1、期有2孽徨電力電子技術課程設計說明書單相交流調壓電路的設計院、部：電氣與信息工程學院學生姓名：李嘯龍指導教師：肖文英職稱副教授專業：自動化班級：1101班完成時間：2021年5月摘要交流調壓電路廣泛用于燈光限制如調光燈和舞臺燈光限制及異步電動機的軟啟動,也用于異步電動機調速.在電力系統中,這種電路還常用于對無功功率的連續調節.止匕外,在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中,也常采用交流調壓電路調節變壓器一次電壓.在這些電源中如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品閘管串聯；同樣,低電壓大電流直流電源需要很多品閘管并聯.這都是十分不合理的.采用交流調壓電路在變壓器一次側調壓

2、,其電壓、電流值都比擬適中,在變壓器二次側只要用二極管整流就這樣的電路體積小、本錢低、易于設計制造.單相交流調壓電路是對單相交流電的電壓進行調節的電路.用在電熱制、交流電動機速度限制、燈光限制和交流穩壓器等合.與自耦變壓器調壓方法相比,交流調壓電路限制簡便,調節速度快,裝置的重量輕、體積小,有色金屬耗也少關鍵詞：交流；調壓；電動機調速；電力系統；變壓器;ABSTRACTAcvoltagecircuitiswidelyusedinlightingcontrol(suchasdimmerandstagelightingcontrol)andasynchronousmotor,alsousedint

3、hesoftstart-upinductionmotordrive.Inthepowersystem,thecircuitisalsooftenusedtoreactivepowerofcontinuousadjustment.Inaddition,inhighvoltageandlowvoltage,current,orsmallcurrentdcpowersupply,oftenalsoadoptacvoltagetransformervoltageregulatingcircuit.Inthesepowersuchasusingthyristorrectifiercircuitcontr

4、olofhighvoltage,lowcurrentcontrolleddcpowerneedsmanythyristorseries,Similarly,lowvoltagedccurrentneedsmanythyristorparallel.Thisisveryreasonable.Adoptacvoltagetransformervoltagecircuitintheside,thevoltageandcurrentaremoderate,asintransformerwithdioderectifierside.Thiscircuit,smallvolume,lowcost,easy

5、todesignandmanufacture.Single-phaseacvoltagecircuitofsingle-phaseacvoltageistoadjustthecircuit.Usedinelectricheatingsystem,acmotorspeedcontrol,lightingcontrolandacstabilizeretc.Sincethevoltagetransformerwithdecouplingmethod,exchangeregulatingcircuitcontrolandspeedregulation,thedevice,lightweight,sma

6、llsize,non-ferrousmetalconsumptionislessKeywords:communication;Voltageregulation;Motordrive;Powersystem;Transformer;目錄1單相交流調壓電路設計目的及務51. 1設計目的51.2 設計要求及分析51.3 設計方案選擇52單相交流調壓主電路設計及分析52.1 電阻負載62.1.1 建立模型仿真62.1.2 仿真參數設置62.1.3 結果分析102.2 阻負載感113觸發電路164保護電路184.1 保護電路設計184.2 過電壓的產生及過電壓保護184.3 晶閘管過電流保護195總電

7、路圖216單相交流調壓電路參數設定與計算216.1 單相交流調壓變流器參數設定216.2 單相交流調壓變流器電路分析216.3 輸出平均電壓、電流及輸出有功功率227總結與體會24參考文獻25致謝26附錄271單相交流調壓電路設計目的及任務1.1 設計目的電力電子技術是專業技術根底課,做課程設計是為了讓我們運用學過的電路原理的知識,獨立進行查找資料、選擇方案、設計電路、撰寫報告、制作電路等,進一步加深對變流電路根本原理的理解,提升運用根本技能的水平,為今后的學習和工作打下良好的根底,同時也鍛煉了自己的實踐水平.1.2 設計要求及分析：設計一個單相交流調壓電路,要求觸發角為45度.反電勢負載E=

