3所示。
VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180°
负载电压有效值：
晶闸管电流有效值为：
图3以α为参变量的θ和α关系曲线
负载电流有效值：
设晶闸管电流
的标么值为：
则可绘出
和α的关系曲线，如图4所示。
图4单相交流调压电路φ为参变量时
和α的关系曲线
2.2.3α<φ的情况
如前图3所示，α越小，θ越大；α继续减小到α<φ时，触发VT1，则VT1的导通时间将超过π。
因为VT1提前导通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过π。
触发VT2时，i0尚未过零，VT1仍导通，VT2不通；i0过零后，VT2开通，VT2导通角小于π，过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωt=（α<φ）时合闸的过渡过程相同，i0由两个分量组成：
正弦稳态分量、指数衰减分量。
衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长，其稳态的工作情况和α=φ时完全相同。
α<φ时工作波形如图5所示。
图5α<φ时阻感负载交流调压电路工作波形
3方案设计
3.1主电路图的设计
3.1.1主电路图
电路为工频50HZ,220V交流电输入，负载为R＝0.5Ω，L＝2mH的阻感负载。
故主电路图如下图：
图6主电路图
3.1.2参数计算
此单相交流调压电路的负载阻抗角为：
由图4知，
一定时，
越小，
越大，即
越大。
当
时，
不变，为最大值0.5。
故可求出晶闸管电流有效值
的最大值：
晶闸管的额定电流为：
晶闸管承受的最大反向电压为：
所以考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：
因此，依据以上参数选择晶闸管，比如，可以选用额定电压为800V，额定电流为200A的晶闸管。
3.1.3调功电路图的设计
以上的设计都是以交流调压为基础。
交流调功电路与调压完全相同，只是本次设计条件中调功电路带电阻性负载R=4Ω。
故电路中应将阻感性负载改为电阻性负载。
参数计算时，调功电路是以周期为单位控制的。
故在晶闸管导通的周期内
=0。
又有Z=4Ω，
=0，此时
仍为0.5，故：
晶闸管的额定电流为：
而晶闸管承受的最大反向电压同调压电路相同，所以考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：
因此，依据以上参数选择晶闸管，比如，可以选用额定电压为800V，额定电流为40A的晶闸管。
3.2触发电路图的设计
3.2.1芯片简介
触发单元以前都是由分立元件构成的，它的控制精度查，可靠性低，不便于维修，因此，触发电路集成化非常必要。
可控硅移相触发器KJ004，与分立元件组成的触发电路相比，具有移相线性好、移相范围宽、温漂小、可靠性高、相位不均衡度小等优点。
KJ004芯片其内部原理图如下：
图7KJ004内部原理图
该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。
KJ004封装形式：
该电路采用双列直插C—16白瓷和黑瓷两种外壳封装，外型尺寸按电子工业部部颁标准。
《半导体集成电路外型尺寸》SJ1100—76
KJ004的管脚功能如表1所示。
图8KJ004封装引脚图
表1KJ004的各管脚功能
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
3.2.2触发电路图
由于交流调压调功电路中只用到两个晶闸管，而KJ004有两个输出口，故用一片KJ004即可。
由KJ004的典型连接图画得此次触发电路如下图。
图9触发单元接线图
其中，同步串联电阻R4的选择按下式计算：
这里R4选用15KΩ。
电路原理：
锯齿波的斜率决定于外接R6、RW1流出的充电电流和积分C1的数值。
对不同的移项控制V1，只有改变R1、R2的比例，调节相应的偏移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范围。
触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。
R8和C2形成微分电路，改变R8和C2的值，可获得不同的脉宽输出。
KJ004的同步电压为任意值。
3.3保护电路图的设计
3.3.1工作原理
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，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。
1）过电压的产生及过电压保护：
电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。
外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：
操作过电压、雷击过电压；内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：
换相过电压、关断过电压。
过压保护的基本原则是：
根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的附加电路，当达到—定过压值时，自动开通附加电路，使过压通过附加电路形成通路，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。
保护电路形式很多。
这里主要考虑晶闸管在实际应用中一般会承受的换相过电压，故可用阻容保护电路来实现保护。
当电路中出现电压尖峰时，电容两端电压不能突发的特性，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图10阻容保护电路
能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。
阻容保护电路如图10所示。
2）过电流的产生及过电流保护：
引起过流的原因：
