单相交流调压电路设计.docx

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单相交流调压电路设计

1概述

电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

通常所用的电力有交流和直流两种，从公用电网直接得到的电力是交流，从蓄电池和干电池得到的电力是直流。

从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，需进行电力变换。

电力变换通常可分为四大类，即交流变直流（AC-DC）、直流变交流（DC-AC）、直流变直流（DC-DC）、交流边交流（AC-AC）。

交流变直流称为整流，直流变交流成为逆变，直流变直流称为斩波，交流变交流可以是电压或电力的变换，称作交流电力控制，是把一种形式的交流变成另一种形式的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。

把两个晶闸管反并联后串连在交流电路中，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的开通相位的控制，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侧电压。

在这些电源中如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；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。

这都是十分不合理的。

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可以了。

这样的电路体积小、成本低、易于制造。

2主电路设计及分析

所谓交流调压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。

交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软启动，也用于异步电动机调速。

此外，在高电压小电流或低电压大电流之流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。

本次课程设计主要是研究单相交流调压电路的设计。

由于交流调压电路的工作情况与负载的性质有很大的关系，因此下面就反电势电阻负载予以重点讨论。

图2-1、图2-2分别为反电势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。

图2-1反电势电阻负载单相交流调压电路图

图2-2输入输出电压及电流波形图

正、负半周

起始时刻（α=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。

当电源电压反向过零时，由于反电动势负载阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角θ的大小，不但与控制角α有关，而且与负载阻抗角φ有关。

两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点。

稳态时，正负半周的相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（电源电流）和负载电压的波形相似。

3触发电路设计

3.1触发电路的选择

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。

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引脚图如图3-1所示：

图3-1KC05引脚图

3.2触发电路工作原理

KC05触发芯片具有锯齿波线性好，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3-2所示：

图3-2单相交流调压触发电路原理图

3.3KC05引脚功能

表3-1KC05引脚功能表

功能

空

失交端

同步输出

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

4保护电路设计

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喝过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压会把器件损坏。

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，必须充分发挥期间应有的过载能力，因此，保护就成为提高电力电子装置可靠运行必不可少的环节。

4.1过电压保护

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，电容C的耐压值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10~30Ω。

过电压保护电路如图4-1所示。

图4-1RC阻容过电压保护电路图

4.2过电流保护

图4-2快熔过流保护电路图

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。

如图4-2。

.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器件变流元件制造了快速熔断器，简称快熔。

其熔断时间小于20ms，能保证晶闸管在损坏之前快熔切断短路故障，达到保护晶闸管的目的。

快熔的选择：

快熔定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；宽容额定电流IRN应按他所保护的原件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据原件型号上标出的额定电流来选择，一般应小于被保护晶闸管额定有效值的1.57倍。

5总体电路图

图5-1单相交流调压电路电路图

6参数设定与计算及主要元器件选择

6.1参数设定与计算

1）单相交流调压变流器参数设定：

要求触发角为45度，反电势负载E=40伏，输入交流U2=220伏。

分有LB和没有LB两种情况分析，L足够大，C足够大。

2）单相交流调压变流器电路分析：

在单相交流调压电路原理图中，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的开通角进行控制就可以调节输出电压。

正负半周起始时刻（α=0）均为电压过零时刻。

在稳态情况下应是正负半周的相等，可以看出，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流和负载电压的波形相同。

3）输出平均电压、电流及输出有功功率的计算

首先设定电阻值，分有LB和没有LB两种情况分析。

当没有漏感LB时，设上述电路在开通角为α时，负载电压的有效值为U0、负载电流有效值为I0、晶闸管电流有效值为IVT和电路功率因数为λ。

根据公式计算得出如下结果：

=201.87V（6-1）

=2.02A（6-2）

IVT=

1.43A（6-3）

=0.961（6-4）

当考虑漏感LB时，实际上变压器绕组总有漏感。

由于电感对电流变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因而换相过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间。

下面分析漏感LB在换相过程中对相关参数的影响。

换相过程中，输出电压瞬时值为

（6-5）

由此可知，在换相过程中，整流电压Ud为同时的两个晶闸管随对应的两个相电压的平均值。

与不考虑变压器漏感时相比，每次换相Ud减少了一块，导致Ud平均是减低，降低多少用

Ud表示，称为换相压降。

（6-6）

其中XB=wLB。

XB为漏感LB的变压器折算到二次项的漏电抗。

同时我们可以得到换相重叠角γ，通过下式可得到。

（6-7）

换相重叠角γ随其它参数变化的规律如下：

当Id越大时则

越大；当XB越大时

越大；当α≤90°时，α越小则γ越大。

漏感对电路影响结果分析如下：

（1）出现换相重叠角γ，整流输出电压平均值Ud降低。

（2）整流电路的工作状态增多

（3）晶闸管的di/dt减小，有利于晶闸管的安全开通。

有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。

（4）换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。

（5）换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。

6.2主要原器件选择

主电路晶闸管的选择

流过晶闸管的为：

IVT（AV）=1.43/1.57=0.91A（6-8）

加到晶闸管两端最大电压为：

UVT=

220V=311.08V（6-9）

根据晶闸管选择原理：

额定电压值是实际正常工作时最大电压的2~3倍，晶闸管额定电流是正常工作时流过晶闸管通态平均电流的1.5~2倍。

晶闸管的额定电压为：

Ue=（2~3）×311.05=800V（6-10）

晶闸管的额定电流为：

Ie=（1.5~2）×0.91=1.5A（6-11）

7设计总结

经过一周的电力电子技术课程设计，让我对电力电子技术这门课程有了更加深刻的了解，更全面的认识，让我了解到电力电子技术在生产生活中的重要应用，以及在未来科学技术的中的重要地位。

我这次课程设计的题目是《单相交流调压电路的设计》，在从书本上已学知识的基础上，通过查阅资料，经过整理、分析，完成了本次课程设计。

在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，使之导通，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，可以方便地调节输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。

单相交流调压的设计可分为四个部分：

交流调压主电路设计、触发电路设计、保护电路设计和相关参数计算及元件选择部分。

主电路：

把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，电路的工作情况和负载的性质有很大的关系，负载不同，输出电压、电流的波形及有效值都会有所差异。

触发电路：

触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通，晶闸管的触发脉冲一般为双窄脉冲，且有走狗的宽度和前沿陡度，应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

保护电路：

在电力电子电路中，除了电力电子器件的参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是必要的。