電力電子課程設(shè)計----晶閘管調(diào)壓與調(diào)功電路的比較

1、<p><b>　　序論</b></p><p>　　電力電子技術(shù)是20世紀后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)?？梢灶A見，在21世紀電力電子技術(shù)仍將以迅猛的速度發(fā)展。電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用。</p><p>　　用晶閘管組成的交流電壓控制電路，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓有效值?？捎糜陔姞t溫控、燈光調(diào)節(jié)、異步電動機的啟動和調(diào)速等，也可

2、用作調(diào)節(jié)整流變壓器一次側(cè)電壓，其二次側(cè)為低壓大電流或高壓小電流負載常用這種方法。采用這種方法，可使變壓器二次側(cè)的整流裝置避免采用晶閘管，只需要二極管，而且可控級僅在一側(cè)，從而簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。交流調(diào)壓器與常規(guī)的交流調(diào)壓變壓器相比，它的體積和重量都要小得多。交流調(diào)壓器的 輸出仍是交流電壓，它不是正弦波，其諧波分量較大，功率因數(shù)也較低</p><p>　　這些畢業(yè)生走進企業(yè)、公司、政府機構(gòu)或研究單位之后，往往深刻地

3、感覺到缺乏實際開發(fā)設(shè)計項目的經(jīng)驗，不善于綜合運用所學理論，對知識的把握缺乏融會貫通的能力。</p><p>　　通過這種設(shè)計課程，我們一方面可以結(jié)合課程的教學內(nèi)容循序漸進地進行設(shè)計方面的實踐訓練，另一方面，在參與一系列子項目的實踐過程中，還能提高如何綜合運用所學知識解決實際問題的能力，以及獲得有關(guān)項目管理和團隊合作等等眾多方面的具體經(jīng)驗，增強對相關(guān)課程具體內(nèi)容的理解和掌握能力，培養(yǎng)對整體課程知識綜合運用和融會貫通

4、能力。</p><p>　　最后，向此次課程設(shè)計的指導老師以及在課程設(shè)計中幫助、支持我的同學表示衷心的感謝。由于本次課程設(shè)計時間倉促且自己水平有限，難免還存在一些錯誤和不妥之處，懇請老師批評指正。</p><p>　　1 交流-交流變流電路概述</p><p>　　1.1 交流-交流變流電路</p><p>　　交流-交流變流電路，即把一種形

5、式的交流變成另一種形式交流的電力。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（無中間直流環(huán)節(jié)）和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）兩種，此處我們要介紹的是直接方式。在交流-交流變流電路中，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。交流電力控制電路分為交流調(diào)壓電路、交流調(diào)功電路和交流電力電子開關(guān)。</p>&l

6、t;p>　　1.2 交流調(diào)壓電路</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)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制）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)。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用直流

7、調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。</p><p>　　1.3 交流調(diào)功電路</p><p>　　以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改變通態(tài)周期數(shù)和斷態(tài)周期數(shù)的比，可以方便的調(diào)節(jié)輸出功率的平均值，這種電路稱為交流調(diào)功電路。</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。交流調(diào)功電路不是在每個交流電源周期都通過觸發(fā)延遲角對輸出電壓波

8、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。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，負載電壓電流都是正弦波，不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。</p><p>&

9、lt;b>　　2 集成觸發(fā)芯片</b></p><p><b>　　2.1 觸發(fā)芯片</b></p><p>　　可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中,作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。器件輸出兩路相差180度的移相脈沖,可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要

10、求低,有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點。常用的有KJ004和KC05，此次課程設(shè)計中我采用KJ004。</p><p>　　可控硅過零觸發(fā)器能使雙向可控硅的開關(guān)過程在電源電壓為零或電流為零的瞬間進行觸發(fā)。這樣,負載的瞬態(tài)浪涌和射頻干擾最小,可控硅的使用壽命也可提高。該電路可用于恒溫箱溫度控制、單相或三相交流電機和電器的無觸點開關(guān)、交流燈光閃爍器等設(shè)備中作為零觸發(fā)用。電路內(nèi)部有自生直流穩(wěn)壓源,可以直接接交流電網(wǎng)電壓使

11、用。該電路具有零電壓觸發(fā)、零電流觸發(fā)、輸出電流大等功能特點。常用的有KJ007和KJ008，此次課設(shè)中我采用KJ008.</p><p>　　下面就分別對KJ004和KJ008作簡要介紹。</p><p>　　2.2 KJ004芯片介紹</p><p>　　2.2.1 KJ004的工作原理</p><p>　　如圖2.1所示，KJ004由脈沖

