相控式單相交流調(diào)壓電路設(shè)計(jì)說明

..集美大學(xué)電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：相控式單相交流調(diào)壓電路設(shè)計(jì)__學(xué)號(hào)：學(xué)院：專業(yè)__指導(dǎo)時(shí)間：2015年6月19日目錄：0概述-------------------------------------------------------------11設(shè)計(jì)的目的-------------------------------------------------------12設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求-------------------------------------------------22.1設(shè)計(jì)任務(wù)---------------------------------------------------22.2設(shè)計(jì)要求---------------------------------------------------23主電路總體方案設(shè)計(jì)------------------------------------------------23.1總體方案設(shè)計(jì)思路--------------------------------------------23.2主電路工作原理----------------------------------------------3主電路工作情況分析------------------------------------3負(fù)載電流分析------------------------------------------43.3主電路參數(shù)計(jì)算及元器件選擇----------------------------------6主電路參數(shù)計(jì)算----------------------------------------6主電路元器件的選型------------------------------------73.3.3芯片的詳細(xì)介紹----------------------------------------84基于MATLAB/Simulink的仿真設(shè)計(jì)-----------------------------------94.1仿真模型建立------------------------------------------------94.2仿真參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果-------------------------------------104.3仿真波形分析-----------------------------------------------125實(shí)際電路設(shè)計(jì)----------------------------------------------------125.1總電路設(shè)計(jì)-------------------------------------------------125.2觸發(fā)控制電路設(shè)計(jì)-------------------------------------------135.3保護(hù)電路的設(shè)計(jì)---------------------------------------------14設(shè)計(jì)總結(jié)-----------------------------------------------------------15參考文獻(xiàn)-----------------------------------------------------------15..0概述交流調(diào)壓電路在廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)當(dāng)中,生活中小到調(diào)光臺(tái)燈,大到舞臺(tái)燈光控制,生產(chǎn)中異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與調(diào)速,電力系統(tǒng)中無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié),直流電源中調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)電壓等。單相交流調(diào)壓電源中,調(diào)壓和穩(wěn)壓是最基本的要求。