电力电子.docx
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电力电子
中北大学
课程设计说明书
学生姓名：
学号
学院：
信息与通信工程学院
专业：
自动化
题目：
单相晶闸管交流调压电路（反并联）设计
单相晶闸管交流调压电路（混合反并联）设计
指导教师：
职称:
讲师
2011年12月31日
中北大学
课程设计任务书
11/12学年第一学期
学院：
信息与通信工程学院
专业：
自动化
学生姓名：
学号：
课程设计题目：
单相晶闸管交流调压电路（反并联）设计
单相晶闸管交流调压电路（混合反并联）设计
起迄日期：
12月25日～12月31日
课程设计地点：
电气工程系实验中心
指导教师：
系主任：
王忠庆
下达任务书日期:
2011年12月25日
课程设计任务书
1．设计目的：
1）培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。
2）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
3）培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
4）提高学生课程设计报告撰写水平。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
设计内容：
1、设计一个单相晶闸管交流调压电路（反并联）（纯电阻负载）
设计要求：
1）电源电压：
交流100V/50Hz；
2）输出功率：
500W；
3）移相范围：
0°～180°。
2、设计一个单相晶闸管交流调压电路（混合反并联）（纯电阻负载）
设计要求：
1）电源电压：
交流100V/50Hz；
2）输出功率：
500W；
3）移相范围：
0°～180°。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计说明书、图纸、实物样品等〕：
设计工作任务及工作量的要求：
1）根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路和触发电路；
2）用Multisim等软件制作主电路和控制电路原理图；
3）撰写课程设计报告——画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理，完成元器件参数计算，元器件选型，说明控制电路的工作原理，用Multisim或EWB等软件绘出主电路典型的输出波形（比较实际波形与理论波形），绘出触发信号（驱动信号）波形，说明设计过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料。
课程设计任务书
4．主要参考文献：
1、樊立萍，王忠庆.电力电子技术.北京:
北京大学出版社,2006
2、徐以荣，冷增祥.电力电子技术基础.南京：
东南大学出版社，1999
3、王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：
机械工业出版社,2005
4、童诗白.模拟电子技术.北京:
清华大学出版社,2001
5、阎石.数字电子技术.北京:
清华大学出版社,1998
6、邱关源.电路.北京：
高等教育出版社，1999
5．设计成果形式及要求：
1）撰写课程设计报告；
2）用PROTEL或其它软件画出主电路和触发电路原理图；
3）用EWB或其它软件绘出主电路典型波形，触发信号（驱动信号）波形。
6．工作计划及进度：
2011年12月25日~12月27日收集资料，计算所需参数并选定元器件；
12月28日~12月29日完成主电路、控制电路设计；绘出波形图；
12月30日~12月31日完成课程设计报告，下午答辩。
系主任审查意见：
签字：
2011年12月25日
前言
交流—交流变换电路是电力电子线路的基本形式之一，它是将一种形式的交流电能变换成另一种形式交流电能的电路。
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。
广泛应用于台灯和舞台灯光控制、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。
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。
目录
1单相交流调压电路设计任务及设计目的
1.1设计任务
1.2设计目的
2设计方案及其选择
3单相交流调压电路的设计
3.1主电路的设计
3.2控制电路的设计
4单相交流调压电路仿真结果及结果分析
4.1仿真结果
4.2结果分析
5单相交流调压电路设计总结及设计体会
参考文献
心得
1单相交流调压电路设计任务及设计目的
1.1电路设计任务
1进行设计方案的比较，并选定设计方案。
2完成单元电路的设计和主要元器件的说明。
3完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择。
4触发电路的设计。
5电路的仿真。
1.2电路设计目的
1）培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。
2）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
3）培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
4）提高学生课程设计报告撰写水平。
2设计方案及选择
2.1设计内容：
1）、设计一个单相晶闸管交流调压电路（反并联）（纯电阻负载）设计要求：
1）电源电压：
交流100V/50Hz；
2）输出功率：
500W；
3）移相范围：
0°～180°。
2）、设计一个单相晶闸管交流调压电路（混合反并联）（纯电阻负载）设计要求：
1）电源电压：
交流100V/50Hz；
2）输出功率：
500W；
3）移相范围：
0°～180°。
2.2参数的计算
1）晶闸管元件额定电压为
U=
*100=141.4v,取2.5倍电压安全储备，并考虑晶闸管额定电压系列取400v
2）输出功率S=500W即输出有功功率PR=500W
当ɑ=00时，PR=500W代入下列公式
R=20Ώ
3）晶闸管元件额定电流IT，Kf=IVT/Id
当ɑ=00时，IVT=U1/√2R=3.54A
IT=3.54/1.57=2.25取两倍电流安全储备并考虑晶闸管元件额定电流系列取5A。
4）所以理论上选择kp5型号的晶闸管。
3单相交流调压电路的设计
3.1主电路的设计
1）单相晶闸管交流调压电路（反并联）（纯电阻负载）
所谓单相晶闸管交流调压电路（反并联）就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。
本次课程设计主要是研究单相交流调压电路的设计，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U2的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的移相控制角进行控制就可以调节输出电压。
下图为单相交流调压电路（反并联）（纯电阻负载）的波形图
正、负半周
起始时刻（
=0），均为电压过零时刻。
在
时，对VT1施加触发脉冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在
时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。
在
时，对VT2施加触发脉冲，当VT2正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在
时，电源电压过零，VT2自然关断。
2）单相晶闸管交流调压电路（混合反并联）（纯电阻负载）
