單相交流調(diào)壓調(diào)功課程設(shè)計

1、<p>　　題目： 單相交流調(diào)壓調(diào)功課程設(shè)計</p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p><b>　　一、設(shè)計題目</b></p><p>　　單相交流調(diào)壓調(diào)功課程設(shè)計</p><p><b>　　二、設(shè)計任務(wù)</b></p>&

2、lt;p>　　1分析單相交流調(diào)壓調(diào)功的原理</p><p>　　2 交流調(diào)壓電路波形分析</p><p><b>　　3 設(shè)計方案</b></p><p><b>　　4 分析結(jié)果</b></p><p><b>　　三、設(shè)計計劃</b></p><p

3、>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計共1周。</p><p>　　第1天：選題，查資料；</p><p>　　第2天：方案分析比較，確定設(shè)計方案；</p><p>　　第3～4天：電路原理設(shè)計與電路仿真；</p><p>　　第5天：編寫整理設(shè)計報告書。</p><p><b>　　四、設(shè)計要求</b>

4、;</p><p>　　1. 畫出整體電路圖。</p><p>　　2. 對所設(shè)計的電路全部或部分進行仿真，使之達到設(shè)計任務(wù)要求。</p><p>　　3. 寫出符合設(shè)計格式要求的設(shè)計報告書。</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過

5、晶閘管的控制就可以控制交流電力。這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電力控制電路。交流調(diào)壓電路廣泛應(yīng)用于燈光控制及異步電動機軟啟動，也用于異步電動機調(diào)速。</p><p>　　交流調(diào)功電路和交流調(diào)壓電路的形式完全相同，只是控制方式不同，交流調(diào)功電路不是在每個交流電源周期都是通過觸發(fā)延遲角α對輸出的電壓波形進行控制的，而是將負載與交流電源接通幾個整周波，在斷開幾個整周波，通過改變接通周波數(shù)和斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負

6、載所消耗的平均功率。</p><p>　　交流調(diào)功電路通常用于電爐的溫度控制，因其直接調(diào)節(jié)對象就是電路的平均輸出功率，所以稱為交流調(diào)功電路。本設(shè)計主要是研究單相交流調(diào)壓調(diào)功電路。</p><p>　　關(guān)鍵詞：反并聯(lián)；電力控制；觸發(fā)角；</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言

7、1</b></p><p>　　第一章 調(diào)壓調(diào)功原理簡介2</p><p>　　第二章 交流調(diào)壓電路波形及相控特性分析3</p><p>　　2.1 帶電阻性負載3</p><p>　　2.1.1 原理3</p><p>　　2.1.2 計算與分析3</p><p>　　2

8、.2 帶阻感性負載4</p><p>　　2.2.1 原理分析4</p><p>　　2.2.2 計算與分析4</p><p>　　2.2.3 α<φ的情況5</p><p>　　第三章 方案設(shè)計7</p><p>　　3.1 主電路的設(shè)計7</p><p>　　3.1.1 主

9、電路圖7</p><p>　　3.1.2 參數(shù)計算7</p><p>　　3.1.3 調(diào)功電路的設(shè)計8</p><p>　　3.2 觸發(fā)電路的選擇8</p><p>　　3.2.1 選擇8</p><p>　　3.2.2 觸發(fā)電路封裝形式9</p><p>　　3.3 保護電路的設(shè)計

10、9</p><p>　　3.3.1 原理9</p><p>　　3.3.2 計算10</p><p>　　第四章 個人總結(jié)11</p><p><b>　　參考文獻12</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　交

11、流-交流變流電路，即把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路。在進行交流-交流變流時，可以改變相關(guān)的電壓（電流）、頻率和相數(shù)等。交流-交流變流電路可以分為直接方式和間接方式兩種。而間接方式可以看做交流-直流變換電路和直流-交流變換電路的組合，故交-交變流主要指直接方式。其中，只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M行控制，而不改變頻率的電路稱為交流電力控制電路，改變頻率的電路稱為變頻電路。采用相位控制的交流電力控制電路，即交流調(diào)壓電路；采用通斷

12、控制的交流電力控制電路，即交流調(diào)功電路和交流無觸點開關(guān)。</p><p>　　交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制及異步電動機的軟啟動也用于異步電動機調(diào)速。在電力系統(tǒng)中，這種電路還常用于對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓，其電壓、電流值都比較適中，在變壓器二次側(cè)只要用二極管整流就可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設(shè)計制造。</p><p>　　交流調(diào)功電路常用于電爐的溫度

