晶閘管單相交流調(diào)壓與調(diào)功電路設計

1、晶閘管單相交流調(diào)壓與調(diào)功電路設計1 題目初始條件初始條件：電源為工頻220V，調(diào)壓阻感負載，R0.5歐姆，L2mH。調(diào)功阻性負載R4歐姆。2 設計任務與設計要求分析通過分析題目的初始條件，可知本次課程設計有以下幾個基本要求：1單相交流調(diào)壓與調(diào)功主電路的設計。2. 觸發(fā)電路的設計。3.分析系統(tǒng)不同負載下的電流、電壓波形及相控特性。4.須針對電阻爐負載分析系統(tǒng)的過零控制特性。5. 需要繪制單相交流調(diào)壓與調(diào)功電路的原理圖。3 單相交流調(diào)壓電路的設計3.1單相交流調(diào)壓電路主電路的設計單相交流電壓主電路的設計主要包括：1.根據(jù)負載特性，選擇相應型號的晶閘管。2.根據(jù)相關(guān)理論分析、推導及計算，得到電路相關(guān)

2、參數(shù)3.1.1 單相交流調(diào)壓電路主電路原理圖圖一 單相交流調(diào)壓主電路原理圖3.1.2 電路各參數(shù)推導及計算通過分析可知，當單相交流調(diào)壓電路帶電阻性負載時，可得以下參數(shù)表達式：負載電壓、電流平均值 公式（1） 公式（2）負載電壓、電流有效值 公式（3） 公式（4） 公式（5）電路功率因數(shù)： 公式（6）當電路帶阻感性負載時，可以分析得負載電流相位應落后負載電壓相位一個固定的阻抗角，其大小應為,且相當明顯，當用晶閘管控制時，會使得負載電流更為滯后，即阻感性負載穩(wěn)態(tài)時，晶閘管的移相范圍為。且假設在晶閘管電流過零時開通一個晶閘管，則有負載電流應滿足以下微分方程和初始條件 公式（7） 公式（8）可以解得方

3、程的解為： 公式（9）利用邊界條件，可以得到，當以為參變量時，與的關(guān)系可以用一簇曲線來表示。如下圖所示：由以上公式可以推得：當單相交流調(diào)壓電路帶阻性負載時，若導通角為60°時，有負載平均電壓為,負載平均電流為，負載有效電壓值和有效電流值分別為，電路的功率因數(shù)為；同理可得，當導通角為90°時，相應的負載參數(shù)值分別為：電路的功率因數(shù)為當單相交流調(diào)壓電路帶阻感性負載時，可以定性分析得，負載的平均電壓值和平均電流值，負載的有效電壓值和有效電流值都應有所減小。3.1.3 晶閘管型號的選擇根據(jù)理論分析可知，晶閘管的額定電壓應是它承受的反向重復峰值電壓的（23）倍，而晶閘管的額定電流應是

4、其通態(tài)平均電流的（1.52）倍。而晶閘管的通態(tài)平均電流的定義為：元件在阻性負載情況下、工頻正弦半波、導通角不小于170°，其結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫所允許的最大通態(tài)平均電流。由上面推到的電路參數(shù)可知，所選的雙向晶閘管的額定電壓應大于440V；晶閘管的額定電流應大于（1.52）*396.14=792.28A； 公式（10）所以，我在本次設計中，采用KS500-800A它的型號是 KS800A/500V， 控制方式為雙向極數(shù)，額定正向平均電流 800（A），控制極觸發(fā)電壓500-1800（V）， KS系列平板型雙向晶閘管的額定工作電流800A額定工作電500V。3.2 單相交流調(diào)壓觸發(fā)電

5、路的設計本次設計中，我選用可控硅移相觸發(fā)器KJ006，KJ006主要用于交流供電的雙向可控硅或反并聯(lián)可控硅線路的交流相位控制。能由交流電網(wǎng)直接供電并無需外加同步信號、輸出變壓器和滯留工作電源，并且能直接與可控硅控制級直接耦合觸發(fā)。具有鋸齒波線性好、移相范圍寬、控制方式簡單輸出電流大等優(yōu)點。電參數(shù)如下：電源電壓： a外接直流電壓+15V，允許波動±5(±10功能正常)。b自生直流電源電壓：+(1215)V。電源電流：l2mA。同步電壓：l0V(有效值)。同步輸人端允許最大同步電流：6mA(有效值)。移相范圍：l70°(同步電壓220V，同步輸入電阻51k)。移相輸入

6、端偏置電流l0A。鋸齒波幅度：78.5v。輸出脈沖： a脈沖寬度：l00s2ms(通過改變脈寬阻容元件達到)。 b脈沖幅度：>13V(電源電壓l5V時)。 C最大輸出能力：200mA(吸收脈沖電流)。 d輸出反壓：BVceol8V(測試條件：lel00A)。正負半周脈沖相位不均衡度：±3°?？煽毓铏z測端最大輸入電流：6mA(有效值)。3.1.2 單相交流調(diào)壓電路觸發(fā)電路原理圖圖二 單相交流調(diào)壓觸發(fā)電路原理圖電路工作原理：KJ006是由同步檢波、鋸齒波形成電路、電流綜合比較放大電路、功率放大電路和失交保護電路等部分組成。外電路接線圖如圖二鋸齒波斜率決定于R7，RP1和C