所谓单相晶闸管交流调压电路（混合反并联）就是将一个晶闸管和一个二极管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管和二极管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。
本次课程设计主要是研究单相交流调压电路的设计，在交流电源U2的负半周对VT1移相控制角进行控制和正半周VD1导通就可以调节输出电压。
下图为单相交流调压电路（混合反并联）（纯电阻负载）的波形图
正、负半周
起始时刻（
=00），均为电压过零时刻。
在
时，，VD1正向偏置导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在
时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VD1自然关断。
在
时，对VT1施加触发脉冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在
时，电源电压过零，VT1自然关断。
3.2控制电路的设计
1）触发信号的种类
晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：
第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当正向电压、电流信号（触发信号）。
门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。
1直流信号：
在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通。
这种触发方式在实际中应用极少。
因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。
若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗；在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损坏。
2交流信号：
在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压uc=ut时，晶闸管导通。
ut是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变u。
值，可改变触发延迟角α。
这种触发形式也存在许多缺点，如：
在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定，可通过交流电压u。
值来调节，调节的变化范围较小（00≤α≤900）。
3脉冲信号：
在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。
因此，触发信号多采用脉冲形式。
2）触发电路设计
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。
根据以上要求分析，采用KC05移相触发器进行触发电路的设计。
KC05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驱动电路如图3所示：
4单相交流调压电路仿真结果及结果分析
4.1仿真结果
利用multisim软件组建单相交流调压电路的电路模型，下图为单相交流调压电路的模型图，图中触发脉冲v2和触发脉冲v3分别是反向并联晶闸管模块VT1，VT2的触发脉冲电路。
1）单相晶闸管交流调压电路（反并联）（纯电阻负载）
单相晶闸管交流调压电路（混合反并联）（纯电阻负载）
2）
=900单相交流调压电路（反并联）触发器v2参数图和电路波形
=900时单相晶闸管交流调压电路（反并联）V3触发器参数设置图
=900单相交流调压电路（混合反并联）V1触发器参数图和电路波形
3）
=00时单相晶闸管交流调压电路（反并联）电路波形图
=600时单相晶闸管交流调压电路（反并联）电路波形图
=1500时单相晶闸管交流调压电路（反并联）电路波形图
=1800时单相晶闸管交流调压电路（反并联）电路波形图
=00时单相晶闸管交流调压电路（混合反并联）电路波形图
=600时单相晶闸管交流调压电路（混合反并联）电路波形图
=1500时单相晶闸管交流调压电路（混合反并联）电路波形图
=1800时单相晶闸管交流调压电路（混合反并联）电路波形图
4.2结果分析
1）单相晶闸管交流调压电路（反并联）
分别为0度、60度，90度、150度和180度时单相交流调压电路的纯电阻负载的电压仿真波形。
当晶闸管触发控制角
=0时，U=U2，负载两端的电压U波形为正弦波。
当
>0，U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U从U1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度和180度分别代入下式
可求得
观察仿真波形，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。
理论分析与仿真结果是一致的，利用电力系统模块库中的电力电子器件组建单相交流调压纯电阻电路，并对电路进行相应的理论分析和仿真实验。
仿真实验结果表明，通过控制
角的大小，单相交流调压电路能够得到很好的调压结果。
2）单相晶闸管交流调压电路（混合反并联）
分别为0度、60度，90度、150度和180度时单相交流调压电路的纯电阻负载的电压仿真波形。
观察仿真波形，可得到随着
角增大，负载两端电压U的负半周波形的曲线部分的宽度越来越窄，则其有效值将不断减小。
理论分析与仿真结果是一致的，利用电力系统模块库中的电力电子器件组建单相交流调压纯电阻电路，并对电路进行相应的理论分析和仿真实验。
仿真实验结果表明，通过控制
角的大小，单相交流调压电路能够得到很好的调压结果。
5单相交流调压电路设计结论及设计体会
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、完成一个基本电路的设计。
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。
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。
单相晶闸管交流调压电路（反并联）阻感负载
参考文献
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M]第五版北京：
机械工业出版社，2011年
[1]WangZhaoan,LiuJinjun.PowerElectronics[M].FifthEditionBeijing:
ChinaMachinePress,2011
[2]吴晓燕，张双选.MATLAB在自动控制中的应用[M]西安：
西安电子科技大学出版社，2006
[2]WuXiaoyan,ZhangShuangxuan.MATLABApplication[M]Xian:
XianElectronicTechnologyUniversityPress,2006
通过这次课程设计，我才真正发现，如果自己不亲自去做的话，是不会体会到做课程设计需要花多少心血去找资料，去学习，去思考，去请教老师或者同学。
因为必须完成课程设计，所以必须在网上，在书上找相关的资料，在这些时间里，让我体会到了学习的充实的快乐，也让我在现实中把书本上的知识学习的更完善。
在这次设计中，使我了解了和学到了许多书本所没有的东西，扩充了自己的知识，开发了自己的思考能力。
感谢老师可以给我这样的机会去学习，去锻炼，希望以后的学习中，会有更多这样的机会。
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