1、遼遼 寧寧 工工 業業 大大 學學電力電子技術課程設計（論文）電力電子技術課程設計（論文）題目：題目：晶閘管交流調壓與調功電路設計晶閘管交流調壓與調功電路設計 院（系）：院（系）： 工程工程技術技術學院學院 專業班級：專業班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字）起止時間：起止時間： 本科生課程設計（論文）課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語院（系）：工程技術學院 教研室： 電氣教研室注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算學 號學生姓名專業班級課程設計（論文）題目晶閘管交流調壓調功電路設計晶閘管交流調壓調功電路設計課程設

2、計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數實現功能實現功能設計晶閘管交流調壓與調功電路應用于電爐溫控、燈光調節、異步電動機的啟動和調速等。設計任務設計任務1、方案的論證。2、主電路設計。3、控制電路設計。4、通過計算選擇器件的具體型號。5、分析系統不同負載下的電流、電壓波形及相控特性。6、繪制相關電路圖。7、完成 4000 字左右說明書。要求要求1、1、文字在 4000 字左右。2、2、文中的理論分析與計算要正確。3、3、文中的圖表工整、規范。4、元器件的選擇符合要求。技術參數技術參數電源為工頻380/220V，阻性負載R10,輸出電壓在02

3、20V連續可調。采用單相交流調壓與調功主電路。進度計劃第 1 天：集中學習；第 2 天：收集資料；第 3 天：方案論證；第 4 天：主電路設計；第 5 天：選擇器件；第 6 天：控制電路設計；第 7 天：保護電路設計；第 8 天：電路調試或仿真；第 9 天：總結并撰寫說明書；第 10 天：答辯.指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日本科生課程設計（論文）摘 要交流-交流變流電路，是把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路，應用十分廣泛。把兩個晶閘管反并聯后串聯在交流電路中，通過對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

4、控制電路。在每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制，可方便地調節輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調壓電路。交流調壓電路廣泛用于燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制）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。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調壓電路調節變壓器一次電壓。采用交流調壓電路在變壓器一次側調壓，其電壓、電流值都比較適中，這樣的電路體積小、成本低、易于設計制造。關鍵詞：晶閘管；交流調功；交流調壓本科生課程設計（論文）目 錄第 1 章 緒論.11.1 電力電子技術概況.11.2 本文研究內容.2第 2 章 晶閘管交

5、流調功與調壓電路設計.32.1 調壓電路原理簡介.32.2 交流調壓電路總體設計方案.32.2.1 方案一電阻性負載.32.2.2 方案二阻感性負載.52.3 主電路的設計.92.4 調功電路的設計.102.5 觸發電路的設計.11 2.5.1 芯片介紹.11 2.5.2 觸發電路圖.132.6 保護電路的設計.14 2.6.1 過電壓的產生及過電壓保護.14 2.6.2 過電流的產生及過電流保護.14 2.6.3 計算.15 2.6.4 保護電路圖.162.7 電阻爐負載過零控制特性分析.17第 3 章 仿真模型、仿真波形及其分析.19第 4 章 課程設計總結.21參考文獻.22附錄.23本

6、科生課程設計（論文）第 1 章 緒論1.1 電力電子技術概況電力電子學這一名詞是 20 世紀 60 年代出現的，“電力電子學”和“電力電子技術”在內容上并沒有很大的不同，只是分別從學術和工程技術這 2 個不同角度來稱呼。電力電子學可以用圖 1 的倒三角形來描述，可以認為電力電子學由電力學、電子學和控制理論這 3 個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受。電力電子技術與電子學的關系是顯而易見的。電子學可分為電子器件和電子電路兩大部分，它們分別與電力電子器件和電力電子電路相對應。從電子和電力電子的器件制造技術上進兩者同根同源，從兩種電路的分析方法上講也是一致的，只是兩者應用的目的不同，前者用于

7、電力變換，后者用于信息處理。電力電子技術廣泛應用于電氣工程中，這就是電力電子學和電力學的主要關系。電力學就是電工科學或電氣 3 工程，各種電力電子裝置廣泛應用于高壓直流輸電以及高性能交、直流電源等電力系統和電氣工程中，因此，把電力電子技術歸于電氣工程學科。電力電子技術是電氣工程學科中最為活躍的一個分支。電力電子技術的不斷進步大大地推動了電氣工程實現現代化的進程。控制理論廣泛用于電力電子技術中，它使電力電子裝置和系統的性能日益優越和完善，可以滿足人們的各種需求。電力電子技術可以看作弱電控制強電的技術，是弱電和強電之間的接口。而控制理論則是實現這種接口的強有力的紐帶。此外，控制理論和自動化技術是密