8、40伏,輸入交流U2=210伏.分有LB和沒有LB兩種情況分析.L足夠大,C足夠大(1) 單相交流調壓主電路設計,原理說明；(2) 觸發電路設計,每個開關器件觸發次序與相位分析；(3) 保護電路設計,過電流保護,過電壓保護原理分析；(4) 參數設定與計算(包括觸發角的選擇,輸出平均電壓,輸出平均電流,輸出有功功率計算,輸出波形分析,器件額定參數確定等可自己添加分析的參數)；由以上要求可知該系統設計可分為四個局部：交流調壓主電路設計、觸發電路設計、保護電路設計及相關計算和波形分析局部.下面分別做詳細的介紹.1.3設計方案選擇本課程設計方法：采用兩個普通晶閘管反向并聯設計單相交流調壓電路.所謂交流

9、調壓就是將兩個品閘管反并聯后串聯在交流電路中,在每半個周波內通過限制品閘管開通相位,可以方便的調節輸出電壓的有效值.交流調壓電路廣泛用于燈光限制及異步電動機的軟啟動,也用于異步電動機調速.此外,在高電壓小電流或低電壓大電流之流電源中,也常采用交流調壓電路調節變壓器一次電壓.本次課程設計主要是研究單相交流調壓電路的設計.由于交流調壓電路的工作情況與負載的性質有很大的關系,因此下面就反電勢電阻負載予以重點討論.2.1 電阻負載圖1、圖2分別為反電勢電阻負載單相交流調壓電路圖及其波形.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的正半周和負半周,分別對VT1和VT2的移相限制

10、角進行限制就可以調節輸出電壓.圖1反電勢電阻負載單相交流調壓電路圖圖2輸入輸出電壓及電流波形圖2.1.1 建立模型仿真根據原理圖用MATAL顫件畫出正確白仿真電路圖2-3,2.1.2 仿真參數設置設置觸發脈沖a分別為30°、60°、90°、120°.與其產生的相應波形分別如圖2-4、圖2-5、圖2-6、圖2-7.在波形圖中第一列波為晶閘管電流波形,第二列波為晶閘管電壓波形,第三列波為負載電流波形,第四列波為負載電壓波形.圖40.時,單相交流調壓電路波形圖530°時,單相交流調壓電路波形圖790°時,單相交流調壓電路波形5圖9180&#

11、176;時,單相交流調壓電路波形2.1.3 結果分析上面圖5-圖10給出了可分別為0度、30度,60度,90度、150度和180度時單相交流調壓電路的純電阻負載的電壓和電流的仿真波形.當晶閘管觸發限制角司=0時,U=U2,負載兩端的電壓U和流過其電流兇的波形均為正弦波.當口>0時,U."的波形為非正弦波,限制角,-從0180度范圍改變時,輸出電壓有效值U從U2下降到0,限制角三對輸出電壓U的移相可控區域是0-180度.把習角等于0度、30度,60度,90度、150度和180度分別代入下式可求得:I1觀察圖5-圖10的仿真波形,可得到隨著司角增大,負載兩端電壓U的波形的曲線局部的

12、寬度越來越窄,那么其有效值將不斷減小.由此可知,理論分析與仿真結果是一致的.在Sim庫環境下利用電力系統模塊庫中的電力電子器件組建單相交流調壓純電阻電路,并對電路進行相應的理論分析和仿真實驗.仿真實驗結果說明,通過限制囚隔的大小,單相交流調壓電路能夠得到很好的調壓結果.2.2阻感負載由于感性負載本身滯后于電壓一定角度,再加上相位限制產生的滯后,使得交流調壓電路在感性負載下大的工作情況更為復雜,其輸u壓、電流波形與控制角口、負載阻抗角三都有關系.其中負載阻抗角X,相當于在電阻電感負載上加上純粹弦交流電壓時,其電流滯后于電壓的角度為三.為了更好的分析單相交流調壓電路在感性負載下的工作情況,此處分I

13、三種工況分別進行討論.圖10阻感負載電路圖圖11阻感負載工作波形圖上圖所示為單相反并聯交流調壓電路帶感性負載時的電路圖,以及在限制角觸發導通時的輸出波形圖,同電阻負載一樣,在的正半周三角時,J觸發導通,輸出電壓日等于電源電壓,電流波形從0開始上升.由于是感性負載,電流'滯后于電壓可,當電壓到達過零點時電流不為0,之后繼續下降,輸出電壓出現負值,直到電流下降到0時,自然關斷,輸出1電壓等于0,正半周結束,期間電流目從0開始上升到再次下降到0這段區間稱為導通角三.由后面的分析可知,在山工況下,1"I因此在目脈沖到來之前©已關斷,正負電流不連續.在電源的負半周習導通,工作

