晶閘管單相交流調(diào)壓及調(diào)功電路課程設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　緒論1</b></p><p>　　1 調(diào)壓調(diào)功原理簡介2</p><p>　　2 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

2、 原理3</p><p>　　2.1.2 計算與分析3</p><p>　　2.2 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6</p><p><b>　　3

3、 方案設計7</b></p><p>　　3.1 主電路的設計7</p><p>　　3.1.1 主電路圖7</p><p>　　3.1.2 參數(shù)計算7</p><p>　　3.1.3 調(diào)功電路的設計8</p><p>　　3.2 觸發(fā)電路的設計9</p><p>　　3

4、.2.1 芯片介紹9</p><p>　　3.2.2 觸發(fā)電路圖10</p><p>　　3.3 保護電路的設計11</p><p>　　3.3.1 原理11</p><p>　　3.3.2 計算12</p><p>　　3.3.3 保護電路圖13</p><p>　　4 電阻爐負載

5、過零控制特性分析14</p><p>　　5 MATLAB仿真15</p><p><b>　　6個人小結(jié)17</b></p><p><b>　　參考文獻18</b></p><p><b>　　附錄19</b></p><p><b&

6、gt;　　緒論</b></p><p>　　交流-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（無中間直流環(huán)節(jié)方式）和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)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

7、，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（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，也常采用交流調(diào)壓

8、電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。在這些電源中如果采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很多晶閘管串聯(lián)，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)，十分不合理。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、易于設計制造。其分為單相和三相交流調(diào)壓電路，前者是后者基礎(chǔ)，這里只討論單相問題。</p><p>　　交流調(diào)功電路常用于電爐的

9、溫度控制，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>　　1 調(diào)壓調(diào)功原理簡介</p><p>　　把兩個晶閘管反并

10、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

11、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>　　2 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><

12、;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?？梢钥闯?，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的變化就可實現(xiàn)輸出電壓的控制。

13、圖1 電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形</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α=π時，U0=0。</p><p><b>

14、;　　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</p>

15、;<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>　　設負載的阻抗角為φ=arctan(wL / R)。如果用導線把晶閘管完全短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流應是正弦波，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推遲晶閘管的導通，所以晶閘管的觸發(fā)脈沖應在電流過零點之后，使負載電流更為

16、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。 圖2 阻感負載單相交流調(diào)壓電路及其波形</p><p>　　2.2.2 計算與分析</p><p>　　當在ωt=α時刻開通晶閘管VT1，負載電流應滿足如下微分方程式和初始條件

17、：</p><p><b>　　解方程得：</b></p><p>　　式中，；θ為晶閘管導通角。</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導通時，上述關(guān)系完同，只是io極性相反，相位差180°</

18、p><p><b>　　負載電壓有效值：</b></p><p>　　晶閘管電流有效值為：圖3 以α為參變量的θ和α關(guān)系曲線</p><p><b>　　負載電流有效值： </b></p><p>　　設晶閘管電流的標么值為：</p><p>　　則可繪出和α的關(guān)系曲線

19、，如圖4所示。</p><p>　　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>　　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的導通時間將超過π。因為VT1提前導通，L被過充電，放電時間延長， VT1的導通角超過π。觸發(fā)VT2時， i0尚未過零， VT1仍導

20、通， VT2不通；i0過零后， VT2開通， VT2導通角小于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導通時間漸短， VT2的導通時間漸長，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。 圖5 α<φ時阻感負載交流調(diào)壓電路工作波形</p><p

21、><b>　　3 方案設計</b></p><p>　　3.1 主電路的設計</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><b>　　圖6 主電路圖</b>&

22、lt;/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：</p><p>　　由圖4知，一定時，越小，越大，即越大。當時，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：</

23、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，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)功電路的設計</p><p>　　以上的設計都是以交流調(diào)壓為基礎(chǔ)。交流調(diào)功電路與調(diào)壓完全相同，只是本次設計條件中調(diào)功電路帶電阻性負載R=4Ω。故

24、電路中應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。故在晶閘管導通的周期內(nèi)=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)

25、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)電路的設計</p><p>　　3.2.1 芯片介紹</p><p>　　觸發(fā)單元以前都是由分立元件構(gòu)成的，它的控制精度查，可靠性低，不便于維修，因此，觸發(fā)電路集成化非常必要?？煽毓枰葡嘤|發(fā)器KJ004，與分立元件組成的觸發(fā)電路相比，具有移相線性好、移相

26、范圍寬、溫漂小、可靠性高、相位不均衡度小等優(yōu)點。KJ004芯片其內(nèi)部原理圖如下：</p><p>　　圖7 KJ004內(nèi)部原理圖</p><p>　　該電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏移電壓、移電壓綜合比較放大電路和功相率放大電路四部分組成。</p><p>　　KJ004封裝形式：</p><p>　　該電路采用雙列直插C—16白瓷和

27、黑瓷兩種外殼封裝，外型尺寸按電子工業(yè)部部頒標準?！栋雽w集成電路外型尺寸》SJ1100—76</p><p>　　KJ004的管腳功能如表1所示。 圖8 KJ004封裝引腳圖</p><p>　　表1 KJ004的各管腳功能</p><p>　　3.2.2 觸發(fā)電路圖</p><p>　　由于交流調(diào)壓調(diào)功電

28、路中只用到兩個晶閘管，而KJ004有兩個輸出口，故用一片KJ004即可。由KJ004的典型連接圖畫得此次觸發(fā)電路如下圖。</p><p>　　圖9 觸發(fā)單元接線圖</p><p>　　其中，同步串聯(lián)電阻R4的選擇按下式計算：</p><p>　　這里R4選用15KΩ。</p><p><b>　　電路原理：</b><