当电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、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，均可引起变换器内元件的电流超过正常工作电流，即出现过流。
由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此，必须对变换器进行适当的过流保护。
常见的过电流保护电路有如下一些形式。
图11过电流各种保护措施及配置位置
变换器的过流一般主要分为两类：
过载过流和短路过流。
在晶闸管变换器中，快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。
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。
3.3.2参数计算
1）阻容保护电路参数：
RC阻容保护电路参数根据经验值来选择。
电容C的选择为：
电阻一般取40Ω。
2）快速熔断器的选用原则：
和普通熔断器一样要考虑快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值，熔
断器（安装熔体的外壳）的额定电流应大于或等于熔体额定电流值。
此外，快速熔断器熔体的额定电流
是指电流有效值，而晶闸管额定电流是指通态电流平均值
，其有效值为1.57
。
故选用时要求：
式中：
—晶闸管通态电流平均值，
—快速熔断器的熔体额定电流。
算得1.57
。
所以选取额定电流大于等于194.4A的快速熔断器。
3.3.3保护电路图
将快速熔断器和RC阻容保护电路放入电路中：
图12保护电路图
4电阻炉负载过零控制特性分析
当负载为电阻炉的时候，由于电炉的温度是控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每一个周期进行频繁的调制，只要以周波数为单位进行控制就足够了。
通常控制晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零的时刻，即过零调功控制。
这样，在交流电源接通期间，负载电源电压都是正弦波，因此不对电网电压电流造成通常意义上的谐波污染,不会产生各种高次谐波污染电网。
原理分析：
令控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后M—N个周期关断。
当M=3、N=2时的电路波形如图13所示。
负载电压和负载电流（也即电源电流）的重复周期为M倍电源周期。
图13交流调功电路典型波形（M=3、M=2）
在负载为电阻时，负载电流波形和负载电压波形相同。
以控制周期为基准，对图13的波形进行傅里叶分析，可以得到图14所示电流频谱图。
图中In为n次谐波有效值，Ion为导通时电路电流幅值。
从图14的电流频谱图可以看出，如果以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。
图14交流调功电路的电流频谱图（M=3、N=2）
5MATLAB仿真
由于proteus中不包含KJ004此元器件，故采用其它方法仿真。
用MATLAB中的Simulink，不涉及具体的元器件型号的选用，仿真简单。
现用Simulink仿真单相交流调压电路。
交流电源、两个晶闸管反向并联、阻感性负载即构成了主电路，再给两个晶闸管分别提供触发脉冲。
为了观察波形，在电源两端、负载两端加上电压表，主电路中接入电流表，再将各表的输出导入示波器，同时还要观察两个触发脉冲的波形。
仿真连线图如下：
图15MATLAB仿真连线图
仿真前，要设定好元器件的参数。
将题目条件中交流调压电路阻感负载的阻抗代入，交流电源的频率设为50HZ，触发脉冲的频率要和电源一样，故设其周期为0.02s，幅值设为12，脉冲宽度设为5％，这里设触发时间一个为0.005s，一个为0.015s，即触发角α为90°。
其仿真波形如图16所示。
根据示波器输入端口的顺序，波形图分别表示：
电源电压、负载电压、负载电流、正相触发脉冲、负相触发脉冲。
图16MATLAB仿真波形图
6.个人体会
此次课程设计的题目是晶闸管单相交流调压、调功电路，电路图比较简单，但必须弄清楚其原理及相互间的区别及联系。
做了课设后，对交流调压和调功电路的了解更加深入，以前没有细究的问题都逐一查资料解决。
特别是对调压电路中α的变化对波形的影响首次清楚认识，并且知道了不同负载对调压电路的影响，即α、θ、φ之间的变化关系，以及不同φ时，标幺值
与α之间的关系。
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，但是要应用它还需加上很多外围电路。
最后通过查阅各种资料完成了设计，同时也对触发电路有了更多的了解。
在画电路图时，proteus里没有KJ004这个元器件，故还需要自己画一个芯片、封装来应用，不过不能用其来进行仿真。
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。
平时设计对这些保护电路都没有怎么考虑，这次课程设计让我对各种保护电路也有了个了解和学会选择。
此次仿真让我对MATLAB的simulink仿真有了进一步的了解,对元器件的作用和选择，构成电路的大致步骤都加深了印象。
仿真时出了一些问题，通过不断地努力都解决了。
同时发现MATLAB的功能真是十分强大，仿真方式和普通仿真软件有较大差别，各有好处，在以后的设计中可以互补使用。
参考文献
[1]《电力电子技术》王兆安，刘进军主编。
第5版，机械工业出版社，2009.5
[2]《电力电子技术》王云亮主编。
第2版，电子工业出版社，2009.8
[3]《常用晶闸管触发器集成电路及应用》李宏编著。
科学出版社，2011.1
[4]《现代电力电子技术基础》赵良炳主编。
清华大学出版社，1999
[5]《MATLAB/SIMULINK实用教程》张化光主编。
人民邮电出版社，2009.3
ps：
交流调压电路整体电路图
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