14、原理與正半周相同,在切斷續期間,品閘管兩端電壓波形如圖1-4所示.為了分析負載電流出的表達式及導通角二與可、歸之間的關系,假設電壓坐標原點如下圖,在三-J時刻晶閘管T導通,負載電流.應滿足方程L區=弓=jdjsinJ|其初始條件為i|=0,解該方程,可以得出負載電流i在立?國0國區間內的表達式為當h=3時,=0,代入上式得,可求出自與磯、日之間的關系為sin臼-可=sin凹-目|e上利用上式,可以把巴與©、.之間的關系用以下圖的一簇曲線來表示.圖12百與可、W之間的關系曲線圖中以為參變量,當弓二0-時代表電阻性負載,此時怛=180-"假設“為某一特定角度,那么當|回|山時,

15、習二180,當日時,隨著司的增加而減小.上述電路在限制角為日時,交流輸出電壓有效值U、負載電流有效值、品閘管電流有效值廠分別為U=UJriI：=2IX國I：=習I區習式中,I回為當日=0時,負載電流的最大有效值,其值為回為品閘管有效值的標玄值,其值為Id由上式可以看出,w是凹及目的函數以下圖給出了以負載阻抗角可為參變量時,品閘管電流標幺值與限制角凹的關系曲線.圖13晶閘管電流標幺值與限制角的關系曲線當網、目時,可由該曲線查出晶閘管電流標幺值,進而求出負載電流有效值I'及晶閘管電流有效值I-(1) 0=3情況當限制角凹=,時,負載電流i的表達式中的第二項為零,相當于滯后電源電壓忙角的純粹

16、弦電流,此時導通角二180,即當正半周品閘管T關斷時,T恰好觸發導通,負載電流i：連續,該工況下兩個晶閘管相當于兩個二極管,或輸入輸出直接相連,輸出電壓及電流連續,無調壓作用.UGPPDP(2) 國情況在區1工況下,阻抗角,相對較大,相當于負載的電感作用較強,使得負載電流嚴重滯后于電壓,晶閘管的導通時間較長,此時式仍然適用,由于區,公式右端小于0,只有當一11時左端才能小于0,因此丘口,如圖所示,如果用窄脈沖觸發晶閘管,在匕口時刻力被觸發導通,由于其導通角大于180-,在負半周鼻3時刻為“發出出發脈沖時,還未關斷,Z因受反壓不能導通,可繼續導通直到在耳1時刻因日電流過零關斷時,的窄脈沖回已撤除

17、,三仍然不能導通,直到下一周期上再次被觸發導通.這樣就形成只有一個晶閘管反復通斷的不正常情況,4始終為單一方向,在電路中產生較大的直流分量；因此為了防止這種情況發生,應采用寬脈沖或脈沖列觸發方式.圖15窄脈沖觸發方式綜上所述,當單相交流調壓電路帶感性負載時,為了可靠、有效的工作,并實現調壓的目的,應使限制角的移相范圍保持在之間,同時為了避免出現直流分量,晶閘管的限制脈沖應采用寬脈沖或脈沖列觸發3.觸發電路晶閘管觸發電路的作用是產生符合要求的門極觸發脈沖,保證品閘管在需要要的時刻有阻斷轉為導通.廣義上講,晶閘管觸發電路往往還包括對其觸發時刻進行限制的相位限制電路,但這里專指脈沖的放大和輸出環節.