13、控制，其直接調(diào)節(jié)對象是電路的平均輸出功率。像電爐溫度這樣的控制對象，其時間常數(shù)往往很大，沒有必要對交流電源的每個周期進行頻繁的控制，只要以周波數(shù)為單位進行控制就足夠了。通?？刂凭чl管導(dǎo)通的時刻都是在電源電壓過零的時刻，這樣，在交流電源接通期間，負載電壓電源都是正弦波，不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。</p><p>　　第一章 調(diào)壓調(diào)功原理簡介</p><p>　　把兩個晶閘管反并

14、聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電力控制電路。</p><p>　　在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。</p><p>　　交流調(diào)功電路和交流調(diào)壓電路的電路形式完全相同，只是控制方式不同。</p><p>　　交流調(diào)功電路不是在每個交流電源

15、周期都通過觸發(fā)延遲角α對輸出電壓波形進行控制，而是將負載與交流電源接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率。</p><p>　　第二章 交流調(diào)壓電路波形及相控特性分析</p><p>　　2.1 帶電阻性負載</p><p><b>　　2.1.1 原理</b></p>&

16、lt;p>　　圖1為電阻負載單相交流調(diào)壓電路圖及其波形。圖中的晶閘管VT1和VT2也可以用一個雙向晶閘管代替。在交流電源u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的開通角α進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負半周α起始時刻（α=0）均為電壓過零時刻，穩(wěn)態(tài)時，正負半周的α相等。</p><p>　　可以看出，負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（也即電源電流）和負載電壓的波形相同，因此通過觸發(fā)延遲角α的變

17、化就可實現(xiàn)輸出電壓的控制。</p><p>　　2.1.2 計算與分析</p><p><b>　　負載電壓有效值：</b></p><p>　　故移相范圍為0≤α≤π。α=0時，輸出電壓為最大， U0=U1。隨著α的增大，U0降低，當(dāng)α=π時，U0=0。</p><p>&l

18、t;b>　　負載電流有效值：</b></p><p><b>　　晶閘管電流有效值：</b></p><p><b>　　功率因數(shù)：</b></p><p>　　α=0時, 功率因數(shù)λ=1, α增大,輸入電流滯后于電壓且畸變,λ降低。</p><p>　　2.2 帶阻感性負載<

19、;/p><p>　　2.2.1 原理分析</p><p>　　圖2為帶阻感負載的單相交流調(diào)壓電路圖及其波形。</p><p>　　設(shè)負載的阻抗角為φ=arctan(wL / R)。如果用導(dǎo)線把晶閘管完全短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流應(yīng)是正弦波，其相位滯后于電源電壓u1的角度為φ。在用晶閘管控制時，由于只能通過出發(fā)延遲角α推遲晶閘管的導(dǎo)通，所以晶閘管的觸發(fā)脈沖應(yīng)在電流過零點之后，使

20、負載電流更為滯后，而無法使其超前。為了方便，把α=0的時刻仍定義在電源電壓過零的時刻，顯然，阻感負載下穩(wěn)態(tài)時α的移相范圍為φ ≤ α ≤π。但α<φ時，電路并非不能工作，后面第三小節(jié)會分析此種情況。 </p><p>　　2.2.2 計算與分析</p><p>　　當(dāng)在ωt=α?xí)r刻開通晶閘管VT1，負載電流應(yīng)滿足如下微分方程式和初始條件：</p>&

21、lt;p><b>　　解方程得：</b></p><p>　　式中，；θ為晶閘管導(dǎo)通角。</p><p>　　利用邊界條件：時，可求得：</p><p>　　以φ為參變量，利用上式可以把α和θ的關(guān)系用圖的一簇曲線來表示，如圖3所示。VT2導(dǎo)通時，上述關(guān)系完同，只是io極性相反，相位差180°</p><p&g

22、t;<b>　　負載電壓有效值：</b></p><p>　　晶閘管電流有效值為： </p><p><b>　　負載電流有效值： </b></p><p>　　設(shè)晶閘管電流的標(biāo)么值為：</p><p>　

23、　圖4 單相交流調(diào)壓電路φ為參變量時和α的關(guān)系曲線</p><p>　　則可繪出和α的關(guān)系曲線，如圖4所示。</p><p>　　2.2.3 α<φ的情況</p><p>　　如前圖3所示，α越小，θ越大；α繼續(xù)減小到α<φ時，觸發(fā)VT1，則VT1的導(dǎo)通時間將超過π。因為VT1提前導(dǎo)通，L被過充電，放電時間延長， VT1的導(dǎo)通角超過π。觸發(fā)VT2時， i