29、;/p><p>　　鋸齒波的斜率決定于外接R6、RW1流出的充電電流和積分C1的數(shù)值。對不同的移項控制V1，只有改變R1、R2的比例，調(diào)節(jié)相應的偏移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范圍。觸發(fā)電路為正極性型，即移相電壓增加，導通角增大。R8和C2形成微分電路，改變R8和C2的值，可獲得不同的脈寬輸出。KJ004的同步電壓為任意值。</p><p>　　3.3

30、 保護電路的設計</p><p><b>　　3.3.1 原理</b></p><p>　　在電力電子電路中，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

31、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

32、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用中一般會承受的換相過電壓，故可用阻容保護電路來實現(xiàn)保護。當電路中出現(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 圖10 阻容保護電路</p><p>　　能量，同時抑制電路中

33、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備

34、差得多，因此，必須對變換器進行適當?shù)倪^流保護。常見的過電流保護電路有如下一些形式。</p><p>　　圖11 過電流各種保護措施及配置位置</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

35、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><b>　　阻容保護電路參數(shù)：</b></

36、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大于線路正常工作電壓有效值，熔</p><p>　　斷器(安裝熔體

37、的外殼)的額定電流應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><p>　　算得1.57。所以選取額定電流大于等于194

38、.4A的快速熔斷器。</p><p>　　3.3.3 保護電路圖</p><p>　　將快速熔斷器和RC阻容保護電路放入電路中：</p><p><b>　　圖12 保護電路圖</b></p><p>　　4 電阻爐負載過零控制特性分析</p><p>　　當負載為電阻爐的時候，由于電爐的溫度是控

39、制對象，其時間常數(shù)往往很大，沒有必要對交流電源的每一個周期進行頻繁的調(diào)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，即過零調(diào)功控制。這樣，在交流電源接通期間，負載電源電壓都是正弦波，因此不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義上的諧波污染,不會產(chǎn)生各種高次諧波污染電網(wǎng)。</p><p><b>　　原理分析：</b></p><p>　

40、　令控制周期為M倍電源周期，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13所示。</p><p>　　負載電壓和負載電流（也即電源電流）的重復周期為M倍電源周期。 圖13 交流調(diào)功電路典型波形（M=3、M=2）</p><p>　　在負載為電阻時，負載電流波形和負載電壓波形相同。以控制周期為基準，對圖13的

41、波形進行傅里葉分析，可以得到圖14所示電流頻譜圖。圖中In為n次諧波有效值，Ion為導通時電路電流幅值。</p><p>　　從圖14的電流頻譜圖可以看出，如果以電源周期為基準，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波，而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。</p><p>　　圖14 交流調(diào)功電路的電流頻譜圖（M=3、N=2）</p><p>

42、;　　5 MATLAB仿真</p><p>　　由于proteus中不包含KJ004此元器件，故采用其它方法仿真。用MATLAB中的Simulink，不涉及具體的元器件型號的選用，仿真簡單。</p><p>　　現(xiàn)用Simulink仿真單相交流調(diào)壓電路。交流電源、兩個晶閘管反向并聯(lián)、阻感性負載即構(gòu)成了主電路，再給兩個晶閘管分別提供觸發(fā)脈沖。為了觀察波形，在電源兩端、負載兩端加上電壓表，主電

43、路中接入電流表，再將各表的輸出導入示波器，同時還要觀察兩個觸發(fā)脈沖的波形。</p><p><b>　　仿真連線圖如下：</b></p><p>　　圖15 MATLAB仿真連線圖</p><p>　　仿真前，要設定好元器件的參數(shù)。將題目條件中交流調(diào)壓電路阻感負載的阻抗代入，交流電源的頻率設為50HZ，觸發(fā)脈沖的頻率要和電源一樣，故設其周期為0

44、.02s，幅值設為12，脈沖寬度設為5％，這里設觸發(fā)時間一個為0.005s，一個為0.015s，即觸發(fā)角α為90°。其仿真波形如圖16所示。根據(jù)示波器輸入端口的順序，波形圖分別表示：電源電壓、負載電壓、負載電流、正相觸發(fā)脈沖、負相觸發(fā)脈沖。</p><p>　　圖16 MATLAB仿真波形圖</p><p><b>　　個人小結(jié)</b></p>

45、<p>　　此次課程設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。做了課設后，對交流調(diào)壓和調(diào)功電路的了解更加深入，以前沒有細究的問題都逐一查資料解決。特別是對調(diào)壓電路中α的變化對波形的影響首次清楚認識，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

46、的設計。選用了集成觸發(fā)電路KJ004，但是要應用它還需加上很多外圍電路。最后通過查閱各種資料完成了設計，同時也對觸發(fā)電路有了更多的了解。在畫電路圖時，proteus里沒有KJ004這個元器件，故還需要自己畫一個芯片、封裝來應用，不過不能用其來進行仿真。</p><p>　　然后實際中要加入很多保護電路來保證電路的穩(wěn)定、安全運行。這里因為其電流很大，又考慮到晶閘管的換相過電壓，就加入了快速熔斷器，并給晶閘管加了緩沖

47、電路。平時設計對這些保護電路都沒有怎么考慮，這次課程設計讓我對各種保護電路也有了個了解和學會選擇。</p><p>　　此次仿真讓我對MATLAB的simulink仿真有了進一步的了解,對元器件的作用和選擇，構(gòu)成電路的大致步驟都加深了印象。仿真時出了一些問題，通過不斷地努力都解決了。同時發(fā)現(xiàn)MATLAB的功能真是十分強大，仿真方式和普通仿真軟件有較大差別，各有好處，在以后的設計中可以互補使用。</p>

48、<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><p>　　[3]《常用晶閘管觸發(fā)器集成電路及應用》李宏編著?？茖W出版社，2011.1<