單相交流調(diào)壓電路

1、電力電子課程設(shè)計 單相交流調(diào)壓電路學(xué) 院：工程學(xué)院班 級：12電氣2班 姓 名：2015年6月摘 要本次課程設(shè)計，先明確了實驗的要求和設(shè)計目的設(shè)計一個單相交流調(diào)壓電路。然后根據(jù)要求進行電路設(shè)計，包括主電路、觸發(fā)電路。排版等等。設(shè)計并發(fā)現(xiàn)、解決相應(yīng)的問題。之后對電路進行了實驗仿真，通過仿真實驗，再發(fā)現(xiàn)其中的問題和不足，進行更改和完善。然后確定實驗所需的元器件。確定之后，進行器件的購買，之后進行電路板實物的焊接。焊接后要進行調(diào)試。發(fā)現(xiàn)和排除錯誤，調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)了問題，然后經(jīng)過實驗儀器的排錯，線路元器件的排錯，發(fā)現(xiàn)了兩處問題，更改之后就正常了。接著是對波形的觀察和數(shù)據(jù)的記錄。完成這些后，對數(shù)據(jù)進行處理

2、，整理結(jié)論。最后是我們的心得體會和收獲。以及完成報告總結(jié)。關(guān)鍵詞 主電路 觸發(fā)電路 波形 負(fù)載電壓 調(diào)壓 目 錄一、設(shè)計任務(wù)及目的 4 （一）設(shè)計要求任務(wù) 4（二）設(shè)計目的 4二、實驗器件、設(shè)備及所用軟件 4（一）實驗材料的選擇 5（二） 實驗所需設(shè)備 5（三）所用軟件 5三、電路設(shè)計方案的設(shè)計和選擇 5（一）方案的確立 5（二）實驗電路的設(shè)計 61、觸發(fā)電路的設(shè)計 61.1 觸發(fā)信號的種類 61.2 觸發(fā)電路的設(shè)計 62、主電路的設(shè)計 9四、完整電路圖及實物圖 11五、實驗波形及數(shù)據(jù) 12 （一）=30°時 12（二）=60°時 13（三）=90°時 15（四）

3、=120時 17六、實驗數(shù)據(jù)處理 19七、結(jié)論總結(jié) 20八、心得體會 21參考文獻 22單相交流調(diào)壓電路前 言電力電子線路的基本形式之一，即交流交流變換電路，它是將一種形式的交流電能變換成另一種形式交流電能電路。在進行交流交流變換時，可以改變交流電的電壓、電流、頻率或相位等。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(fù)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

4、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。一、 設(shè)計任務(wù)及目的（一）設(shè)計要求任務(wù)1. 設(shè)計一個單相交流調(diào)壓電路。輸入電壓為36V交流，輸出交流電壓可變，帶純電阻性負(fù)載。2. 提出電路設(shè)計方案，比較不同的方案并選定方案。3. 完成電路的設(shè)計和主要元器件的選擇及說明。4. 進行實驗仿真及電路板的焊接和測試性能。5. 分析實驗數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。（二）設(shè)計目的 使學(xué)生熟悉各種電力電子器件的特性和使用方法；掌握各種電力電子變流電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法、設(shè)計計算方法及實驗技能；熟悉各種電力電子變流裝置的應(yīng)用范圍及技

5、術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。訓(xùn)練學(xué)生綜合運用學(xué)過的變流電路原理的基礎(chǔ)知識，通過資料查找、方案選擇、電路設(shè)計，進一步加深對變流電路基本理論的理解，提高動手動腦的基本應(yīng)用技能。二、 實驗器件、設(shè)備及所用軟件（一）實驗材料的選擇根據(jù)我們的設(shè)計需要，確定如下的器材：表1 實驗所需元件表序號元件名型號/規(guī)格數(shù)量備注1萬用板19*15cm22芯片插座18腳3整流橋DB10714二極管1N400745晶閘管MCR 100-62代替BT169B6三極管2N22221NPN型7三極管2N39061PNP型8電容0.47F19可調(diào)電位器20k110隔離變壓器211電阻1k111k*3+(1+1)k*412電阻4.3k1（二） 實