24、0尚未過零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不通；i0過零后， VT2開通， VT2導(dǎo)通角小于π，過渡過程和帶R-L負載的單相交流電路在ωt = (α<φ)時合閘的過渡過程相同，i0由兩個分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量。衰減過程中， VT1導(dǎo)通時間漸短， VT2的導(dǎo)通時間漸長，其穩(wěn)態(tài)的工作情況和α=φ時完全相同。α<φ時工作波形如圖5所示。</p><p><b>　　第三章 方案設(shè)計<

25、/b></p><p>　　3.1 主電路的設(shè)計</p><p>　　3.1.1 主電路圖</p><p>　　電路為工頻50HZ,220V交流電輸入，負載為R＝0.5Ω，L＝2mH的阻感負載。故主電路圖如下圖：</p><p>　　3.1.2 參數(shù)計算</p><p>　　此單相交流調(diào)壓電路的負載阻抗角為：&l

26、t;/p><p>　　由圖4知，一定時，越小，越大，即越大。當(dāng)時，不變，為最大值0.5。故可求出晶閘管電流有效值的最大值：</p><p>　　晶閘管的額定電流為：</p><p>　　晶閘管承受的最大反向電壓為：</p><p>　　所以考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：</p><p>　　因此，依據(jù)以上參數(shù)選擇晶閘管

27、，比如，可以選用額定電壓為800V，額定電流為200A的晶閘管。</p><p>　　3.1.3 調(diào)功電路的設(shè)計</p><p>　　以上的設(shè)計都是以交流調(diào)壓為基礎(chǔ)。交流調(diào)功電路與調(diào)壓完全相同，只是本次設(shè)計條件中調(diào)功電路帶電阻性負載R=4Ω。故電路中應(yīng)將阻感性負載改為電阻性負載。</p><p>　　參數(shù)計算時，調(diào)功電路是以周期為單位控制的。故在晶閘管導(dǎo)通的周期內(nèi)=

28、0。又有Z=4Ω，=0，此時仍為0.5，故：</p><p>　　晶閘管的額定電流為：</p><p>　　而晶閘管承受的最大反向電壓同調(diào)壓電路相同，所以考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：</p><p>　　因此，依據(jù)以上參數(shù)選擇晶閘管，比如，可以選用額定電壓為800V，額定電流為40A的晶閘管。</p><p>　　3.2 觸發(fā)電路的選擇

29、</p><p><b>　　3.2.1 選擇</b></p><p>　　晶閘管觸發(fā)電路有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路；正弦波觸發(fā)電路；鋸齒波觸發(fā)電路；集成觸發(fā)電路。 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路具有簡單、可靠，觸發(fā)脈沖前沿陡、抗干擾能力強等優(yōu)點，但輸出功率小，不能很好的滿足電感性或反電動勢負載的需要，移相范圍也受到限制。所以只在單相與要求不高的三相晶閘管裝置中使用。 正弦波同步觸發(fā)電

30、路它的優(yōu)點：是整流裝置在負載連續(xù)時直流輸出電壓與控制電壓成線性關(guān)系；能部分補償電源電壓波動對輸出電壓的影響。缺點是：同步電壓直接受電網(wǎng)電壓的波動及干擾影響較大，特別是電源電壓波形畸變時，控制電壓與同步電壓波形交點不穩(wěn)定，導(dǎo)致整個裝置工作不穩(wěn)定；正弦波移相電路理論上分析移相范圍可達00～1800，實際上由于正弦波頂部平坦與控制電壓交點不明確而無法工作，實際移相范圍最多只能達到00～1500。為防止各種可能出現(xiàn)的意外情況，電路中必須設(shè)置對最

31、小控制角αmin與最小逆變角βmin限制。 鋸齒波同步觸發(fā)電路，具有雙脈沖，強觸發(fā)的特點，由于同步電壓采用鋸齒波，不直接受電網(wǎng)電壓波動畸變的影響，移相范圍寬，克服了正弦波移相的缺點應(yīng)用廣泛。 集成觸發(fā)電路與分立元件相比，提高了電路的可靠性和通用性，具有體積小，成本低</p><p>　　3.2.2 觸發(fā)器件封裝形式</p><p>　　KJ004封裝形式：</p><p