18、晶閘管觸發電路應滿足以下要求：1觸發脈沖的寬度應保證品閘管可靠導通,對反電動勢負載的變流器應采用寬脈沖或脈沖列觸發；2觸發脈沖應有足夠的幅度,對戶外寒冷場合,脈沖電流的幅度應增加為器件最大觸發電流的3-5倍,脈沖前沿的陡度也許增加,一般需達1-2A/us;3所提供的觸發脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額,且在門極伏安特性的可靠觸發區域之內；4應有的抗干擾性能、溫度穩定性及與主電路的電氣隔離.根據以上要求分析,采用KC0形相觸發器進行觸發電路的設計.KCO5T控硅移相觸發器適用于雙向可控硅或兩只反向并聯可控硅的交流相位限制.KC05引腳圖如圖3所示：圖16KC05引腳圖KC05觸發芯片

19、具有鋸齒波形好,移相范圍寬,限制方式簡單,易于集中控制,有失交保護,輸出電流大等優點,是交流調光,調壓的理想電路.KC05電路也適用于作半控或全控橋式線路的相位限制.同步電壓由KC05的15、16腳輸入,在TP1點可以觀測到鋸齒波,RP1電位器調節鋸齒波的斜率,Rp2電位器調節移相角度,觸發脈沖從第9腳,經脈沖變壓器輸出.調節電位器RP1,觀察鋸齒波斜率是否變化,調節RP2可以觀察輸出脈沖的移相范圍如何變化單相交流調壓觸發電路原理圖如圖4所示：集成塊的電參數電源電壓：外接直流電壓+15V,允許波動土5%±10%功能正常電源電流：12mA.同步電壓：10V.同步輸入端允許最大同步電流：

20、3mA布效值o移相范圍：170°同步電壓30V,同步輸入電阻10kQ.移相輸入端偏置電流010A鋸齒波幅度：78.5V輸出脈沖：a.脈沖寬度：100的2ms通過改變脈寬阻容元件到達b.脈沖幅度：13V.c.最大輸出水平：200mA吸收脈沖電流.d.輸出反壓：BVceo18V測試條件：Ie=1006允許使用環境溫度：-1070C.圖17單相交流調壓觸發電路原理圖4.保護電路4.1 保護電路設計在電力電子電路中,除了電力電子器件參數選擇適宜、驅動電路設計良好外,采用適宜的過電壓、過電流、du/dt保護和di/dt保護也是必要的4.2 過電壓的產生及過電壓保護電力電子裝置中可能發生的過電壓

21、分為外因過電壓和內應過電壓兩類.外應過電壓主要來自雷擊和系統中的操作過程等外部原因,包括：1操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓,快速直流開關的切斷等經常性操作中的電磁過程引起的過壓.2雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓.內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程,包括：1換相過電壓：由于晶閘管或者全控器件反并聯的續流二極管在換相結束后不能馬上恢復阻斷水平,因而有較大的反向電流流過,使殘存的載流子恢復,當其恢復了阻斷水平時,反向電流急劇減小,這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極之間或與續流二極管反并聯的全控型器件兩端產生過電壓.2關斷過電壓：全控型器件在較高的頻率下工作,當器

22、件關斷時,因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓.過壓保護要根據電路中過壓產生的不同部位,參加不同的保護電路,當到達一定電壓值時,自動開通保護電路,使過壓通過保護電路形成通路,消耗過壓儲存的電磁能量,從而使過壓的能量不會加到主開關器件上,保護了電力電子器件.為了到達保護效果,可以使用阻容保護電路來實現.將電容并聯在回路中,當電路中出現電壓尖峰電壓時,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.與電容串聯的電阻能消耗掉局部過壓能量,同時抑制電路中的電感與電容產生振蕩,過電壓保護電路如圖2-3所示.圖18RC阻容過電壓保護電路圖4.3 晶閘管的過電流保護熔斷器FU是最

23、簡單有效的且應用最普遍的過電流保護器件.針對晶閘管熱容量小、過電流水平差的特點,專門為保護大功率半導體變流元件而制造了快速熔斷器,簡稱快熔.其熔斷時間小于20ms能保證在晶閘管損壞之前快熔切斷短路故障,到達保護品閘管的目的見圖4-2o目前常用的快熔有：小容量RLS螺旋式系列、大容量RTK插入式系列、RS0匯流排式系列、RS3系列、RSF系列等.快熔斷的選擇：快熔的額定電壓URN小于線路正常工作電壓的均方根值；快熔的額定電流IRN應按它所保護的元件實際流過的電流的均方根值來選擇,而不是根據元件型號上標出的額定電流IrAV來選擇,一般應小于被保護品閘管的額定有效值1.57IrAVo即可按下式選擇：

