單相交流調(diào)壓電路課程設(shè)計(jì)

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目: 單相交流調(diào)壓電路院(系): 能源工程學(xué)院 專業(yè)年級(jí): 13級(jí)電氣二班 姓 名: 徐剛剛 學(xué) 號(hào): 1305230246 指導(dǎo)教師: 荊紅莉 2015年12月 28日課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：能源工程學(xué)院 教研室：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào)1305230246學(xué)生姓名徐剛剛專業(yè)班級(jí)二班設(shè)計(jì)題目單相交流調(diào)壓電路課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課題完成的設(shè)計(jì)任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能利用晶閘管構(gòu)成交流調(diào)壓電路，對(duì)電加熱設(shè)備、白熾燈、鹵鎢燈、電風(fēng)扇燈等進(jìn)行平滑的調(diào)溫、調(diào)光、調(diào)速。設(shè)計(jì)任務(wù)1、方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、主電路設(shè)計(jì)。3、通過計(jì)算選擇器件的具體型號(hào)。4、

2、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)kj004。5、繪制相關(guān)電路圖。要求1、 文字在4000字左右。2、 文中的理論分析與計(jì)算要正確。3、 文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術(shù)參數(shù)1、交流電源：單相220V。2、輸出電壓在0220V連續(xù)可調(diào)。3、輸出電流最大值5A。4、負(fù)載為電阻負(fù)載或阻感負(fù)載。5、根據(jù)實(shí)際工作情況，最小控制角取20300左右。工作計(jì)劃第1天：集中學(xué)習(xí)；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：主電路設(shè)計(jì)；第5天：選擇器件；第6天：觸發(fā)電路設(shè)計(jì)；第7天：保護(hù)電路設(shè)計(jì)；第8天：電路調(diào)試或仿真；第9天：總結(jié)并撰寫說明書；第10天：答辯指導(dǎo)教師評(píng)語及成績平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 指導(dǎo)教師

3、簽字： 總成績： 年 月 日注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算 前 言電力電子技術(shù)是研究采用電力電子器件實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的交換和控制的科學(xué)，是20世紀(jì)50年代誕生，70年代迅速發(fā)展起來的一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。這些技術(shù)包括以節(jié)約能源、提高照明質(zhì)量為目的的綠色照明技術(shù)；以節(jié)約能源、提高運(yùn)行可靠性并更好地滿足產(chǎn)要求為目的的交流變頻調(diào)速技術(shù)，以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可控制性為目的，并可有效節(jié)能的靈括（柔性）交流輸電技術(shù)等等。隨著電力半導(dǎo)體制造技求、徽電子技術(shù)、汁算機(jī)技術(shù)，以及控制理論的不斷進(jìn)步。電力電子技求向著大功率、高頻化及智能化方向發(fā)展，應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)⒏訌V闊

4、。交流調(diào)壓電路廣泛應(yīng)用于燈光控制，如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制及其異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，也應(yīng)用于異步電機(jī)調(diào)速。在電力系統(tǒng)中，這種電路也用于對(duì)無功功率的調(diào)節(jié)。目錄前 言31 單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)51.1 設(shè)計(jì)目的和要求分析52 設(shè)計(jì)方案選擇553 單向調(diào)壓電路單元電路的設(shè)計(jì)63.1 單相調(diào)壓主電路64 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)74. 1 晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求74. 2 觸發(fā)電路74.2.1 KJ004可控硅移相電路74.2.2 KJ004可控硅移相電路工作原理74.3觸發(fā)電路95 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)95. 1 過電壓的產(chǎn)生與保護(hù)95. 2 過電流的產(chǎn)生與保護(hù)106 相交流調(diào)壓電路參數(shù)設(shè)定與計(jì)算1161 電阻性負(fù)

5、載116.2電路分析與計(jì)算127 主電路及觸發(fā)電路各主要元器件的選擇147.1 主電路圖及觸發(fā)電路147.2主要元器件的選擇148仿真圖及其結(jié)果158.1 仿真電路圖158.2 仿真效果圖16參考文獻(xiàn)21單相交流調(diào)壓電路總結(jié)及體會(huì)221 單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)目的和要求分析設(shè)計(jì)一個(gè)單相交流調(diào)壓電路，要求觸發(fā)角為60度。輸入交流U2=210伏。要求分析：1. 單相交流調(diào)壓主電路設(shè)計(jì)，原理說明；2觸發(fā)電路設(shè)計(jì)，每個(gè)開關(guān)器件觸發(fā)次序與相位分析；3保護(hù)電路設(shè)計(jì)，過電流保護(hù)，過電壓保護(hù)原理分析；4參數(shù)設(shè)定與計(jì)算(包括觸發(fā)角的選擇，輸出平均電壓，輸出平均電流，輸出有功功率計(jì)算，輸出波形分析，器