目前基本的調(diào)壓器類型有以下三種：機(jī)械式調(diào)壓器機(jī)械式調(diào)壓器是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)碳刷來實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)壓。機(jī)械式調(diào)壓器的輸出波形較好,但體積、重量大,動(dòng)態(tài)性能差。磁飽和式調(diào)壓器磁飽和式調(diào)壓器是通過控制主電路中電感的飽和程度,以改變電抗值以及電抗電壓,從而實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)壓。磁飽和式調(diào)壓器具有一定的動(dòng)態(tài)輸出性能,但輸出電壓可調(diào)范圍小,體積、重量較大。電子式調(diào)壓器電子式調(diào)壓器是采用電力電子開關(guān)器件的控制來實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)壓。電子式調(diào)壓器具有較好的輸出波形及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,體積小,重量輕等優(yōu)點(diǎn),是目前應(yīng)用較廣泛的調(diào)壓方式。課程設(shè)計(jì)的目的本課程設(shè)計(jì)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一。本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用《電力電子技術(shù)》、《電子技術(shù)》所學(xué)知識(shí)分析解決工程實(shí)際問題。使學(xué)生加深理解電力電子變換電路的基本原理及其在工程實(shí)際中的應(yīng)用；掌握電力電子變換主電路的選型及參數(shù)計(jì)算方法；掌握電力電子器件和裝置的控制電路設(shè)計(jì)方法；為今后從事與電力電子技術(shù)相關(guān)的科學(xué)研究工作打下良好的基礎(chǔ)。2課程設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)相控式單相交流調(diào)壓電路設(shè)計(jì)2.2設(shè)計(jì)要求輸入信號(hào)為電網(wǎng)電壓,U=220V,f=50Hz,輸出負(fù)載為阻感負(fù)載,R=50,感抗=35?！?設(shè)計(jì)出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,并用MATLAB/Simulink對(duì)單相交流調(diào)壓進(jìn)行仿真?！?設(shè)計(jì)出單相交流調(diào)壓主電路和控制電路、保護(hù)電路等。3主電路總體方案設(shè)計(jì)3.1總體方案設(shè)計(jì)思路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案基本思路是：采用兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管作為開關(guān)器件,負(fù)載為阻感負(fù)載組成的主電路,以及控制晶閘管導(dǎo)通的觸發(fā)電路,其系統(tǒng)原理方框圖如圖3.1。圖3.1系統(tǒng)原理方框圖圖3.1系統(tǒng)原理方框圖觸發(fā)電路交流輸入主電路阻感負(fù)載輸出3.2主電路工作原理主電路工作情況分析圖主電路主電路如圖所示,由兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管T1、T2,負(fù)載電感L和電阻R組成。圖主電路〔1晶閘管觸發(fā)控制角〔延遲觸發(fā)角時(shí)圖〔a如圖〔a所示,當(dāng)控制角,即時(shí)T1開始導(dǎo)電,從零上升,T1導(dǎo)電180o后在時(shí),與此同時(shí),T2被觸發(fā)導(dǎo)通,從零上升,T4導(dǎo)電180o后在時(shí)。因此,T1、T2的觸發(fā)控制角時(shí),T1、T2依序輪流導(dǎo)電180o〔導(dǎo)電角θ=180o,、都是完整的正弦波。圖〔a〔2時(shí)如圖〔a所示,如果把T1、T2的觸發(fā)信號(hào)的起點(diǎn)從提前,即在時(shí)開始觸發(fā)T1,在時(shí)開始觸發(fā)T2。在時(shí),由于仍是負(fù)電流,即T2仍在導(dǎo)通,故此時(shí)的觸發(fā)電流并不能使T1立即導(dǎo)電,直到時(shí),,如果這時(shí)T1還有觸發(fā)電流,才能開通T1。因此,RL負(fù)載、時(shí),如果要使電壓控制器能起到相控作用正常工作,觸發(fā)信號(hào)必須是寬脈沖。如果,則寬脈沖應(yīng)該超過,此時(shí)雖然,但與時(shí)一樣,輸出電壓電流波形都是完整的正弦波?！?時(shí)如圖〔b>所示,如果晶閘管的控制角α從推遲,,在時(shí)已為零,但此刻T1觸發(fā)脈沖尚未到達(dá),因此在T1被觸發(fā)開通之前一段時(shí)期中,電流斷流。