12、形成電路、鋸齒波形成電路、比較放大電路和功率放大電路四部分組成。鋸齒波的斜率決定于外接電阻R6、RW1,流出的充電電流和積分電容C1的數(shù)值。對不同的移相控制電壓VY,只有改變權(quán)電阻R1、R2的比例,調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移電壓VP。同時調(diào)整鋸齒波斜率電位器RW1,可以使不同的移相控制電壓獲得整個移相范圍。觸發(fā)電路為正極性型,即移相電壓增加,導通角增大。R7和C2形成微分電路,改變R7和 C2的值,可獲得不同的脈寬輸出的同步電壓為任意值。</

13、p><p>　　2.2.2 KJ004的封裝形式</p><p>　　KJ004采用雙列直插C—16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝,外形尺寸按電子工業(yè)部部頒標準《半導體集成電路外形尺寸》SJ1100-64。其封裝如圖2.2所示，各管腳功能如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 KJ004各管腳功能</p><p>　　2.2.3 KJ004芯片參

14、數(shù)</p><p>　　1．電源電壓：直流+15V、-15V,允許波動土5％(±10％時功能正常)。2. kj004 電源電流：正電流≤15mA,負電流≤10mA。3．同步電壓：任意值。4．同步輸入端允許最大同步電流：6mA(有效值)5．移相范圍≥1700(同步電壓30V,同步輸入電阻15kΩ)6．鋸齒波幅度：≥10V(幅度以鋸齒波平頂為準)。7．輸出脈沖：(1)寬度：400μS—2mS(

15、通過改變脈寬阻容元件達到)。(2)幅度：≥13V。(3)最大輸出能力100mA(流出脈沖電流)。(4)輸出管反壓：BVCEO≥18V(測試條件Ie≤100μA)。8．正負半周脈沖相位不均衡≤±30。9．使用環(huán)境溫度為四級：C：0—70℃ R：-55—85℃ E：-40—85℃ M：-55—125℃</p><p>　　2.3 KJ008芯片介紹</p><p>　　2.

16、3.1 KJ008的工作原理</p><p>　　KJ008可控硅過零觸發(fā)器在零壓應(yīng)用時,同步電壓通過R2加到1和14端之間,V1進行過零檢測。V2-V5組成的差分比較器一端(4端)按基準電壓。當來自傳感器(2端)的電壓小于基準電壓時,V7、V8組成的輸出級在同步電壓過零時發(fā)出觸發(fā)脈沖。當2端的電壓大于基準電壓時輸出級截止,沒有觸發(fā)脈沖。其內(nèi)部原理圖如下圖2.4所示。</p><p>　　

17、2.3.2 KJ008的封裝形式</p><p>　　KJ008可控硅過零觸發(fā)器采用C-14線白瓷和黑瓷兩種外殼封裝,外形尺寸按電子工業(yè)部部頒標準《半導體集成電路外形尺寸》SJ1100-76。各管腳功能如圖2.5所示，封裝如圖2.6所示.</p><p>　　2.3.3 KJ008芯片參數(shù)</p><p>　　1.電源電壓：(1)自生直流電源電壓+12-+14V。外

18、接直流電源電壓+12—+16V。</p><p>　　2.電源電流：≤12mA。 </p><p>　　3.零檢測輸入端最大峰值電流：8mA。 </p><p>　　4.輸出脈沖：　　(1)最大輸出能力：50mA(脈沖寬度400μS以內(nèi)),可擴展?！　?2)輸出脈沖幅度：≥13V?！　?3)輸出管反壓：BVceo≥18V(測試條件Ie=100μA) </

19、p><p>　　5.輸入控制電壓靈敏度：100mV、300mV、500mV。 </p><p>　　6.零電流檢測輸出幅度：≥8V。 </p><p>　　7.使用環(huán)境溫度為四級：C：0～70℃ R：—55～85℃ E：—40～85℃ M：—55～125℃</p><p><b>　　3 硬件的設(shè)計</b></p&g

20、t;<p>　　3.1 單相交流調(diào)壓電路（帶阻感負載）</p><p>　　圖3.1，3.2為阻感負載單相交流調(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正半周和負半周，分別對VT1和VT2的觸發(fā)延遲角α進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。</p><p>　　設(shè)負載的阻抗角為。如果用導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

