单相交流调压电路(1000W) 电力电子技术 课程设计(论文)

电力电子技术课程设计（论文）题目：单相交流调压电路（1000W）

院（系）：电气工程学院

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起止时间：09-7-6至09-7-12

课程设计（论文）任务及评语

目录

第一章课程设计方案 (1)

1.1交流调压电路概述 (1)

1.2 系统总体结构 (1)

第2章课程设计内容 (2)

2.1 单相交流调压电路工作情况与负载性质的关系 (2)

2.1.1电阻性负载 (2)

2.1.2阻感负载 (3)

2.2单相交流调压触发电路的选择 (5)

2.3变压器变比的计算 (6)

2.4晶闸管的选择 (7)

2.5 实际实现电路及工作原理 (8)

2.6总体电路图及其波形图 (10)

第三章课程设计总结 (11)

参考文献 (12)

第一章课程设计方案

1.1交流调压电路概述

把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便的调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。单相交流调压电路是后者的基础，和整流电路一样，交流调压电路的工作情况也和负载性质有着很大的关系，因此分别对电阻负载和阻感负载分别予以讨论。

1.2 系统总体结构

将一种交流电能转换为另一种交流电能的过程称为交流-交流变换过程，凡能实现这种变换的电路为交流变换电路。对单相交流电的电压进行调节的电路。用在电热控制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。结构原理简单。该方案是由变压器、触发电路、整流器、以及一些电路构成的，为一台电阻炉提供电源。输入的电压为单相交流220V，经电路变换后，为连续可调的交流电。下图为系统总体结构框图。

图1 系统结构框图

图1中的220V为交流市电输入，经过调压环节的变压器等电路转换为连续可调的交流电，输出连续可调的交流电源部分作用：为电阻炉提供电源。

第2章 课程设计内容

2.1 单相交流调压电路工作情况与负载性质的关系

2.1.1电阻性负载

图2.1 电阻负载单相交流调压电路

图2.1为电阻负载单相交流调压电路图。图中晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。在交流电源U1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角电源α进行控制就可以调节输出电压。正负半周α起始时刻（α=0）均为电压过零时刻。在稳态情况下，应使正负半周的α相等。可以看出负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也是电源电流）和负载电压的波形相同。

上述电路在开通角为α时，负载电压有效值U 0、负载电流有效值I 0、晶闸管电流有效值I T 和电路的功率因数分别为：

负载电压有效值

(4-1)

负载电流有效值

(4-2)

u o

u

V 1V 2

晶闸管电流有效值

(4-3) 功率因数 ;; (4-4)

从图2.1及上式中可以看出，输出电压与α 的关系：移相范围为0≤α ≤π。α =0时U o=U1，最大，α的增大，U o降低，α =π时，U o=0。λ与α 的关系：α =0时，λ=1，α 增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低u的正半周内，晶闸管V

1

承受正向电压，当ωt＝α时，触发V1使其导通，则负载上得到缺α角的正弦半波电压，当电源电压过零时，V1管电流下降为零而关断。在电源电压

u的负半周，V

2

晶闸管承受正向电压，当ωt＝π＋α时，触发V2使其导通，则负载上又得到缺α角的正弦负半波电压。持续这样的控制，在负载电阻上便得到每半波缺α角的正弦电压。改变α角的大小，便改变了输出电压有效值的大小。随着α角的增大，U o逐渐减小; 当α＝π时，U o＝0。因此，单相交流调压器对于电阻性负载，其电压的输出调节范

围为0～U，控制角

α的移相范围为0

～π。

2.1.2阻感负载

电路图及其波形如图2.2所示

图2.3阻感负载单相交流调压电路及其波形

阻感负载下稳态时的移相范围为φ《α《π。当VT2导通时，只是I0的极性相反，且相相差180°

晶闸管的导通角θ的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角有关。一个晶闸管导通时，其负载电流i o 的表达式为

图2.4单相交流调压电路以φ为参变量的α和θ的关系曲线

当ωt ＝α＋θ时，i o ＝0。将此条件代入可求得导通角θ与控制角α、负载阻抗角φ之间的定量关系表达式为

针对交流调压器，其导通角θ≤180°，再根据上式可绘出θ＝f （α，φ）曲线，单

相交流调压电路以φ为参变量时θ与α的关系。

下面分别就α＞φ、α＝φ、α＜φ三种情况来讨论调压电路的工作情况。(1) 当

α＞φ时， 由式可以判断出导通角θ＜180°, 正负半波电流断续。α越大，θ越小，波形断续愈严重。

(2) 当α＝φ时， 由式可以计算出每个晶闸管的导通角θ＝180°。此时，每个晶闸管轮流导通180°，相当于两个晶闸管轮流被短接， 负载电流处于连续状态，输出完整的正弦波。