待〔時(shí)T1才被觸發(fā)開通,從零上升,上升到最大值后逐漸減小,并在之前就衰減到零,即導(dǎo)電角。在時(shí),觸發(fā)T2導(dǎo)通,在一個(gè)周期中T1、T2輪流導(dǎo)電θ<>角,因此負(fù)載電壓為正負(fù)對(duì)稱的不完整正弦波,負(fù)載電流為正負(fù)對(duì)稱的非正弦電流。圖圖〔b>負(fù)載電流分析〔1時(shí),θ=180o,即、為圖〔a所示正弦波,T1、T2導(dǎo)電角θ=180o：〔2時(shí),為圖〔b所示的部分正弦波曲線,而則為斷流的非正弦波,半周中的導(dǎo)電角θ<180o：圖<a>導(dǎo)通角θ與控制角α的關(guān)系曲線

〔以負(fù)載阻抗角φ為參變量由〔1、〔2可求出負(fù)載阻抗角一定時(shí)導(dǎo)通角θ與觸發(fā)控制角圖<a>導(dǎo)通角θ與控制角α的關(guān)系曲線

〔以負(fù)載阻抗角φ為參變量由圖〔a可以看出：,時(shí),θ=180o,時(shí),θ<180o?！?時(shí)非正弦負(fù)載電壓有效值Vo、負(fù)載電流有效值Io、晶閘管電流有效值分別為：若取晶閘管電流的基準(zhǔn)值為,則的相對(duì)值為圖〔b晶閘管電流的標(biāo)么值與控制角α的關(guān)系曲線可畫出以為參變量,與觸發(fā)控制角α的函數(shù)關(guān)系,如圖圖〔b晶閘管電流的標(biāo)么值與控制角α的關(guān)系曲線3.3主電路參數(shù)計(jì)算及元器件選擇主電路參數(shù)計(jì)算〔1控制角范圍：〔2時(shí),最大電流有效值為：〔3最大功率〔時(shí)：〔4功率因數(shù)〔5電感大?。河傻弥麟娐吩骷倪x型開關(guān)管的選擇可選用VMOSFET開關(guān)管。它是具有輸入阻抗高〔≥108W、驅(qū)動(dòng)電流小〔0.1uA左右、耐高壓〔最高可耐壓1200V、工作電流大〔1.5A~100A、輸出功率高〔1~250W、跨導(dǎo)的線性好、開關(guān)速度快等優(yōu)良特性。時(shí)晶閘管電流最大有效值為：因?yàn)檩斎腚妷簽?20V的交流電,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,故可以選用14A/500V的N溝道開關(guān)管IRFP450LC?！?觸發(fā)控制芯片的選擇選用芯片KJ004產(chǎn)生觸發(fā)控制信號(hào),來驅(qū)動(dòng)MOSFET實(shí)現(xiàn)觸發(fā)控制,KJ004可控硅移相觸發(fā)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)制控制輸出端等功能與特點(diǎn),可輸出兩路相差180o的移相脈沖,具有廣泛的應(yīng)用。芯片的詳細(xì)介紹圖3.3.3a晶閘管結(jié)構(gòu)模型b晶閘管等值電路〔1晶閘管也成為可控硅整流元件〔SCR,是由三個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的一種大功率半導(dǎo)體器件。具有單向?qū)щ娦院涂煽匦?。其?nèi)部電路可等效為兩個(gè)晶體管V1和V2串接而成,如圖所示,只有在其陽極A和陰極K之間加正向電壓,并且在觸發(fā)級(jí)G加一定大小電流的觸發(fā)脈沖,才能使晶閘管導(dǎo)通；當(dāng)其電流減小到維持電流一下時(shí)才能關(guān)斷。圖3.3.3a圖〔cKJ004內(nèi)部原理圖〔2KJ004觸發(fā)電路電路由同步檢測(cè)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。電路內(nèi)部原理如圖〔c所示：圖〔cKJ004內(nèi)部原理圖各引腳功能及連接：2、6、10引腳：為空腳。1、15同相、反相脈沖輸出端：分別接脈沖功放晶體管及脈沖變壓器。3為鋸齒波電容連接端：通過電容接引腳4,并通過一個(gè)電阻與可調(diào)電位器接負(fù)電源,可調(diào)節(jié)鋸齒波的斜率。4為同步鋸齒波電壓輸出端：通過一個(gè)電阻接移相綜合端〔引腳9。5為工作負(fù)電源輸入端：接-15V電源。7為底端：芯片公共地。8為同步電源信號(hào)輸入端：接同步變壓器二次側(cè),同步電壓30V。9為移相、偏置及同步信號(hào)綜合端：分別通過一個(gè)等值電阻接移相控制端、偏置控制端及引腳4.11為方波脈沖輸出端：通過一只電容接引腳12,電容的大小決定輸出脈沖的寬度。12為脈沖信號(hào)輸入端：通過一只電容接引腳11,另外通過一個(gè)電阻接正電源。13為負(fù)脈沖調(diào)制及封鎖控制端：通過該端輸入信號(hào)的不同,可對(duì)負(fù)載輸出脈沖進(jìn)行調(diào)制或封鎖。16為工作正電源輸入端：接+15V電源。4基于MATLAB/Simulink的仿真設(shè)計(jì)4.1仿真模型建立建立一個(gè)仿真模型,在Simulink中找到所需的交流電源、電壓表、電流表、示波器、電感電阻負(fù)載、觸發(fā)源等。