6、驗所需設(shè)備電烙鐵 焊錫 導(dǎo)線 萬用表 脈沖示波器 36V交流電源（三）所用軟件 Multisim12.0 三、電路設(shè)計方案的設(shè)計和選擇（一）方案的確立題目要求為：輸入電壓為36V交流，輸出交流電壓可變，帶純電阻性負(fù)載。所以根據(jù)上課所學(xué)知識和查閱相關(guān)資料，我們初步選定了方案：如圖，將兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，在每半個周波內(nèi)通過控制晶閘管開通相位，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。圖1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路 （二）實驗電路的設(shè)計1、觸發(fā)電路的設(shè)計1.1 觸發(fā)信號的種類 晶閘管有關(guān)斷到開通,必須具備兩個外部條件:第一是承受足夠的正向電壓;第二是門極與陰極之間加一適當(dāng)?shù)恼螂妷?、電流信號?/p>

7、門極觸發(fā)信號有直流信號、交流信號和脈沖信號三種基本形式。 (1) 直流信號 在晶閘管加適當(dāng)?shù)年枠O正向電壓的情況下，在晶閘管門極與陰極間加適當(dāng)?shù)闹绷麟妷?，則晶閘管將被觸發(fā)導(dǎo)通。這種方式實際應(yīng)用中最少。因為晶閘管在其導(dǎo)通后就不需要門極信號繼續(xù)存在。若采用直流觸發(fā)信號將使晶閘管門極損耗增加，有可能超過門極功耗：在晶閘管反向電壓時，門極直流電壓將使反向漏電流增加，也有可能造成晶閘管的損耗。 (2) 交流信號 在晶閘管門極與陰極間加入交流電壓，當(dāng)交流電壓uc=ut時，晶閘管導(dǎo)通，ut是保證晶閘管可靠觸發(fā)所需的最小門極電壓值，可改變觸發(fā)延遲角 。這種觸發(fā)形式也存在許多的缺點，如：在溫度變化和交流電壓幅值波

8、動時，觸發(fā)延遲角不穩(wěn)定，可通過交流電壓uo值來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的變化范圍較小。(3) 脈沖信號  在晶閘管門極觸發(fā)電路中使用脈沖信號，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時刻，降低晶閘管門極功耗，還可以通過變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實現(xiàn)信號的隔離輸出。因此，觸發(fā)信號多采用脈沖形式。1.2 觸發(fā)電路的設(shè)計方案一 采用KC05移相觸發(fā)器進行觸發(fā)電路的設(shè)計。KCO5可控硅移相觸發(fā)器適用于雙向可控硅或兩只反向并聯(lián)可控硅的交流相位控制。KC05觸發(fā)芯片具有鋸齒波形好，移相范圍寬，控制方式簡單，易于集中控制，有失交保護，輸出電流大等優(yōu)點，是交流調(diào)光，調(diào)壓的理想電路。KC05電路也適用于作半控或全控橋式線路的相位控制

9、。同步電壓由KC05的15、16腳輸入，在TP1點可以觀測到鋸齒波，RP1電位器調(diào)節(jié)鋸齒波的斜率，Rp2電位器調(diào)節(jié)移相角度，觸發(fā)脈沖從第9腳，經(jīng)脈沖變壓器輸出。調(diào)節(jié)電位器RP1，觀察鋸齒波斜率是否變化，調(diào)節(jié)RP2，可以觀察輸出脈沖的移相范圍如何變化單相交流調(diào)壓觸發(fā)電路原理圖如下圖。圖2  單相交流調(diào)壓觸發(fā)電路原理圖方案二 采用KJ004可控硅移相觸發(fā)電路。該電路適用于單相、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)。KJ004器件輸出兩路相差180度的移項脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。該電路具有輸出負(fù)載能力大，移相性好，正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電

10、壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點。下面是KJ004的應(yīng)用實例。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。 電路原理見下圖：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(yīng)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(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。KJ004的同步電壓為任意值。以下是KJ004的典型接線圖。圖3 KJ004構(gòu)成的觸發(fā)