24、1.57IrAV>IRN>ITM管子實際最大電流有效值通過上述公式我們選擇熔斷器為RS3-80,額定電壓為250V,電流10A的快速熔斷器.當電力電子電路運行不正常或者發生故障時,可能會發生過電流.當器件擊穿或短路、觸發電路或限制電路發生故障、出現過載、直流側短路、可逆傳動系統產生環流或逆變失敗,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水平相對較差,必須對變換器進行適當的過流保護.采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種的過流保護舉措.圖19過電流保護電路圖過電流保護電路如圖6所示,其中交流側接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側短路

25、起保護作用,但要求正常工作時,快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額,這樣對元件的短路故障所起的保護作用較差.直流側接快速熔斷器只對負載短路起保護作用,對元件無保護作用.只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對元件的保護作用最好,由于它們流過同個電流因而被廣泛使用.電子電路作為第一保護舉措,快熔僅作為短路時的局部區段的保護,直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現保護,過電流繼電器整定在過載時動作.5總電路圖見附錄.六單相交流調壓電路參數設定與計算6.1 單相交流調壓變流器參數設定：要求觸發角為45度,反電勢負載E=40伏,輸入交流U2=210tt.分有LB和沒有LB兩種情況分析,L足夠大,C足夠大

26、.6.2 單相交流調壓變流器電路分析：在單相交流調壓電路原理圖中,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的正半周和負半周,分別對VT1和VT2的開通角進行限制就可以調節輸出電壓.正負半周起始時刻=0均為電壓過零時刻.在穩態情況下應是正負半周的相等,可以看出,負載電壓波形是電源電壓波形的一局部,負載電流和負載電壓的波形相同.6.3 輸出平均電壓、電流及輸出有功功率的計算首先設定電阻值,分有LB和沒有LB兩種情況分析.當沒有漏感LB時,設上述電路在開通角為回時,負載電壓的有效值為U0K負載電流有效值為10、晶閘管電流有效值為IVT和電路功率因數為根據公式計算得出如下結果:=

27、201.87VIVT=2.02A=0.9611.43A(2)(4)當考慮漏感LB時,實際上變壓器繞組總有漏感.由于電感對電流變化起阻礙作用,電感電流不能突變,因而換相過程不能瞬間完成,而是會持續一段時間.卜面分析漏感LB在換相過程中對相關參數的影響.換相過程中,輸出電壓瞬時值為(5)由此可知,在換相過程中,整流電壓Ud為同時的兩個晶閘管隨對應的兩個相電壓的平均值.與不考慮變壓器漏感時相比,每次換相Ud減少了一塊,導致Ud平均是減低,降低多少用wUd表示,稱為換相壓降(6)其中XB=wLBXB為漏感LB的變壓器折算到二次項的漏電抗.同時我們可以得到換相重疊角通過下式可得到.換相重疊角隨其它參數變

28、化的規律如下：當Id越大時那么,越大；當XB越大時必越大；當二90°時,越小那么越大.33|漏感對電路影響結果分析如下：(1)出現換相重疊角1,整流輸出電壓平均值Ud降低.(2)整流電路的工作狀態增多(3)晶閘管的di/dt減小,有利于品閘管的平安開通.有時人為用入進線電抗器以抑制品閘管的di/dt.(4)換相時晶閘管電壓出現缺口,產生正的du/dt,可能使晶閘管誤導通,為此必須加吸收電路.(5)換相使電網電壓出現缺口,成為干擾源.7總結與體會這次電力電子技術課程設計,讓我們有時機將課堂上所學的理論知識運用到實際中.并通過對知識的綜合利用,進行必要的分析,比擬.從而進一步驗證了所學的理論知識.同時,這次課程設計也為我們以后的學習打下根底.指導我們在以后的學習,多動腦的同時,要善于自己去發現并解決問題.這次的課程設計,還讓我知道了最重要的是心態,在你拿到題目時會覺得困難,但是只要充滿信心,就肯定會完成的.通過電力電子技術課程設計,我加深了對課本專業知識的理解,平常都是理論知識的學習,在此次課程設計中,真正做到了自己查閱資料、完成一個根本匯編程序的設計.在此次的設計過程中,我更進一步地