(3) 当α＜φ时， 电源接通后，在电源的正半周，如果先触发V 1， 则可判断出它的导通角θ＞180°。 如果采用窄脉冲触发，当V 1的电流下降为零而关断时，V 2的门极脉冲

R

L

L R Z t ω?ωθαωαarctan

]

)([2

122

=+=+≤≤04080120140180

40

80120140180α / °

θ / (° 15

°30°45°60°75°

?＝

90°

)

?

θ

?α?θαtan )sin()sin(-

-=-+e

已经消失，V

2无法导通。到了下一周期，V

1

又被触发导通重复上一周期的工作，结果形成

单向半波整流现象，如图6-5所示，回路中出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。解决上述失控现象的办法是：采用宽脉冲或脉冲列触发，以保证V

1

管电流下

降到零时，V

2管的触发脉冲信号还未消失， V

2

可在V

1

电流为零关断后接着导通。但V

2

的

初始触发控制角α＋θ-π＞φ，即V2的导通角θ＜180°。从第二周开始，由于V2的关断

时刻向后移，因此V

1的导通角逐渐减小，V

2

的导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角

θ＝180°时达到平衡。

根据以上分析，当α≤φ并采用宽脉冲触发时，负载电压、电流总是完整的正弦波，改变控制角α，负载电压、电流的有效值不变，即电路失去交流调压作用。在感性负载时，要实现交流调压的目的，则最小控制角α＝φ（负载的功率因素角），所以α的移相范围为φ～180°。

2.2单相交流调压触发电路的选择

闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。

晶闸管触发电路应满足下列要求：

1)触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，对感性和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发，对变流器的起动、双星形带平衡电抗器电路的触发脉冲应宽于30o，三相全控桥式电路应采用宽于60o或采用相隔60o的双窄脉冲。

2)触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3~5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1~2A/μs。

3)所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。

4)应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

图2.5触发电路的设计

如图2.3所示，556和VT1、C1等组成了一个变形的单稳触发器，另外556和R3、R4、C2等组成一个可控多谐振荡器，利用单稳的延时性进行相移，利用振荡器产生系列脉冲输出，触发SCR，即使负载为变压器的二次回路等感性负载，也能使SCR在各种导通角下输出波形十分对称的交流电压。为了同步，由D1~D4、DW1、R1组成的同步检测电压，将交流同步电压变为幅度为12V的梯形电压，在梯形电压过零时，使单稳电路进入暂稳态。移相控制信号Vx加至VT1的b极，VT1可按照信号幅度的高低改变C1的充电速率，改变达到阙值电平的时间，从而达到自动控制移相角度。5脚输出的暂稳脉冲加至多谐振荡器的8、12脚，控制振荡器的起振和停振，使之在9脚有系列脉冲。振荡器的频率f=1.44/(R1+R4)C2,改变其时间常数，可改变系列脉冲的频率，图示参数的振荡频率约为5kHZ。该电路的移相控制信号电压Vk在0~2V;移相范围》170°；输出脉冲幅度为10V；正负半周相位不均衡度《1°。

2.3变压器变比的计算

当1000W全桥软开关电源采用PQ50/50芯片时先给出主功率变压器原边绕组的圈数计算公式和计算过程。考虑到UC3875的最佳工作频率，又因为采用了高频开关特性良好的MOSFET功率管，所以选取开关频率为100KHZ。

首先根据功率容量Ap乘积公式来进行估算。为了多留些余地，可再减小主功率变压

器的最大工作磁通密度Bm=1000GS,由计算式得到：

Ap=Ae*Aq=Pt*10KmKc fBm Pt δη210*6=1

*5.0*2*1000*10*100*9.0*210*100036

=5.56

当最大磁通密度选用1500GS 时，功率容量降低到3.7。若开关频率降低到50KHZ ，则功率容量乘机增大一倍约11.12，余量就小了。

PQ50/50铁氧体磁芯的有效中心柱截面积为Ae=3.1416cm 2它的磁芯窗口面积为Aq= 4.18 cm 2,因此PQ50/50的功率容量乘积为： Ap=Ae*Aq=3.1416*418=13.2