8、不可分的，而電力電子裝置又是自動化技術的基礎元件和重要支撐技術。本科生課程設計（論文）1.2 本文研究內容用晶閘管組成的交流電壓控制電路，可以方便的調節輸出電壓有效值。可用于電爐溫控、燈光調節、異步電動機的啟動和調速等，也可用作調節整流變壓器一次側電壓，其二次側為低壓大電流或高壓小電流負載常用這種方法。采用這種方法，可使變壓器二次側的整流裝置避免采用二極管，只需要晶閘管，而且可控級僅在一側，從而簡化結構，降低成本。交流調壓器與常規的交流調壓變壓器相比，它的體積和重量都要小得多。交流調壓器的 輸出仍是交流電壓，它不是正弦波，其諧波分量較大，功率因數也較低。本科生課程設計（論文）第第 2 章晶閘管

9、交流調壓與調功電路設計章晶閘管交流調壓與調功電路設計2.1 調壓原理簡介交流調壓電路是采用相位控制方式的交流電力控制電路，通常是將兩個晶閘管反并聯后串聯在每相交流電源與負載之間。在電源的每半個周期內觸發一次晶閘管，使之導通。與相控整流電路一樣，通過控制晶閘管開通時所對應的相位，可以方便的調節交流輸出電壓的有效值，從而達到交流調壓的目的。其晶閘管可以利用電源自然換相，無需強迫關掉電路，并可實現電壓的平滑調節，系統響應速度較快。其結構框圖如下 2.1 所示：圖 2.1 交流調壓結構框圖2.2 交流調壓電路總體設計方案 根據項目設計的技術要求可以知道，方案可選用電阻性負載或阻感性負載。2.2.12.

10、2.1 方案一方案一電阻性負載采用電阻性負載，電路由電阻和兩個晶閘管反并聯組成。（1）原理分析圖 2.2 為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 u1 的正半周和負半周，分別對 VT1本科生課程設計（論文）RO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt和 VT2 的開通角 進行控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，穩態時，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部分，負載電流（也即電源電流）和負載電壓的波形相同，因此通過觸發延遲角 的變化就可實現輸出電壓的

11、控制。 2.2 電阻負載單相交流調壓電路及其波形（2）計算與分析負載電壓有效值： (2-1)21111( 2sin)()sin22oUUtdtU故移相范圍為 0。=0 時，輸出電壓為最大， U0=U1。隨著 的增大，U0 降低，當 = 時，U0=0。負載電流有效值： (2-2)ooUIR晶閘管電流有效值： (2-3)2112sin11sin2()()()222TUtUIdtRR本科生課程設計（論文）R湌 6 %2 O湌1湌oi u u O湌tt功率因數： (2-4)0001 011sin22U IUPSU IU=0 時, 功率因數 =1, 增大,輸入電流滯后于電壓且畸變, 降低。2.2.22.

12、2.2 方案二方案二阻感性負載 采用阻感性負載，電路由電阻、電感和兩個晶閘管反并聯組成。(1）原理分析圖 2.3 為帶阻感負載的單相交流調壓電路圖及其波形。設負載的阻抗角為 。如果用導線把晶閘管完全短接，穩態R)arctan(wL/ 時負載電流應是正弦波，其相位滯后于電源電壓 u1 的角度為 。在用晶閘管控制時，由于只能通過出發延遲角 推遲晶閘管的導通，所以晶閘管的觸發脈沖應在電流過零點之后，使負載電流更為滯后，而無法使其超前。為了方便，把=0 的時刻仍定義在電源電壓過零的時刻，顯然，阻感負載下穩態時 的移相范圍為 。但 時，電路并非不能工作，后面第三小節會分析此種情況。 本科生課程設計（論文