21、后于電源電壓u1的角度為。在用晶閘管控制時，由于只能通過觸發(fā)延遲角α推遲晶閘管的導通，所以晶閘管的觸發(fā)脈沖應(yīng)在電流過零點之后，使負載電流更為滯后，而無法使其超前。為了方便，把α=0的時刻定在電源電壓過零的時刻，顯然，阻感負載下穩(wěn)態(tài)時α的移向范圍為。為了更好的分析單相交流調(diào)壓電路在感性負載下的工作情況，此處分和三種工況分別進行討論。</p><p><b>　　3.1.1 工況</b><

22、/p><p>　　圖3.1，3.2分別所示為單相反并聯(lián)交流調(diào)壓電路帶阻感負載時的電路圖，以及在控制角觸發(fā)導通時的輸出波形圖，同電阻負載一樣，在ui的正半周α角時，VT1觸發(fā)導通，輸出電壓u0等于電源電壓，電流波形i0從0開始上升。由于是感性負載，電流i0滯后于電壓u0，當電壓達到過零點時電流不為0，之后i0繼續(xù)下降，輸出電壓u0出現(xiàn)負值，直到電流下降到0時，VT1自然關(guān)斷，輸出電壓等于0，正半周結(jié)束，期間電流i0從0

23、開始上升到再次下降到0這段區(qū)間稱為導通角θ。由后面的分析可知，在工況下，因此在VT2脈沖到來之前VT1已關(guān)斷，正負電流不連續(xù)。在電源的負半周VT2導通，工作原理與正半周相同。</p><p>　　為了分析負載電流i0的表達式及導通角θ與α、之間的關(guān)系，假設(shè)電壓坐標原點如圖所示，在時刻晶閘管VT1導通，負載電流i0應(yīng)滿足方程</p><p>　　解該方程，可以得出負載電流i0在區(qū)間內(nèi)的表達式

24、為</p><p>　　當時，i0=0，代入上式可求出與、θ之間的關(guān)系為</p><p>　　利用上式，可以把與、之間的關(guān)系用圖3.4的一簇曲線來表示圖中以為參變量，當=0時代表電阻性負載，此時=180-；若為某一特定角度，則當，=180，當時，隨著的增加而減小。</p><p>　　上述電路在控制角為時，交流輸出電壓有效值U0、負載電流有效值I0、晶閘管電流有效值

25、IVT分別為</p><p>　　設(shè)晶閘管電流IVT的標么值為，則可繪出IVTN和的關(guān)系曲線，</p><p>　　如圖3.3所示。當、已知時，可由該曲線查出晶閘管電流標幺值，進而求出負載電流有效值I0及晶閘管電流有效值IVT.</p><p><b>　　3.1.2 工況</b></p><p>　　當控制角時，負載電

26、流i0的表達式中的第二項為零，相當于滯后電源電壓角的純正弦電流，此時導通角=180，即當正半周晶閘管VT1關(guān)斷時，VT2恰好觸發(fā)導通，負載電流i0連續(xù)，該工況下兩個晶閘管相當于兩個二極管，或輸入輸出直接相連，輸出電壓及電流連續(xù)，無調(diào)壓作用。</p><p><b>　　3.1.3 工況</b></p><p>　　在工況下，阻抗角相對較大，相當于負載的電感作用較強，使

27、得負載電流嚴重滯后于電壓，晶閘管的導通時間較長，此時式仍然適用，由于，公式右端小于0，只有當時左端才能小于0，因此>180º。如圖所示，如果用窄脈沖觸發(fā)晶閘管，在時刻VT1被觸發(fā)導通，由于其導通角大于180º，在負半周時刻為VT2發(fā)出出發(fā)脈沖時，VT1還未關(guān)斷，VT2因受反壓不能導通,VT1繼續(xù)導通直到在時刻因VT1電流過零關(guān)斷時，VT2的窄脈沖uG2已撤除，VT2仍然不能導通，直到下一周期VT1再次被觸發(fā)導通

28、。這樣就形成只有一個晶閘管反復通斷的不正常情況，i0始終為單一方向，在電路中產(chǎn)生較大的直流分量；因此為了避免這種情況發(fā)生，應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)方式。整個過程的工作波形如圖3.5所示。</p><p><b>　　3.1.4 結(jié)論</b></p><p>　　綜上所述，當單相交流調(diào)壓電路帶感性負載時，為了可靠、有效的工作，并實現(xiàn)調(diào)壓的目的，應(yīng)使控制角的移相范圍保持在