11、電路方案三 采用普通三極管觸發(fā)的單相晶閘管電路，兩個三極管組成互補型放大器以構(gòu)成晶閘管VT1的觸發(fā)電路。36V電源先通過整流橋整流輸出全波脈動電壓，此電壓經(jīng)R1，R6，R8向電容C充電，使Q2發(fā)射極電壓不斷升高，當(dāng)高于其基極電壓時，Q1,Q2即導(dǎo)通，晶閘管門極獲得觸發(fā)脈沖，D9導(dǎo)通。此時，電容C通過Q1,Q2及R4放電，正電源又重新通過R1,R6,R8向其充電。所以，通過調(diào)節(jié)電位器的阻值可以改變Q2發(fā)射極輸出脈沖時間向后移動或者向前移，即改變晶閘管的導(dǎo)通角，即實現(xiàn)觸發(fā)。具體觸發(fā)電路如下圖。 圖4 三極管互補觸發(fā)電路以上是我們的三種觸發(fā)電路圖，我們本來的選擇是以方案一為主。方案一的應(yīng)用比較廣泛，

12、在實驗室里用的就是方案一的電路。但是即使是用了集成的芯片KC05，這個電路圖也并不簡單，還要用到直流電源，較麻煩。最重要的是，我們在實際的元器件購買中，找了很多家店都沒有賣KC05和KJ004的，考慮到時間的問題以及經(jīng)費。我們放棄了方案一。而方案三的觸發(fā)電路經(jīng)過我們的仿真實驗調(diào)試，能夠很好的達到要求。而且電路圖又不麻煩，又是我們自己設(shè)計的，原理掌握也很熟悉。于是，最終我們的觸發(fā)電路選擇了方案三。2、主電路的設(shè)計所謂交流調(diào)壓就是將兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，在每半個周波內(nèi)通過控制晶閘管開通相位，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。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

13、動機調(diào)速。此外，在高電壓小電流或低電壓流之流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。本次課程設(shè)計主要是研究單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計。下圖就電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路進行分析。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U2的正半周和負(fù)半周，分別對VT1和VT2的移相控制角 進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正、負(fù)半周起始時刻（a=0），均為電壓過零時刻。在wt=aw時，對VT1施加觸發(fā)脈沖，當(dāng)VT1正向偏置而導(dǎo)通時，負(fù)載電壓波形與電源電壓波形相同；在wt=時，電 源電壓過零，因電阻性負(fù)載，電流也為零，VT1自然關(guān)斷。在wt=+a+時，對VT2施加觸發(fā)脈沖，

14、當(dāng)VT2正向偏置而導(dǎo)通時，負(fù)載電壓波形與電源電壓波形相同；在wt=2時，電源電壓過零，VT2自然關(guān)斷。當(dāng)電源電壓反向過零時，由于反電動勢負(fù)載阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時晶閘管導(dǎo)通角的大小，不但與控制角a有關(guān)，而且與負(fù)載阻抗角有關(guān)。兩只晶閘管門極的起始控制點分別定在電源電壓每個半周的起始點。穩(wěn)態(tài)時，正負(fù)半周的相等，負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（電源電流）和負(fù)載電壓的波形相似。  圖5 主電路圖6 單相交流電壓電路波形四、 完整電路圖及實物圖 圖7 完整仿真電路圖8 實物電路板五、 實驗波形及數(shù)據(jù)（一）=30°時圖9 實際30°時觸發(fā)和整流波

15、形及負(fù)載電壓圖10 仿真30°觸發(fā)和整流波形及負(fù)載電壓圖11 實際30°時負(fù)載電壓波形圖12 仿真30°時負(fù)載電壓波形（二）=60°時圖13 實際大約60°時觸發(fā)和整流波形及負(fù)載電壓圖14 仿真60°時觸發(fā)和整流波形及負(fù)載電壓圖15 實際約60°時負(fù)載電壓波形圖16 仿真60°時負(fù)載電壓波形（三）=90°時圖17 實際大約90°時觸發(fā)和整流波形及負(fù)載電壓圖18 仿真90°時觸發(fā)和整流波形及負(fù)載電壓圖19 實際約90°時負(fù)載電壓波形圖20 仿真90°時負(fù)載電壓波形（四