6、件額定參數(shù)確定等可自己添加分析的參數(shù))；5. 相關(guān)仿真結(jié)果。 由以上要求可知該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為四個(gè)部分：交流調(diào)壓主電路設(shè)計(jì)、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)、保護(hù)電路設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算和波形分析部分。 2 設(shè)計(jì)方案選擇本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)思想是：采用兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)加負(fù)載為主電路，外加觸發(fā)電路；觸發(fā)電路控制晶閘管的導(dǎo)通，從而控制輸出。其系統(tǒng)框圖如下所示：主 電 路電阻負(fù)載輸出交流輸入觸發(fā)電路圖1.1 系統(tǒng)整體框圖 3 單向調(diào)壓電路單元電路的設(shè)計(jì)3.1 單相調(diào)壓主電路 如果在交流電源和負(fù)載之間之間用兩個(gè)晶間管反并聯(lián)后串聯(lián)到交流電路中，通過對(duì)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。在每

7、半個(gè)周波內(nèi)通過對(duì)晶間管開通相位的控制，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。這種電路還用干對(duì)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)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。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)；同樣，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)，這都是十分不經(jīng)濟(jì)的。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓，其電壓電流值都不太大也不太小，在變壓器二次側(cè)只要用二極管整流就可以了。但這種交流調(diào)壓電路控制方便，體積小、投資省計(jì)制造簡單。因此廣泛應(yīng)用于需調(diào)溫的工頻加熱、燈光調(diào)節(jié)及風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的異步電機(jī)調(diào)速等場(chǎng)合。圖31所示

8、的就是一種采用晶閘管為主開關(guān)元件的單相交流調(diào)壓電路圖，這種交流調(diào)壓電路的主電路僅由一對(duì)反并聯(lián)的晶閘管或一只雙向晶閘管構(gòu)成。圖 3.1 單相交流調(diào)壓電路圖4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)4. 1 晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(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(shí)刻有阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。4. 2 觸發(fā)電路4.2.1 KJ004可控硅移相電路可控硅移相觸發(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(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低,有脈沖列調(diào)

9、制輸出端等功能與特點(diǎn)。4.2.2 KJ004可控硅移相電路工作原理電路由同步檢測(cè)電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電原理見下圖：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(duì)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(shí)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(gè)移相范圍。觸發(fā)電路為正極性型,即移相電壓增加,導(dǎo)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。其封裝形式如圖所示：圖4.1 KJ004封裝形式各引腳功能如下表

10、所示： 表4.1 引腳功能功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調(diào)制輸出+Vcc引線腳號(hào)123456789101112131415164.3觸發(fā)電路圖4.2 觸發(fā)電路5 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)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(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓、過電流、du/dt保護(hù)和di/dt 保護(hù)也是必要的。5. 1 過電壓的產(chǎn)生與保護(hù)過壓保護(hù)要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到定電壓值時(shí)，自動(dòng)開通保護(hù)電路，使過壓通過保護(hù)電路形成通路，消耗過壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過壓的能量不會(huì)加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。為了達(dá)到保

11、護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時(shí)，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護(hù)電路如圖5.1所示。圖5.1 RC阻容過電壓保護(hù)電路圖5. 2 過電流的產(chǎn)生與保護(hù)當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流。當(dāng)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?dòng)系統(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，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對(duì)較差，必須對(duì)變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。采用快速熔斷器是

12、電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種的過流保護(hù)措施。圖5.2 過電流保護(hù)電路圖過電流保護(hù)電路如圖5.2所示，其中交流側(cè)接快速熔斷器能對(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^同個(gè)電流因而被廣泛使用。電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作。6 相交流調(diào)壓電路參數(shù)設(shè)定與計(jì)算61 電阻性

13、負(fù)載相交流調(diào)壓變流器參數(shù)設(shè)定：要求觸發(fā)角為60，輸入流U2=220V，輸出負(fù)載電阻200。 圖6.1為電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形。圖6.1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路圖6.2為60度時(shí)相應(yīng)的波形圖6.2電路分析與計(jì)算在單相交流調(diào)壓電路原理圖中，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U2的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的開通角 進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負(fù)半周 起始時(shí)刻（ =0）均為電壓過零時(shí)刻。在穩(wěn)態(tài)情況下應(yīng)是正負(fù)半周的相等，可以看出，負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流和負(fù)載電壓的波形相同。輸出平均電壓、電流及輸出有功功率的計(jì)算根據(jù)公式計(jì)算得出如下結(jié)