32、>　　該電路采用雙列直插C—16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝，外型尺寸按電子工業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)?！栋雽?dǎo)體集成電路外型尺寸》SJ1100—76</p><p>　　KJ004的管腳功能如表1所示。 </p><p>　　3.3 保護電路的設(shè)計</p><p><b>　　3.3.1 原理</b></p><p>　　在電

33、力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設(shè)計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護、du/dt保護和di/dt保護也是必要的。</p><p>　　過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護：</p><p>　　電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：操作過電壓、雷擊過電壓；內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件

34、的開關(guān)過程，包括：換相過電壓、關(guān)斷過電壓。</p><p>　　過壓保護的基本原則是：根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的附加電路，當(dāng)達到—定過壓值時，自動開通附加電路，使過壓通過附加電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護了電力電子器件。保護電路形式很多。</p><p>　　這里主要考慮晶閘管在實際應(yīng)用中一般會承受的換相過電壓，故可用阻容保護

35、電路來實現(xiàn)保護。當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰時，電容兩端電壓不能突發(fā)的特性，可以有效地</p><p>　　抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩。阻容保護電路如圖10所示。</p><p>　　過電流的產(chǎn)生及過電流保護：</p><p>　　引起過流的原因：當(dāng)電力電子變換器內(nèi)部某一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故

36、障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起變換器內(nèi)元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過流。由于電力電子器件的電流過載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此，必須對變換器進行適當(dāng)?shù)倪^流保護。</p><p>　　變換器的過流一般主要分為兩類：過載過流和短路過流。在晶閘管變換器中，快速熔斷器是應(yīng)用最普遍的過流保護措施，可用于交流側(cè)、直流側(cè)和裝置主電路中。其中交流側(cè)接

37、快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側(cè)短路起保護作用，但要求正常工作時，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對元件的短路故障所起的保護作用較差。直流側(cè)接快速熔斷器只對負載短路起保護作用，對元件無保護作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對元件的保護作用最好，因為它們流過同—個電流。因而被廣泛使用。</p><p><b>　　3.3.2 計算</b></p><p&

38、gt;<b>　　阻容保護電路參數(shù)：</b></p><p>　　RC阻容保護電路參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗值來選擇。電容C的選擇為：</p><p><b>　　電阻一般取40Ω。</b></p><p>　　快速熔斷器的選用原則：</p><p>　　和普通熔斷器一樣要考慮快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于線路正常工

39、作電壓有效值，熔</p><p>　　斷器(安裝熔體的外殼)的額定電流應(yīng)大于或等于熔體額定電流值。此外，快速熔斷器熔體的額定電流是指電流有效值，而晶閘管額定電流是指通態(tài)電流平均值，其有效值為1.57。故選用時要求：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　—晶閘管通態(tài)電流平均值，—快速熔斷器的熔體額定電流。</p&

40、gt;<p>　　算得1.57。所以選取額定電流大于等于194.4A的快速熔斷器。</p><p><b>　　第四章 個人總結(jié)</b></p><p>　　此次課程設(shè)計的題目是晶閘管單相交流調(diào)壓、調(diào)功電路，電路圖比較簡單，但必須弄清楚其原理及相互間的區(qū)別及聯(lián)系。在剛知道課題之后，為了設(shè)計能夠順利的進行，我通過利用網(wǎng)絡(luò)、教科書、圖書館等途徑，查閱了大量關(guān)

41、于本設(shè)計有關(guān)的資料，了解到調(diào)壓電路中α的變化對波形的影響，并且知道了不同負載對調(diào)壓電路的影響，即α、θ、φ之間的變化關(guān)系，以及不同φ時，標(biāo)幺值與α之間的關(guān)系。</p><p>　　此次電路的難點在于觸發(fā)電路的設(shè)計。選用了集成觸發(fā)電路KJ004，但是要應(yīng)用它還需加上很多外圍電路。我先查閱分析了交流調(diào)壓調(diào)功電路的原理，然后對其波形及相控特性進行了分析計算，分別對其帶阻性和容性負載進行了分析計算，最終確定了設(shè)計方案，并

42、為其設(shè)計了保護電路。這次設(shè)計讓我的思維更加縝密，對我以后的學(xué)習(xí)、工作起到了至關(guān)重要的作用。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]《電力電子技術(shù)》王兆安，劉進軍主編。第5版，機械工業(yè)出版社，2009.5</p><p>　　[2]《電力電子技術(shù)》王云亮主編。第2版，電子工業(yè)出版社，2009.8</p>