13、）圖 2.3 阻感負載單相交流調壓電路及其波形（2）計算與分析當在 t= 時刻開通晶閘管 VT1，負載電流應滿足如下微分方程式和初始條件： (2-5) 12sin|0oootdiLRiUtdti解方程得： (2-6)tan12sin()sin()toUiteZ t式中，； 為晶閘管導通角。22()ZRL利用邊界條件：時，可求得：t0oi （2-7）tansin()sin()e以 為參變量，利用上式可以把 和 的關系用圖的一簇曲線來表示，如圖 2.4 所示。VT2 導通時，上述關系完同，只是 io 極性相反，相位差 180。負載電壓有效值： （2-8）2112sin1()()1sin2sin(2

14、2 )oUtUdtRU 0201006014018020100圖4-360/( )180140/( )= 9075604530150本科生課程設計（論文）cos)2cos(sin2)d()sin()sin(22112tg1VTZUtetZUIt 圖 2.4 以 為參變量的 和 關系曲線 晶閘管電流有效值為：負載電流有效值： （2-10）ToII2設晶閘管電流的標么值為：VTI（2-11）則可繪出和 的關系曲線，如圖 2.5 所示。VTNI圖 2.5 單相交流調壓電路 為參變量時和 的關系曲線VTNI 的情況，如前圖 2.4 所示， 越小， 越大； 繼續減小到 時，觸發 VT1，則 VT1 的導

15、通時間將超過 。因為 VT1 提前導通，L 被過充電，放電時間延長， VT1 的導通角超過 。觸發 VT2 時， i0 尚未過零， VT1 仍導12VTNVTZIIU本科生課程設計（論文）通， VT2 不通；i0 過零后， VT2 開通， VT2 導通角小于 ，過渡過程和帶 R-L負載的單相交流電路在 t = ()時合閘的過渡過程相同，i0 由兩個分量組成：正弦穩態分量、指數衰減分量。衰減過程中， VT1 導通時間漸短， VT2 的導通時間漸長，其穩態的工作情況和 = 時完全相同。 時工作波形如圖2.6 所示。 從方案一可以看出，隨著 角的增大，U0 逐漸減少。當 = 時，U0=0。因此，單相

16、交流調壓器對于電壓負載，其電壓可調范圍為 0U1，控制角 移相范圍為 0。負載電流基波和各次諧波有效值是隨著諧波次數的增加，諧波含量減少。從方案二可以看出，在電感負載時，要實現交流調壓的目的，最小控制角=（負載功率因素角），所以 的移相范圍為 180。負載電流基波和各次諧波有效值是隨著諧波次數 n 的增加，諧波含量減少，并且阻感性負載電流諧波相對少些。綜合兩種方案：電阻性負載和阻感性負載都具有調壓功能，都能調壓到設計電壓調壓范圍內，但是電阻性負載諧波電流含量要多些。當 相同時，阻感負載阻抗角增大，諧波含量也有所減少。考慮到性能指標、輸出電壓的穩定性、對 圖 2.6 時阻感負載交流調壓電路工作波

17、形tttt圖4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT2本科生課程設計（論文）電網的影響，所以選擇方案二阻感性負載。2.3 主電路設計電路為工頻 50HZ,220V 交流電輸入，負載為 R10，L2mH 的阻感負載。故主電路圖如下圖：圖 2.7 主電路圖 （1）參數計算 （2-12）10)(22LRZ此單相交流調壓電路的負載阻抗角為： （2-59. 3)10002. 0502arctan()arctan(RL13）由圖 2.5 知，一定時，越小，越大，即越大。當時，VTNIVTI不變，為最大值 0.5。故可求出晶閘管電流有效值的最大值：VTNIVTI本科生課程設計（論文） （2-AZUIIV

18、TNVT56.152114）晶閘管的額定電流為： （2-15）AIIVTN82.1987.1457. 156.15)25 . 1 (57. 1)25 . 1 (晶閘管承受的最大反向電壓為： （2-16）122220311.1UV所以考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為： （2-17）NU(23) 311.1622.16933.24V因此，依據以上參數選擇晶閘管，比如，可以選用額定電壓為 800V，額定電流為 20A 的晶閘管。2.4 調功電路的設計以上的設計都是以交流調壓為基礎。交流調功電路與調壓完全相同，只是本次設計條件中調功電路帶電阻性負載 R=4。故電路中應將阻感性負載改為電阻性負載。參數計