7、1的數(shù)值，由R5、C2的數(shù)值決定，再經(jīng)過功率放大由9腳輸出，能夠得到200mA的輸出負載能力。從2腳也可以輸出失交脈沖，將2腳與12腳相連，具有失交保護功能。對不同的電網(wǎng)電壓，KJ006電路的同步限流電阻R1的選擇按下式計算：=73333110000。3.3 單相交流調(diào)壓電路阻性負載下的電流、電壓波形和相控特性3.3.1 單相交流調(diào)壓電路的matlab仿真原理圖 圖三 單相調(diào)壓電路MATLAB仿真圖3.3.2 導通角為60° A B圖四 導通角為60°時示波器波形圖60°3.3.3 導通角為90° A B 圖五 導通角為90°時示波器波形圖3.

8、3.4 仿真結(jié)果分析和總結(jié) 圖四，圖五是單相交流調(diào)壓電路分別在導通角為60°和90°情況時示波器的波形。圖像中第一個是輸入電網(wǎng)電壓波形；第二個是其中一個晶閘管的觸發(fā)脈沖波形，脈沖是幅值為12V，占空比為10%的方波；第三個是負載電壓的波形；第四個是負載電流的波形；第五個是第二個晶閘管的觸發(fā)脈動波形。由圖像可以很清楚的看到，當負載為阻感性時，負載電流的相位滯后負載電壓一個固定的角度，通過計算應該可得這個角度即是阻感角11.31。而且通過相同觸發(fā)角、不同性質(zhì)負載下負載電流波形可以看出，電感對電流有抗拒作用。但是負載電壓波形與理論分析不一致，這是因為理論分析時，是假設負載電感值為

9、無窮大的，但是實際電路中，電感值為2mH.。而且可以從不同觸發(fā)角下負載電壓波形可以分析出，當導通角越大時，負載電壓波形畸變越嚴重，平均值越小，這與電路參數(shù)分析得到的結(jié)論一致。4 單相交流調(diào)功電路的設計4.1 單相交流調(diào)功電路的主電路設計單相交流調(diào)功電路和單相交流調(diào)壓電路形式完全相同，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對輸出電壓波形進行調(diào)制，而是將負載與交流電源接通幾個整周期，然后再斷開幾個整周期，通過改變接通周期數(shù)和斷開周期數(shù)的比值來控制負載所消耗的平均功率?？芍?，交流調(diào)功電路適合控制時間常數(shù)大（電爐）這樣的負載。4.1.1 單相交流調(diào)功電路主電路原理圖圖六 交流調(diào)功主電路

10、原理圖4.1.2 晶閘管的選型經(jīng)過分析可知，單相交流調(diào)功電路所用的晶閘管可以采用與單相交流調(diào)壓電路所用的晶閘管一樣的型號?？梢酝耆珴M足單相交流調(diào)功電路的設計要求。4.1.3 電路各參數(shù)推導及計算4.2 單相交流調(diào)功電路的觸發(fā)電路的設計單相交流調(diào)功電路的觸發(fā)電路選擇使用可控硅過零觸發(fā)器KJ007?？煽毓柽^零觸發(fā)器KJ007能使雙向可控硅的開關(guān)過程在電源電壓為零或者電流為零的瞬間進行觸發(fā)。這樣，負載的瞬態(tài)浪涌電流和射頻干擾最小，可控硅的使用壽命就可以提高。電路內(nèi)部有自生直流穩(wěn)壓電源，可以直接接交流電網(wǎng)電壓使用。該電路具有零電壓觸發(fā)、零電流觸發(fā)、輸出電流大等特點。電參數(shù)如下： 電源電壓： a外接直流

11、電壓+(1216)V。 b自生直流電源電壓：+(12l4)V。 電源電流：l2 mA。 零檢測輸入端最大峰值電流：8mA。 輸出脈沖： a脈沖幅度：>13V。 b最大輸出能力：50mA(脈沖寬度400s以內(nèi))，可擴展。 C輸出反壓：BVceo18V(測試條件：Iel00A)。 輸入控制電壓靈敏度：l00mV、300mV、500mV。 零電流檢測輸出幅度：8V。 使用環(huán)境溫度為四級： C：070 R：-5585 E：-4085 M：-55125 KJ007采用雙列直插l4腳封裝。4.2.1 單相交流調(diào)功電路觸發(fā)電路原理圖KJ007工作原理：KJ007是KJ006的一種特例，該電路或者是零電

