单相交流调压电路 王宇谢辉.docx

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单相交流调压电路王宇谢辉

单相交流调压电路王宇,谢辉

南京工程学院

课程设计说明书

题目单相交流调压电路仿真课程名称电力电子技术课程设计

院（系、部、中心）康尼学院

专业

班级K电气111

学生姓名谢辉

学号240112033

设计时间2013.12.16~2013.12.27

设计地点工程实践中心8—321

指导教师陈刚

2013年12月南京

课程设计说明书

题目单相交流调压电路仿真课程名称电力电子技术课程设计

院（系、部、中心）康尼学院

专业K电气

班级K电气111

学生姓名王宇

学号240112031

设计时间2013.12.16~2013.12.27

设计地点工程实践中心8—321

指导教师

2013年12月南京

单相交流调压电路仿真的设计

一、课程设计目的

单相交流调压电路广泛应用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软启动，也用于异步电动机的调速。

学会用MATLAB对单相交流电路进行仿真，有助于我们学好AC——AC变换电路的相关知识，也为之后的三相交流调压电路的学习打下基础。

二、仿真对象

单相交流调压电路

三、工作原理

1、单相交流调压电路工作原理

1、图

（1）为纯电阻负载的单相调压电路。

图中晶闸管VT1和VT2反并联连接与负载电阻R串联接到交流电源U2上。

当电源电压正半周开始时出发VT1，负半周开始时触发VT2，形同一

个无触点开关，允许频繁操作，因为无电弧，寿命特长。

在交流电源的正半周?

t?

?

时，触发导通VT1，导通角为?

1=?

?

?

；在负半周?

t?

?

+?

时，触发导通VT2，导通角为?

2=?

?

?

。

负载端电压U为下图所示斜线波形。

这时负载电压U为正弦波的一部分，宽度为（?

?

?

），若正负半周以同样的移相角?

触发VT1和VT2，则负载电压U的宽度会发生变化，那么负载电压有效值也将随?

角而改变，从而实现交流调压。

课程设计

图

（1）单相交流调压纯电阻负载原理图及波形图

2、单相交流调压电路（阻-感性负载）电路图如图2所示。

它用两只反并联的普通晶闸管或一只双向晶闸管与负载电阻R电感L串联组成主电路。

图2.单相交流调压电路（阻-感性负载）电路图

当电源电压U2在正半周时，晶闸管VT1承受正向电压，但是没有触发脉冲晶闸管VT1没有导通，在α时刻来了一个触发脉冲，晶闸管VT1导通，晶闸管VT2在电源电压是正半周时承受反向电压截止，当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能马上为零，随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感储存的能量释放完毕，电流到零，晶闸管VT1关断。

当电源电压U2在负半周时，晶闸管VT2承受正向电压，但是没有触发脉冲晶闸管VT2没有导通，在π+α时刻来了一个触发脉冲，晶闸管VT2导通，晶闸管VT1在电源电压是负半周时承受反向电压截止，当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能马上为零，随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感储存的能量释放完毕，电流到零，晶闸管VT2关断。

四、主电路设计说明

1纯电阻负载参数选定

设输入电源Ui为110V，频率为50HZ,负载电阻R取10欧.

由Uvtmax=2Ui=155.6V，考虑2到3倍的裕量,为311到466V

Ivtmax=2=7.8A考虑1.5到2倍的裕量,为11到15A

课程设计

根据Uvtmax和Ivtmax我们初步选择了philips公司的BT138-600和ST-意法半导体公司的BTA12-600CW的双向晶闸管，考虑到这俩个芯片虽然度可以打到性能要求，但是BTA12-600CW经济性和性价比比BT138-600更合理些，所以我们就选择BTA12-600CW，参考价格0.6元/个。

2、阻感性负载参数设定

设输入电源Ui为110V，频率为50HZ,负载电阻R取10欧，L取20mh,

由φ=arctan?

32.13?