19、算時，調功電路是以周期為單位控制的。故在晶閘管導通的周期內=0。又有 Z=4，=0，此時仍為 0.5，故：VTNI （2-18）1238.9VTVTNUIIAZ晶閘管的額定電流為： （2-19）(1.5 2)(1.5 2) 38.937.2 49.61.571.57VTNIIA而晶閘管承受的最大反向電壓同調壓電路相同，所以考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：本科生課程設計（論文） （2-30）NU(23) 311.1622.16933.24V因此，依據以上參數選擇晶閘管，比如，可以選用額定電壓為 800V，額定電流為 40A 的晶閘管。2.5 觸發電路的設計2.5.1. 芯片介紹觸發單元以前都是

20、由分立元件構成的，它的控制精度查，可靠性低，不便于維修，因此，觸發電路集成化非常必要。可控硅移相觸發器 KJ004，與分立元件組成的觸發電路相比，具有移相線性好、移相范圍寬、溫漂小、可靠性高、相位不均衡度小等優點。主要由同步檢測電路、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。KJ004 封裝形式：該電路采用雙列直插 C16 白瓷和黑瓷兩種外殼封裝，外型尺寸按電子工業部部頒標準。半導體集成電路外型尺寸SJ110076 。 圖 2.9 KJ004 封裝引腳圖 KJ004 的管腳功能如表 1 所示。 表 1 KJ004 的各管腳功能本科生課程設計（論文）芯片參數：（

21、1）電源電壓：直流+15V、-15V,允許波動土 5(10時功能正常)。（2）kj004 電源電流：正電流15mA,負電流10mA。（3）同步電壓：任意值。（4）同步輸入端允許最大同步電流：6mA(有效值)（5）移相范圍1700(同步電壓 30V,同步輸入電阻 15k)（6）鋸齒波幅度：10V(幅度以鋸齒波平頂為準)。（7）輸出脈沖： 寬度：400S2mS(通過改變脈寬阻容元件達到)。 幅度：13V。 最大輸出能力 100mA(流出脈沖電流)。 輸出管反壓：BVCEO18V(測試條件 Ie100A)。（8）正負半周脈沖相位不均衡30。（9）使用環境溫度為四級：C：070 R：-5585 E：-

22、4085 M：-55125本科生課程設計（論文）2.5.2 觸發電路圖由于交流調壓調功電路中只用到兩個晶閘管，而 KJ004 有兩個輸出口，故用一片 KJ004 即可。由 KJ004 的典型連接圖畫得此次觸發電路如下圖。圖 2.10 觸發單元接線圖其中，同步串聯電阻 R4 的選擇按下式計算：15001000100032/R4）（同步電壓這里 R4 選用 15K。鋸齒波的斜率決定于外接 R6、RW1 流出的充電電流和積分 C1 的數值。對不同的移項控制 V1，只有改變 R1、R2 的比例，調節相應的偏移 VP。同時調整鋸齒本科生課程設計（論文）波斜率電位器 RW1，可以使不同的移相控制電壓獲得整

23、個范圍。觸發電路為正極性型，即移相電壓增加，導通角增大。R8 和 C2 形成微分電路，改變 R8 和 C2 的值，可獲得不同的脈寬輸出。KJ004 的同步電壓為 220V。2.6 保護電路的設計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適，驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護、 保護和保護也是必要的。dtdudtdi2.6.1 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分為外因過電壓和內因過電壓兩類。外因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：操作過電壓、雷擊過電壓；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：換相過電壓、關斷過電壓。過壓

24、保護的基本原則是：根據電路中過壓產生的不同部位，加入不同的附加電路，當達到定過壓值時，自動開通附加電路，使過壓通過附加電路形成通路，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。保護電路形式很多。這里主要考慮晶閘管在實際應用中一般會承受的換相過電壓，故可用阻容保護電路來實現保護。當電路中出現電壓尖峰時，電容兩端電壓不能突發的特性，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部分過壓 能量，同時抑制電路中的電感與電容產生振蕩。阻容保護電路如圖 2.11 所示。2.6.2 過電流的產生及過電流保護圖 2.11 阻容保護電路本科生課程設計（論文）引起過流的