12、流觸發(fā)、或者是零電壓觸發(fā)，且只能是其中之一。零電壓觸發(fā)應用中，同步電壓通過R2加到1腳和14腳之間，內(nèi)部電路進行過零檢測。內(nèi)部電路的差分比較端（4腳）接基準電壓。當來自于2腳的電壓小于基準電壓時，5腳再同步電壓過零時觸發(fā)脈沖。當2腳電壓大于基準電壓時，5腳沒有觸發(fā)脈沖輸出。圖七 交流調(diào)功電路觸發(fā)電路原理圖4.3 單相交流調(diào)功電路的過零控制特性分析圖5-8為過零觸發(fā)單相交流調(diào)功電路。交流電源電壓u以及V1和V2的觸發(fā)脈沖ug1、ug2的波形分別如圖5-9所示。由于各晶閘管都是在電壓u過零時加觸發(fā)脈沖的，因此就有電壓uo輸出。如果不觸發(fā)V1和V2，則輸出電壓uo0。由于是電阻性負載，因此當交流電源

13、電壓過零時，原來導通的晶閘管因其電流下降到維持電流以下而自行關(guān)斷，這樣使負載得到完整的正弦波電壓和電流。由于晶閘管是在電源電壓過零的瞬時被觸發(fā)導通的，這就可以保證大大減小瞬態(tài)負載浪涌電流和觸發(fā)導通時的電流變化率di/dt，從而使晶閘管由于di/dt過大而失效或換相失敗的幾率大大減少。 5 晶閘管保護電路的設計5.1 晶閘管過電壓保護電路的設計正常工作時，晶閘管承受的最大峰值電壓為，超過此峰值電壓的就算過電壓。在整流裝置中，任何偶然出現(xiàn)的過電壓均不應超過元件的不重復峰值電壓，而任何周期性出現(xiàn)的過電壓則應小于元件的重復峰值電壓。這兩種過電壓都是經(jīng)常發(fā)生和不可避免的。因此，在變流過程中，必須采用各種

14、有效保護措施，以抑制各種暫態(tài)過電壓，保護晶閘管元件不受損壞。抑制暫態(tài)過電壓的方法一般有三種：用電阻消耗過電壓的能量；用非線性元件限制過電壓的幅值；用儲能元件吸收過電壓的能量。若以過電壓保護裝設的部位來分，有交流保護，直流保護，直流側(cè)保護和元器件保護3種。一、交流側(cè)過電壓保護交流側(cè)過電壓一般都是外因過電壓，在抑制外因過電壓的措施中，采用RC過電壓抑制電路是最為常見的。通常是在變壓器次級(元件側(cè))并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)化為電容器的電場能而儲存起來。串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能產(chǎn)生的振蕩。當整流器容量較大時，RC電路也可以接在

15、變壓器電源側(cè)。其電路圖如圖八所示。圖八 晶閘管過電壓保護電路原理圖 5.2 晶閘管過電流保護電路的設計變流裝置發(fā)生過電流的原因歸納起來有如下幾個方面：(1) 外部短路：如直流輸出端發(fā)生短路。(2) 內(nèi)部短路：如整流橋主臂中某一元件被擊穿而發(fā)生的短路。(3) 可逆系統(tǒng)中產(chǎn)生換流失敗和環(huán)流過大。(4) 生產(chǎn)機械發(fā)生過載或堵轉(zhuǎn)等。晶閘管元件承受過電流的能力也很低，若過電流數(shù)值較大而切斷電路的時間又稍長，則晶閘管元件因熱容量小就會產(chǎn)生熱擊穿而損壞。因此必須設置過流保護，其目的在于一旦變流電路出現(xiàn)過電流，就把它限制在元件允許的范圍內(nèi)，在晶閘管被損壞前就迅速切斷過電流，并斷開橋臂中的故障元件，以保護其它元

16、件。晶閘管變流裝置可能采用的過流保護措施有：交流斷路器；進線電抗器；靈敏過電流繼電器；斷路器；電流反饋控制電路；直流快速開關(guān)；快速熔斷器?？砂磳嶋H需要選擇其中一種或數(shù)種。本設計采用的晶閘管過電流保護措施是快速熔斷器保護方法，其額定電流一般取晶閘管平均電流的1.52倍。圖九 晶閘管過電流保護電路6 電路原理圖6.1 單相交流調(diào)壓電路原理圖 圖十 交流調(diào)壓電路原理圖6.2 單相交流調(diào)功電路原理圖圖十一 交流調(diào)功電路原理圖 總結(jié)電力電子技術(shù)的應用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力通信、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等加用電氣及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應用。通過本次課程設計，我了解到了交流調(diào)壓電路在實際社會生活中的一般應用電路和應用方法，也比較深刻的認識了交流調(diào)壓電路與交流調(diào)功電路控制方式和所驅(qū)動負載特性的不同。通過這次課程設計，我充分鍛煉了自己的能力，包括查閱資料的能力，設計能力，與同學相互探討的能力，也學會了怎樣使用MATLAB來仿真電力電子相關(guān)期間和電路。參考文獻1楊威，張金棟