單相交流調(diào)壓調(diào)功課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　題目： 單相交流調(diào)壓調(diào)功課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　單相交流調(diào)壓調(diào)功課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)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(jì)方案</b></p><p><b>　　4 分析結(jié)果</b></p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)計(jì)劃</b></p><p

3、>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)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(jì)方案；</p><p>　　第3～4天：電路原理設(shè)計(jì)與電路仿真；</p><p>　　第5天：編寫(xiě)整理設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。</p><p><b>　　四、設(shè)計(jì)要求</b>

4、;</p><p>　　1. 畫(huà)出整體電路圖。</p><p>　　2. 對(duì)所設(shè)計(jì)的電路全部或部分進(jìn)行仿真，使之達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)要求。</p><p>　　3. 寫(xiě)出符合設(shè)計(jì)格式要求的設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過(guò)

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(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)，也用于異步電動(dòng)機(jī)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(gè)交流電源周期都是通過(guò)觸發(fā)延遲角α對(duì)輸出的電壓波形進(jìn)行控制的，而是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)整周波，在斷開(kāi)幾個(gè)整周波，通過(guò)改變接通周波數(shù)和斷開(kāi)周波數(shù)的比值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)

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(duì)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(jì)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(jiǎn)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(fù)載3</p><p>　　2.1.1 原理3</p><p>　　2.1.2 計(jì)算與分析3</p><p>　　2

8、.2 帶阻感性負(fù)載4</p><p>　　2.2.1 原理分析4</p><p>　　2.2.2 計(jì)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(jì)7</p><p>　　3.1 主電路的設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1.1 主

9、電路圖7</p><p>　　3.1.2 參數(shù)計(jì)算7</p><p>　　3.1.3 調(diào)功電路的設(shè)計(jì)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(hù)電路的設(shè)計(jì)

10、9</p><p>　　3.3.1 原理9</p><p>　　3.3.2 計(jì)算10</p><p>　　第四章 個(gè)人總結(jié)11</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)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(jìn)行交流-交流變流時(shí)，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(jìn)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(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。</p><p>　　交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制及異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)也用于異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。在電力系統(tǒng)中，這種電路還常用于對(duì)無(wú)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(jì)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(duì)象是電路的平均輸出功率。像電爐溫度這樣的控制對(duì)象，其時(shí)間常數(shù)往往很大，沒(méi)有必要對(duì)交流電源的每個(gè)周期進(jìn)行頻繁的控制，只要以周波數(shù)為單位進(jìn)行控制就足夠了。通?？刂凭чl管導(dǎo)通的時(shí)刻都是在電源電壓過(guò)零的時(shí)刻，這樣，在交流電源接通期間，負(fù)載電壓電源都是正弦波，不對(duì)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(jiǎn)介</p><p>　　把兩個(gè)晶閘管反并

14、聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過(guò)對(duì)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(gè)周波內(nèi)通過(guò)對(duì)晶閘管開(kāi)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(gè)交流電源

15、周期都通過(guò)觸發(fā)延遲角α對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行控制，而是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)整周波，再斷開(kāi)幾個(gè)整周波，通過(guò)改變接通周波數(shù)與斷開(kāi)周波數(shù)的比值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)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(fù)載</p><p><b>　　2.1.1 原理</b></p>&

16、lt;p>　　圖1為電阻負(fù)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(gè)雙向晶閘管代替。在交流電源u1的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的開(kāi)通角α進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負(fù)半周α起始時(shí)刻（α=0）均為電壓過(guò)零時(shí)刻，穩(wěn)態(tài)時(shí)，正負(fù)半周的α相等。</p><p>　　可以看出，負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（也即電源電流）和負(fù)載電壓的波形相同，因此通過(guò)觸發(fā)延遲角α的變

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

18、t;b>　　負(fù)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(shí), 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(fù)載<

19、;/p><p>　　2.2.1 原理分析</p><p>　　圖2為帶阻感負(fù)載的單相交流調(diào)壓電路圖及其波形。</p><p>　　設(shè)負(fù)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(shí)負(fù)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(shí)，由于只能通過(guò)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(guò)零點(diǎn)之后，使

20、負(fù)載電流更為滯后，而無(wú)法使其超前。為了方便，把α=0的時(shí)刻仍定義在電源電壓過(guò)零的時(shí)刻，顯然，阻感負(fù)載下穩(wěn)態(tài)時(shí)α的移相范圍為φ ≤ α ≤π。但α<φ時(shí)，電路并非不能工作，后面第三小節(jié)會(huì)分析此種情況。 </p><p>　　2.2.2 計(jì)算與分析</p><p>　　當(dāng)在ωt=α?xí)r刻開(kāi)通晶閘管VT1，負(fù)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(shí)，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(lái)表示，如圖3所示。VT2導(dǎo)通時(shí)，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(fù)載電壓有效值：</b></p><p>　　晶閘管電流有效值為： </p><p><b>　　負(fù)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(shí)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(shí)，觸發(fā)VT1，則VT1的導(dǎo)通時(shí)間將超過(guò)π。因?yàn)閂T1提前導(dǎo)通，L被過(guò)充電，放電時(shí)間延長(zhǎng)， VT1的導(dǎo)通角超過(guò)π。觸發(fā)VT2時(shí)， i