25、原因：當電力電子變換器內部某一器件擊穿或短路、觸發電路或控制電路發生故障、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，均可引起變換器內元件的電流超過正常工作電流，即出現過流。由于電力電子器件的電流過載能力比一般電氣設備差得多，因此，必須對變換器進行適當的過流保護。常見的過電流保護電路有如下一些形式。圖 2.12 過電流各種保護措施及配置位置變換器的過流一般主要分為兩類：過載過流和短路過流。在晶閘管變換器中，快速熔斷器是應用最普遍的過流保護措施，可用于交流側、直流側和裝置主電路中。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起保護作用，但要求

26、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，因為它們流過同個電流。因而被廣泛使用。2.6.3 計算（1）阻容保護電路參數RC 阻容保護電路參數根據經驗值來選擇。電容 C 的選擇為：FIICTVAVT496. 0248. 01057. 1/)42(10)42(33)(電阻一般取 40。（2）快速熔斷器的選用原則本科生課程設計（論文）和普通熔斷器一樣要考慮快速熔斷器的額定電壓應大于線路正常工作電壓有效值，熔斷器(安裝熔體的外殼)的額定電流

27、應大于或等于熔體額定電流值。此外，快速熔斷器熔體的額定電流是指電流有效值，而晶閘管額定電流是指通態電KRI流平均值，其有效值為 1.57。T(AV)IT(AV)I故選用時要求：)(7.51AVTKRII式中：晶閘管通態電流平均值，快速熔斷器的熔體額定電流。T(AV)IKRI算得 1.57。所以選取額定電流大于等于 194.4A 的快速T(AV)I194.4AITV熔斷器。2.6.4 保護電路圖將快速熔斷器和 RC 阻容保護電路放入電路中：圖 2.13 保護電路圖本科生課程設計（論文）2.7 調功電路分析通常控制晶閘管導通的時刻都是在電源電壓過零的時刻，即過零調功控制。這樣，在交流電源接通期間，

28、負載電源電壓都是正弦波，因此不對電網電壓電流造成通常意義上的諧波污染,不會產生各種高次諧波污染電網。（1）原理分析令控制周期為 M 倍電源周期，晶閘管在前 N 個周期導通，后 MN 個周期關斷。當 M=3、N=2 時的電路波形如圖 2.14 所示。負載電壓和負載電流（也即電源電流）的重復周期為 M 倍電源周期。 在負載為電阻時，負載電流波形和負載電壓波形相同。以控制周期為基準，對圖 2.14 的波形進行傅里葉分析，可以得到圖 2.15 所示電流頻譜圖。圖中 In為 n 次諧波有效值，Ion 為導通時電路電流幅值。圖 2.14 交流調功電路典型波形（M=3、M=2）M電源周期控制周期=M倍電源周

29、期=24M圖4-13O導通段=2NM3M2Muou1uo,iotU12本科生課程設計（論文）第 3 章 仿真模型、仿真波形及其分析由于 proteus 中不包含 KJ004 此元器件，故采用其它方法仿真。用 MATLAB中的 Simulink，不涉及具體的元器件型號的選用，仿真簡單。現用 Simulink 仿真單相交流調壓電路。交流電源、兩個晶閘管反向并聯、阻感性負載即構成了主電路，再給兩個晶閘管分別提供觸發脈沖。為了觀察波形，在電源兩端、負載兩端加上電壓表，主電路中接入電流表，再將各表的輸出導入示波器，同時還要觀察兩個觸發脈沖的波形。仿真連線圖如下：圖 3.1 MATLAB 仿真連線圖 仿真

30、前，要設定好元器件的參數。將題目條件中交流調壓電路阻感負載的本科生課程設計（論文）阻抗代入，交流電源的頻率設為 50HZ，觸發脈沖的頻率要和電源一樣，故設其周期為 0.02s，幅值設為 12，脈沖寬度設為 5，這里設觸發時間一個為 0.005s，一個為 0.015s，即觸發角 為 90。其仿真波形如圖 16 所示。根據示波器輸入端口的順序，波形圖分別表示：電源電壓、負載電壓、負載電流、正相觸發脈沖、負相觸發脈沖。圖 3.2 MATLAB 仿真波形圖本科生課程設計（論文） 第 4 章 課程設計總結此次課程設計，大大深了我電力電子技術的理解。在這次設計中，我學到了很多課本上沒有的，以及平時被我們所忽視的東西。平時在上完課后認為對老師所講的東西都很理解，但是在真正自己設計程序時卻無從下手。不能清晰的理解理論知識，就不能在實際實踐中熟練的應用。不僅是理論知