14、果： (1)=0.987A (2)IVT= (3)=0.897 (4) 從圖及以上各式可以看出，的移相范圍為，=0時(shí)，相當(dāng)于晶閘管一直通，輸出電壓為最大值，uo=u1。隨著的增大，uo慢慢減少，直到=時(shí)uo=0。7 主電路及觸發(fā)電路各主要元器件的選擇7.1 主電路圖及觸發(fā)電路圖7.1 主電路及觸發(fā)電路7.2主要元器件的選擇 通過計(jì)算可知，晶閘管的電壓峰值UTM=Uo=197.34故UTM=279.12V，考慮2倍余量，UTM取600V。晶閘管額定電流IT(AV)IVT/1.57A=0.698/1.57A=0.765A，考慮2倍余量，IT(AV)取2A；所有晶閘管選取2A，600V的型號(hào)，KP2

15、-6。8仿真圖及其結(jié)果8.1 仿真電路圖SIMULINK是Mathworks公司開發(fā)的MATLAB仿真工具之一,其主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真與分析. SIMULINK支持線性系統(tǒng)仿真和非線性系統(tǒng)仿真;可以進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)仿真,也可以進(jìn)行離散系統(tǒng)仿真,或者兩者混合的系統(tǒng)仿真;同時(shí)也支持具有多種采樣速率的采樣系統(tǒng)仿真.利用SIMULINK對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析,可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)修正或者按照仿真的最佳效果來調(diào)試及確定控制系統(tǒng)的參數(shù),以提高系統(tǒng)的性能,減少設(shè)計(jì)系統(tǒng)過程中反復(fù)修改時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)高效率地開發(fā)實(shí)際系統(tǒng)的目標(biāo)。SIMULINK框圖提供了交互性很強(qiáng)的非線性仿真環(huán)境,可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真

16、,或使用命令進(jìn)行批處理.仿真結(jié)果可以在運(yùn)行的同時(shí)通過示波器或圖形窗口顯示.利用matlab軟件進(jìn)行一系列仿真，其原理圖如下：圖8.1 電路仿真原理圖表8.1 仿真元器件表符號(hào)名稱或功能AC Voltage Source交流輸入100VThyristor1晶閘管1Thyristor2晶閘管2VT1正向觸發(fā)脈沖VT2反向觸發(fā)脈沖scope示波器五路輸出電壓表A便于仿真附件電壓表B便于仿真附件電流表便于仿真附件R負(fù)載 8.2 仿真效果圖 輸入為100V交流，分別仿真觸發(fā)30°，40°，45°，60°，90°，120°，150°，1

17、60°，180°等仿真圖。分別仿真其輸入100V，VT1，VT2觸發(fā)脈沖，輸出電壓，電流等。圖8.2 觸發(fā)角30°時(shí)圖8.3 觸發(fā)角40°時(shí)圖8.4 觸發(fā)角45°時(shí)圖8.5 觸發(fā)角60°時(shí)圖8.6 觸發(fā)角90°時(shí)圖8.7 觸發(fā)角120°時(shí)圖8.8 觸發(fā)角160°時(shí)圖8.9 觸發(fā)角180°時(shí)此時(shí)輸出電壓，電流已很小，其幅度已接近于0。參考文獻(xiàn)1 王兆安 劉進(jìn)軍 電力電子技術(shù) . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2009 2 王中鮮 MATLAB仿真與應(yīng)用 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 20143 黃俊, 王兆安 電子電流變電技術(shù) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 20014 黃俊 電力電子技術(shù) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2000.5 周克寧 電力電子技術(shù) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 20046 林輝 電力電子技術(shù) 武漢：武漢理工大學(xué)出版社 2001單相交流調(diào)壓電路總結(jié)及體會(huì)通過本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我加深了對(duì)本課程知識(shí)的理解，平常都是理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，在此次課程設(shè)計(jì)中，真正做到了自己查閱資料、完成一個(gè)基本匯編程序的設(shè)計(jì)。在此次的設(shè)計(jì)過程中，我更進(jìn)一步地熟悉了單相交流調(diào)壓電路