24、0尚未過(guò)零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不通；i0過(guò)零后， VT2開(kāi)通， VT2導(dǎo)通角小于π，過(guò)渡過(guò)程和帶R-L負(fù)載的單相交流電路在ωt = (α<φ)時(shí)合閘的過(guò)渡過(guò)程相同，i0由兩個(gè)分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量。衰減過(guò)程中， VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短， VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長(zhǎng)，其穩(wěn)態(tài)的工作情況和α=φ時(shí)完全相同。α<φ時(shí)工作波形如圖5所示。</p><p><b>　　第三章 方案設(shè)計(jì)<

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

26、t;/p><p>　　由圖4知，一定時(shí)，越小，越大，即越大。當(dāng)時(shí)，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(jì)</p><p>　　以上的設(shè)計(jì)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(jì)條件中調(diào)功電路帶電阻性負(fù)載R=4Ω。故電路中應(yīng)將阻感性負(fù)載改為電阻性負(fù)載。</p><p>　　參數(shù)計(jì)算時(shí)，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(shí)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(jiǎn)單、可靠，觸發(fā)脈沖前沿陡、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但輸出功率小，不能很好的滿足電感性或反電動(dòng)勢(shì)負(fù)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(diǎn)：是整流裝置在負(fù)載連續(xù)時(shí)直流輸出電壓與控制電壓成線性關(guān)系；能部分補(bǔ)償電源電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響。缺點(diǎn)是：同步電壓直接受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)及干擾影響較大，特別是電源電壓波形畸變時(shí)，控制電壓與同步電壓波形交點(diǎn)不穩(wěn)定，導(dǎo)致整個(gè)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(dá)00～1800，實(shí)際上由于正弦波頂部平坦與控制電壓交點(diǎn)不明確而無(wú)法工作，實(shí)際移相范圍最多只能達(dá)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(duì)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(qiáng)觸發(fā)的特點(diǎn)，由于同步電壓采用鋸齒波，不直接受電網(wǎng)電壓波動(dòng)畸變的影響，移相范圍寬，克服了正弦波移相的缺點(diǎn)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(hù)電路的設(shè)計(jì)</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(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必要的。</p><p>　　過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)：</p><p>　　電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類。外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因，包括：操作過(guò)電壓、雷擊過(guò)電壓；內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件

34、的開(kāi)關(guān)過(guò)程，包括：換相過(guò)電壓、關(guān)斷過(guò)電壓。</p><p>　　過(guò)壓保護(hù)的基本原則是：根據(jù)電路中過(guò)壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的附加電路，當(dāng)達(dá)到—定過(guò)壓值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)通附加電路，使過(guò)壓通過(guò)附加電路形成通路，消耗過(guò)壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過(guò)壓的能量不會(huì)加到主開(kāi)關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。保護(hù)電路形式很多。</p><p>　　這里主要考慮晶閘管在實(shí)際應(yīng)用中一般會(huì)承受的換相過(guò)電壓，故可用阻容保護(hù)

35、電路來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰時(shí)，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(guò)壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過(guò)壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩。阻容保護(hù)電路如圖10所示。</p><p>　　過(guò)電流的產(chǎn)生及過(guò)電流保護(hù)：</p><p>　　引起過(guò)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(guò)載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低、缺相等，均可引起變換器內(nèi)元件的電流超過(guò)正常工作電流，即出現(xiàn)過(guò)流。由于電力電子器件的電流過(guò)載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此，必須對(duì)變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)流保護(hù)。</p><p>　　變換器的過(guò)流一般主要分為兩類：過(guò)載過(guò)流和短路過(guò)流。在晶閘管變換器中，快速熔斷器是應(yīng)用最普遍的過(guò)流保護(hù)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(duì)晶閘管元件短路及直流側(cè)短路起保護(hù)作用，但要求正常工作時(shí)，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對(duì)元件的短路故障所起的保護(hù)作用較差。直流側(cè)接快速熔斷器只對(duì)負(fù)載短路起保護(hù)作用，對(duì)元件無(wú)保護(hù)作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對(duì)元件的保護(hù)作用最好，因?yàn)樗鼈兞鬟^(guò)同—個(gè)電流。因而被廣泛使用。</p><p><b>　　3.3.2 計(jì)算</b></p><p&

38、gt;<b>　　阻容保護(hù)電路參數(shù)：</b></p><p>　　RC阻容保護(hù)電路參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來(lái)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(shí)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(gè)人總結(jié)</b></p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jì)能夠順利的進(jìn)行，我通過(guò)利用網(wǎng)絡(luò)、教科書(shū)、圖書(shū)館等途徑，查閱了大量關(guān)

41、于本設(shè)計(jì)有關(guān)的資料，了解到調(diào)壓電路中α的變化對(duì)波形的影響，并且知道了不同負(fù)載對(duì)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(shí)，標(biāo)幺值與α之間的關(guān)系。</p><p>　　此次電路的難點(diǎn)在于觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。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(duì)其波形及相控特性進(jìn)行了分析計(jì)算，分別對(duì)其帶阻性和容性負(fù)載進(jìn)行了分析計(jì)算，最終確定了設(shè)計(jì)方案，并

42、為其設(shè)計(jì)了保護(hù)電路。這次設(shè)計(jì)讓我的思維更加縝密，對(duì)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(xiàn)</b></p><p>　　[1]《電力電子技術(shù)》王兆安，劉進(jìn)軍主編。第5版，機(jī)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>