16、）=120°時圖21 實際大約120°時觸發(fā)和整流波形及負(fù)載電壓圖22 仿真120°時觸發(fā)和整流波形及負(fù)載電壓圖23 實際約120°時 負(fù)載電壓波形圖24 仿真120°時負(fù)載電壓波形 六、 實驗數(shù)據(jù)處理（一）負(fù)載電壓有效值故移相范圍為0。=0時，輸出電壓為最大， U0=U2。隨著的增大，U0降低，當(dāng)=時，U0=0。 =在我們的實驗中U2的值為36V，所以取幾個特殊值計算的結(jié)果如下表2 負(fù)載電壓的計算值、實際值角度 U2（V）U0計算值（V）U0實驗值（V）U0仿真值（V）30°36 35.533.834.560°3632.3

17、27.131.490°3625.521.424.4120°3615.913.313.4 由上表，我們用萬用表測出實際值和計算值是有一定的誤差的，這是因為在實際中示波器的觀察角度無法確定的很準(zhǔn)確，所以會有一定的誤差。而且空氣中有一些諧波對我們觀察也會有一些的影響。不過總體上實驗結(jié)果還是正確可信的。所以通過控制角的大小，單相交流調(diào)壓電路能夠得到很好的調(diào)壓結(jié)果。（二）負(fù)載電流有效值晶閘管電流有效值：（三）功率因數(shù)=0時, 功率因數(shù)=1, 增大,輸入電流滯后于電壓且畸變,降低。七、 結(jié)論總結(jié)通過設(shè)計可以總結(jié)出，的移相范圍為0。=0時，相當(dāng)于晶閘管一直導(dǎo)通，輸出電壓為最大值，U。=U

18、1。隨著的增大，U。逐漸減小。知道=時，U。=0。此外，=0時，功率因數(shù)=1，隨著的增大，輸入電流滯后于電壓且發(fā)生畸變，也逐漸降低。完成了題目單相交流調(diào)壓電路，輸入電壓為36V交流，輸出交流電壓可變，帶純電阻性負(fù)載的電路設(shè)計，很好地實現(xiàn)了相應(yīng)的功能。八、 心得體會 在這次的課程設(shè)計中，我們歷經(jīng)一個多星期，最終完成了全部內(nèi)容。其中的每一步都令我們記憶深刻。一次課程設(shè)計讓我們學(xué)到了很多知識，包括對課本內(nèi)容加深的理解和其他知識的擴充。每個人都有了自己的體會和看法。：在這次課程設(shè)計中，我負(fù)責(zé)電路的設(shè)計及調(diào)試工作，最難的在觸發(fā)電路的設(shè)計上以及各電力電子器件型號選擇，所以認(rèn)真了解各型號晶閘管相應(yīng)參數(shù)及性能

19、是這次課程設(shè)計的關(guān)鍵。根據(jù)選擇的管子和主電路設(shè)計觸發(fā)電路，比如在單相交流調(diào)壓設(shè)計中，兩個管子分別在正負(fù)半周期觸發(fā)并且相差180度，需要兩組觸發(fā)電路。但是根據(jù)晶閘管的導(dǎo)通特性，用整流橋整流后讓觸發(fā)電路在正負(fù)半周期都產(chǎn)生脈沖，將一組脈沖同時輸給兩個管子也可以達到兩組觸發(fā)電路的效果，這樣就簡化了電路。同時在調(diào)試過程中，除了對設(shè)計電路的熟悉和各個關(guān)鍵點波形的了解外，還需要有一定的技巧和檢測電路的思維，就是逆向檢測，從后面的電路往電源側(cè)逐個檢測，從而找出原因所在也為調(diào)試帶來很大的方便。：開始的時候覺得這次課程設(shè)計是比較簡單的，幾個題目的主電路都是很簡單的。實際實現(xiàn)過程中遇到了一些問題。才意識到這次課程設(shè)計沒有想象中那么簡單。其實問題主要在于觸發(fā)