单相交流调压电路纯电阻负载.docx

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单相交流调压电路纯电阻负载

辽宁工程技术大学

《电力电子技术》课程设计

设计题目：

单相交流调压电路纯电阻负载

院（系、部）：

电气与控制工程学院

专业班级：

姓名：

学号：

指导教师：

日期：

电气工程系课程设计标准评分模板

课程设计成绩评定表

学期

2014/2015第1学期

姓名

专业

班级

课程名称

电力电子技术

设计题目

单相交流调压电路纯电阻负载

成绩

评分项目

优

良

中

及格

不及格

设计表现

1.设计态度

非常认真

认真

较认真

一般

不认真

2.设计纪律

严格遵守

遵守

基本遵守

少量违反

严重违反

3.独立工作能力

强

较强

能独立设计完成

基本独立设计完成

不能独立设计完成

4.上交设计时间

提早或按时

按时

迟交半天

迟交一天

迟交一天以上

设计说明书

5.设计内容

设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确

设计思路清晰，结构方案合理，设计参数选择正确，条理清楚，内容较完整，极少量错误

设计思路较清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有少量错误

设计思路基本清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有些错误

设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有明显错误

6.设计书写、字体、排版

规范、整洁、有条理，排版很好

较规范、整洁、有条理，个别排版有问题

基本规范、整洁、有条理，个别排版有问题

基本规范、整洁、有条理，排版有问题较多

不规范、不整洁、无条理，排版有问题很大

7.封面、目录、参考文献

完整

较完整

基本完整

缺项较多

不完整

图纸

8.绘图效果

很出色

较出色

一般

较差

很差

9.布局

合理、美观

较合理

基本合理

有些混乱

布局混乱

10.绘图工程标准

符合标准

较符合标准

基本符合标准

个别不符合标准

完全不符合标准

评定说明：

不及格标准：

设计内容一项否决制，即5为不及格，整个设计不及格，其他4项否决；

优、良、中、及格标准：

以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级；如优秀评定，设计内容要符合5，其余九项要有4项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。

最终成绩：

评定教师签字：

课程设计任务书

一、设计题目

单相交流调压电路纯电阻负载

二、设计任务

1、选定设计方案。

2、完成单元电路的设计和主要元件的说明。

3、完成电路原理的分析，各主要元器件的选择。

4、驱动电路的设计

三、设计计划

课程设计共一周内完成。

第1天：

选题、找相关书籍阅读

第2天：

确定设计方案

第3天：

电路原理设计

第4天：

查找相关保护措施

第5天：

设计说明书、编辑输出。

四、设计要求

1、负载要求：

负载为阻性负载，R=100欧姆。

2、技术要求：

（1）电源电压：

交流100V/50HZ

（2）输出功率：

500W

（3）移相范围：

0°~180°

指导教师：

教研室主任：

时间：

2014年9月6日

摘要

电力电子线路的基本形式之一，即交流—交流变换电路，它是将一种形式的交流电能变换成另一种形式交流电能电路。

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。

用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便的调节输出电压有效值。

可用于电炉温控、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常用这种方法。

采用这种方法，可使变压器二次侧的整流装置避免采用晶闸管，只需要二极管，而且可控级仅在一侧，从而简化结构，降低成本。

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。

交流调压电路可以分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。

本设计采用全控型器件的斩控式交流调压电路，着重介绍纯阻性单相交流调压电路的设计。

关键词：

晶闸管；有效值；交流电压控制电路；正弦波；阻性；

1设计方案及其选择…………………………………………………………1

2单相交流调压电路的设计…………………………………………………2

2.1主电路的设计………………………………………………………2

2.2控制电路的设计……………………………………………………3

2.2.1触发信号的种类………………………………………………3

2.2.2触发电路的设计………………………………………………4

3保护电路…………………………………………………………………6

3.1过电压的产生及过电压保护………………………………………6.

3.2过电流的保护………………………………………………………6

4单相交流调压电路参数设定与计算………………………………………8

5总结…………………………………………………………………………9

6体会…………………………………………………………………………10

参考文献………………………………………………………………………11

1设计方案及选择

由于题目要求输出电压范围为0～100V，所以方案可选电阻性负载或阻感性负载。

本电路采用单相交流调压器带阻性负载时的电路图如图1所示，在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管VT1，VT2相连。

2单相交流调压电路的设计

2.1主电路的设计

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电阻负载单相交流调压电路

αα

图2-2单相交流电压电路波形

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。

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

的大小，不但与控制角

有关，而且与负载阻抗角

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。

2.2控制电路的设计

2.2.1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

=

时，晶闸管导通。

是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变

值，可改变触发延迟角

。

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

值来调节，调节的变化范围较小（00≤

≤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。

2.2.2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。

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2-3所示：

图2-3KC05引脚图

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2-4所示：

图2-4单相交流调压触发电路原理图

3保护电路设计

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。

3.1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3-1所示。

图3-1RC阻容过电压保护电路图

3.2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。

图3-2过电流保护电路图

过电流保护电路如图3-2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。

4单相交流调压电路参数设定与计算

1）单相交流调压变流器参数设定：

要求触发角

为45度，输入交流U2=210V。

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

的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的触发延迟角

进行控制就可以调节输出电压。

正负半周

起始时刻（

=0）均为电压过零时刻。

在稳态情况下，应使正负半周的

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R=100欧姆。

设上述电路在开通角

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

。

根据公式计算得出如下结果：

=201.87V

（1）

=2.02A

（2）

IVT=

1.43A（3）

=0.961（4）

5结论

通过设计可以总结出，

的移相范围为0≤

≤π。

=0时，相当于晶闸管一直导通，输出电压为最大值，

=

。

随着

的增大，

逐渐减小。

知道

=π时，

=0。

此外，

=0时，功率因数

=1，随着

的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，也逐渐降低。

6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，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。

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、完成一个基本汇编程序的设计。

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。

当然，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。

参考文献

[1]王云亮.电力电子技术.北京：

电子工业出版社，2004

[2]赵良炳.现代电力电子技术基础.北京：

清华大学出版社，1999

[3]黄俊,王兆安.电力电子变流技术.北京：

机械工业出版社，2001

[4]王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：

机械工业出版社，2000.

[5]周克宁.电力电子技术.北京：

机械工业出版社，2004