可见，在开关频率为100KHZ 时，采用PQ50/50铁氧体磁芯做1000W 主功率变压器，它的功率容量是合理的。 再来计算原边绕组的匝数值：

Np=fBmAe Vin 410max *8=15.271416

.3*1000*10*100*410*3143

8

=

2.4晶闸管的选择

Ud=220V 时，不计控制角余量按α=0o计算

由Ud=234?U2得

U2=342?Ud

=94V 取120V U te =（2~3）U t

=（2~3）6U2 =（2~3）6?120V =588~882 V

取U te 为700V

当d I =60A 时，流过每个晶闸管的电流有效值为：

t I =3/1d I =3/1?60A=35A

晶闸管额定电流)(AV t I =571?I t

=57135?

=23A

取f K =173?，考虑2倍裕量：)(AV t I 取50A 当d I =3A 时

t I =3/1d I =3/1?3A =173? A

)(AV t I =571?I t

= 1.1A

考虑2倍裕量：)(AV t I 取5A

按要求表明应取α=0o来选择晶闸管。即)(AV t I =50A

所以晶闸管型号为KP50—7。 2.5 实际实现电路及工作原理

理想条件下单相调压电路假设主电路功率器件具有理想功能，实际上这种器件不存在的，因此必须根据电路的特点和器件的实际性能来组构电路。

o

u

01

i

图2.6 实际实现电路及其波形图

U01是U0的基波分量，i01是i0的基波分量；i01与u01将产生?的滞后角。在过零点附近出现；i01与u01不同相问题。在ax￠[0，∮]，u>0,u1>0,而i<0,电流为负值，由于T1恒通T2横断，u=ui无斩波。出现了失控现象，即；u01的控制信号不能实现斩波。

2.6总体电路图及其波形图

图2.7总体电路图及波形图

第三章课程设计总结

经过这几天的电力电子课程设计，我对电力电子技术这门课程及相关知识有了更深刻的理解和体会，同时也很好的把理论知识运用于实践之中，在本次的课设中我真正的学到了很多东西，受益颇多。通过这次设计，我最大的收获就是自己的动手能力和独立解决问题的能力得到了很大的提高。从方案的形成到准备电路图，每一个小小的步骤，我都得到了很好的锻炼。在完成电力电子课程设计的同时，我也复习了这学期所学的电力电子技术课程的内容。课程设计中遇到的问题我都会去查阅相关资料，我学会了怎样有效的收集整合资料；我学会了怎样将书本上的知识运用到生活当中；我学会了怎样细心地检查电路；我学会了怎样虚心地寻求帮助；我明白了一些书本上学不到的知识和逻辑思维能力，理论必须联系实际，而实践试检验真理的唯一标准，我真正的懂得了这句话的真谛。

我做的题目是单相交流调压电路，这种调压电路多用在电热控制、交流电动机速度控制等方面、灯光控制和交流稳压器等场合。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控

制方便，调节速度快，装置重量轻、体积小，有色金属消耗也少。这个课题具有很强的实用性，它除了在工业生产领域得到广泛应用，在我们日常生活中也无所不在，电力电子技术以发展成为一种应用极其广泛的技术。该课题属于电力电子方面，随着电力电子器件的不断向大容量化、高频化、易驱动、降低导通压降、模块化、功率集成化的发展，它的应用将更为广泛，同时，它集各优点于一身将在电力电子电路中表现出非凡的性能。

“天道酬勤，只要我们坚持不懈、持之以恒，就一定能取得成功。这正是课程设计给我们的一种磨砺，让我们不断的提高自己，完善自己。最后，我要特别感谢指导老师在课程设计期间对我的耐心指导，教育及对我的栽培，同时引导我把书本上学到的理论知识灵活的运用到实践中去，圆满完成课程设计的内容。借此机会，向我的指导老师巴金祥老师表示衷心的感谢。

参考文献

[1] 王兆安. 电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,2003

[2] 张立. 现代电力电子技术. 北京：高等教育出版社.1999.

[3] 刘卫民，施金良. 电力电子技术.重庆：重庆大学出版社，2004.

[4] 黄家善，王廷才. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2000.

[5] 林辉，王辉. 电力电子技术.武汉：武汉理工大学出版社，2001.