將找到的各個(gè)模型按電路正確連接起來,如圖4.1所示：圖4.1Simulink仿真模型圖圖4.1Simulink仿真模型圖注：為了方便觀察,示波器通道所測(cè)波形由上到下分別為電壓源、T1觸發(fā)脈沖、T2觸發(fā)脈沖、輸出電壓、輸出電流。4.2仿真參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果按前面要求設(shè)置好仿真參數(shù),電阻R=50Ω,電感L=111.5mH,觀察不同觸發(fā)角時(shí)的仿真波形。圖4.2〔a〔1時(shí)的仿真波形如圖4.2〔a所示：圖4.2〔a圖4.2〔b窄脈沖觸發(fā)〔2窄脈沖觸發(fā)信號(hào),時(shí)的仿真波形如圖4.2〔b所示：圖4.2〔b窄脈沖觸發(fā)〔3寬脈沖觸發(fā)信號(hào),時(shí)的仿真波形如圖4.2〔c所示：圖4.2〔c圖4.2〔c寬脈沖觸發(fā)圖4.2〔d〔4時(shí)的仿真波形如圖4.2〔d所示：圖4.2〔d4.3仿真波形分析由仿真波形可知,示波器通道所測(cè)波形由上到下分別為電壓源、T1觸發(fā)脈沖、T2觸發(fā)脈沖、輸出電壓、輸出電流。此時(shí)的負(fù)載是電阻電感性負(fù)載,當(dāng)觸發(fā)控制角等于阻抗角時(shí),即時(shí),輸出電壓、電流均為連續(xù)的正弦波；當(dāng)觸發(fā)控制角小于阻抗角時(shí),即時(shí),若觸發(fā)脈沖為窄脈沖時(shí),輸出電壓、電流均為不連續(xù)波形；若觸發(fā)脈沖為寬脈沖時(shí),輸出電壓、電流均為連續(xù)的正弦波；當(dāng)觸發(fā)控制角大于阻抗角時(shí),即時(shí),輸出電壓為不連續(xù)的正弦波,輸出電流則為不連續(xù)的對(duì)稱的非正弦波。5實(shí)際電路設(shè)計(jì)5.1總電路設(shè)計(jì)如圖5.1所示,總電路主要包括主電路、觸發(fā)控制電路、和保護(hù)電路三部分：圖5.1總電路接線圖圖5.1總電路接線圖5.2觸發(fā)控制電路設(shè)計(jì)如圖5.2所示,由KJ004設(shè)計(jì)成的可控硅移相控制電路,主要由同步檢測(cè)電路、鋸齒波形成電路、偏形電路、移相電路及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路組成。鋸齒波的斜率由外接電阻R6、RW1流出的充電電流和積分電容C1的大小決定。對(duì)不同移相控制電壓Uy由改變電阻R1、R2的比例調(diào)節(jié)響應(yīng)的偏移電壓Up。同時(shí)RW1可以使不同移相控制電壓獲得整個(gè)移相范圍。R7、C2形成微分電路,改變其值得大小可以獲得不同的脈寬輸出。圖5.2觸發(fā)電路接線圖圖5.2觸發(fā)電路接線圖5.3保護(hù)電路的設(shè)計(jì)在電路中,由于過壓、過流等容易造成整個(gè)電路或者元器件的損壞,造成損失甚至產(chǎn)生危險(xiǎn),因此必須添加一定的保護(hù)措施,保護(hù)電路的設(shè)計(jì)成了在電路設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分。在電力電子中最主要的保護(hù)電路可分為過壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路和緩沖電路三種?！?過電壓保護(hù)電力電子設(shè)備中過電壓的產(chǎn)生可分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩種。外因過電壓有操作過電壓與雷擊過電壓；內(nèi)因過電壓有二極管反向恢復(fù)過電壓和開關(guān)管關(guān)斷過電壓。過電壓的常用保護(hù)措施是采用RC過電壓抑制電路,如圖5.3〔a。〔2過電流保護(hù)電力電子線路中常采用的過電流保護(hù)措施有快速熔斷器、直流快速熔斷器和過電流繼電器三種。其中快速熔斷器是電力電子電路中最有效、應(yīng)用最廣泛的一種過電流保護(hù)措施,如圖5.3〔b?！?緩沖電路緩沖電路又稱吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、或者過電流,減少器件的開關(guān)損耗。緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起,又可稱為復(fù)合緩沖電路。如圖5.3〔c為關(guān)斷緩沖電路圖5.3〔c關(guān)斷緩沖電路通過分析可知在此交流調(diào)壓電路中,只需對(duì)晶閘管進(jìn)行過電壓保護(hù)及過電流保護(hù)即可,因此我們采用RC過電壓抑制電路進(jìn)行過壓保護(hù),采用快速熔斷器進(jìn)行過流保護(hù)。圖5.3〔c關(guān)斷緩沖電路圖5.3〔a過壓保護(hù)電路圖5.3〔a過壓保護(hù)電路圖5.3〔b過流保護(hù)