29、之間，同時為了避免出現(xiàn)直流分量，晶閘管的控制脈沖應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。</p><p>　　3.2 單向交流調(diào)功電路（帶電阻負載）</p><p>　　圖3.6為電阻負載單相交流調(diào)功電路圖，可見其電路形式與交流調(diào)壓電路完全相同，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通過觸發(fā)延遲角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

30、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>　　設(shè)控制周期為M倍電源周期，其中晶閘管在前N個周期導通，后M-N個周期關(guān)斷。當M=3、N=2時的電路波形如圖3.7。可以看出，負載電壓和負載電流的重復周期為M倍電源周期。在負載為電阻時，負載電流波形和負載電壓波形相同。</p><p>　　3.3 觸發(fā)電路設(shè)計</p><p>　　晶閘管觸發(fā)電路的

31、作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要要的時刻有阻斷轉(zhuǎn)為導通。廣義上講，晶閘管觸發(fā)電路往往還包括對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路，但這里專指脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導通，對反電動勢負載的變流器應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)； 2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增加為器件最大觸發(fā)電流的3-5倍，脈沖前沿的陡度也許增加，一般需達1-2A/us；3

32、）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)；4）應(yīng)有的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。綜上所述可以用kj004芯片構(gòu)成觸發(fā)電路。觸發(fā)電路圖如下圖3.8。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，通過對電路中電阻與電容的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)調(diào)壓與調(diào)功兩個功能：欲實現(xiàn)調(diào)壓功能，可以調(diào)節(jié)滑動變阻器R11的阻值完成；欲實現(xiàn)調(diào)功功能，可以通過調(diào)節(jié)與kj004的12腳相連接的

33、電阻R2的阻值和電容C1的容值完成。 </p><p>　　3.4 電阻爐負載的過零控制特性分析</p><p>　　此處，我使用KJ008組成過零觸發(fā)電路，當同步電壓通過R2加到1和14端之間時,V1進行過零檢測。V2-V5組成的差分比較器一端(4端)按基準電壓。當來自傳感器(2端)的電壓小于基準電壓時,V7、V8組成的輸出級在同步電壓過零時發(fā)出觸發(fā)脈沖。當2端的電壓大于基準電壓時輸出級

34、截止,沒有觸發(fā)脈沖。具體電路如圖3.9，電路各點波形如圖3.10。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　此次課程設(shè)計我的題目是晶閘管調(diào)壓與調(diào)功電路的比較。通過本科電力電子課程的學習我知道了這兩種電路的主電路一樣且比較簡單，但觸發(fā)電路比較復雜且在課堂上沒有涉及。因此，我決定先從觸發(fā)電路著手。</p><p>　　通過查

35、閱資料，我了解到KJ004可以作為單向調(diào)壓和調(diào)功的觸發(fā)芯片，將它與電阻電容連接后通過改變一定的阻值和容值可以改變其調(diào)節(jié)方式，并改變參數(shù)。因此我決定使用KJ004作為我的觸發(fā)芯片。通過查閱資料我知道了它的封裝，管腳等知識，并成功設(shè)計出觸發(fā)電路。</p><p>　　下一個要解決的問題就是過零觸發(fā)電路的設(shè)計。通過查詢資料我了解到KJ007/KJ008可以作為觸發(fā)芯片。由于有了上一次的經(jīng)驗，這次我很快就設(shè)計出了觸發(fā)電路

36、，并成功仿真。</p><p>　　隨后我在Altium Designer上成功繪制了主電路圖。期間由于沒有KJ004芯片，我自己繪制了它的封裝。經(jīng)過這個小困難之后，我成功完成了主電路圖的繪制。</p><p>　　在結(jié)束語的最后，我想感謝我的指導老師xx，您總是在我遇到困難時對我施予援手，對我的問題耐心解答，在此我對您表示真摯的感謝。</p><p><b&

37、gt;　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王兆安. 電力電子技術(shù)(第五版). 北京：機械工業(yè)出版社，2010</p><p>　　[2] 黃俊. 半導體交流技術(shù)實驗與習題(第一版). 北京：機械工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[3] 趙永健. 現(xiàn)代電力電子技術(shù). 北京：科學出版社，2005</p><p>