当α=φ=32.13°时，sin（α+θ-φ）=0即θ=180°

由Uvtmax=2Ui=155.6V，考虑2到3倍的裕量,为311到466VIvtmax=UZ2π?

sin?

cos（2?

?

?

?

?

=6.59A考虑2到3倍的裕量，为10A到13A?

根据Uvtmax和Ivtmax我们初步选择了意大利意法半导体公司的BTA10-600BW和深圳市金盛源电子公司的S4015L，在性能差不多的情况下，由于BTA10-600BW的芯片性能好，价格也比较有优势，所以选择了BTA10-600BW，参考价格为1.3元/个.

3、主电路仿真电路如下

仿真结果

1）纯电阻（为了使图像更加直观在仿真时，主电路中电压取220V，电阻0.5欧）

课程设计

α=0度时，单相交流调压电路的仿真波形

?

=60度时，单相交流调压电路的仿真波形

课程设计

?

=90度时，单相交流调压电路的仿真波形

?

=150度时，单相交流调压电路的仿真波形

上面图给出了?

分别为0度、60度、90度、150度时单相交流调压电路的纯电阻负载的电压和电流的仿真波形。

当晶闸管触发控制角?

=0时，U=U2，负载两端的电压U和流过其电流IRL的波形均为正弦

波。

当?

>0时，U、IRL的波形为非正弦波，控制角?

从0~180度范围改变时，输出电压有效值

课程设计

U从U2下降到0，控制角?

对输出电压U的移相可控区域是0---180度。

把?

角等于0度、60

度，90度、150度分别代入下式U?

?

?

?

2Usin?

t?

d?

?

t?

?

U?

22i2?

sin2?

?

?

可分别求得U=Ui，0.9Ui,0.71Ui,0.671Ui

观察图（3）-----图（8）的仿真波形，可得到随着?

角增大，负载两端电压U的波形的曲线部分的宽度越来越窄，则其有效值将不断减小。

由此可知，理论分析与仿真结果是一致的。

2、阻感性（为了使图像更加直观在仿真时，主电路中电压取

220V，电感2mH，电阻0.5欧）

α=0度，单相交流调压电路的仿真波形

课程设计

?

=60度时，单相交流调压电路的仿真波形

?

=90度时，单相交流调压电路的仿真波形

课程设计

?

=150度时，单相交流调压电路的仿真波形

单相交流调压电路用两只反并联的普通晶闸管或一只双向晶闸管与负载电阻R电感L串联组成主电路，因为比电阻性负载多了一个电感，在感应电动势的作用下，输出的电压都延迟了一段。

课程设计

五、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。

广义上讲，晶闸管触发电路往往还包括对其触发

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

主电路的

电气隔离。

根据

单相交流

调压触发

电路原理

图

以上

要求分析，采用KC05移相触发器进行触发电路的设计。

KCO5可控硅移相触发器适用于双向可控硅或两只反向并联可控硅的交流相位控制。

KC05引脚图如上图所示：

课程设计

KC05触发芯片具有锯齿波形好，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单相交流调压触发电路原理图如图所示。

六、保护电路

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。

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应过电压两类。

外应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：

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。

2）雷击过电压：

由雷击引起的过电压。

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：

1）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。

2）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，过电压保护电路如图5所示。

课程设计

图5RC阻容过电压保护电路图

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。

采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。

6过电流保护

电路图

过电流保

护电路如图6

所示，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。

电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

课程设计

七、设计小结与体会

在这次电力电子技术课程设计，我们在陈老师的指导下学习了如何用MATLAB软件对单相交流调压电路进行仿真，通过在软件上的模拟测试进一步验证了所学的先关理论知识。

同时，这次课程设计也为我们以后的学习打下基础。

通过电力电子技术课程设计，我们对课本专业知识的理解更加深刻了，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，我们真正做到了自己查阅资料、完成一个基本电力电子电路的仿真。

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、保护