晶闸管单相交流调压与调功电路设计

晶闸管单相交流调压与调功电路设计1 题目初始条件

初始条件：

电源为工频220V，调压阻感负载，R＝0.5欧姆，L＝2mH。调功阻性负载R ＝4欧姆。

2 设计任务与设计要求分析

通过分析题目的初始条件，可知本次课程设计有以下几个基本要求：1单相交流调压与调功主电路的设计。2. 触发电路的设计。3.分析系统不同负载下的电流、电压波形及相控特性。4.须针对电阻炉负载分析系统的过零控制特性。5. 需要绘制单相交流调压与调功电路的原理图。

3 单相交流调压电路的设计

3.1单相交流调压电路主电路的设计

单相交流电压主电路的设计主要包括：1.根据负载特性，选择相应型号的晶闸管。2.根据相关理论分析、推导及计算，得到电路相关参数

3.1.1 单相交流调压电路主电路原理图

图一单相交流调压主电路原理图

3.1.2 电路各参数推导及计算

通过分析可知，当单相交流调压电路带电阻性负载时，可得以下参数表达式： 负载电压、电流平均值

1122sin 22(cos 1)Ud U d U π

αθθαππ==+⎰ 公式（1） 22(c o s 1)d U d R U I R πα==

+ 公式（2）

负载电压、电流有效值

2021sin 2(2sin )22U U d U παπααθθπππ

-==+⎰ 公式（3） 020sin 22U U I R R πααππ

-==+ 公式（4） 020sin 222

42VT U U I I R R πααππ-===+ 公式（5） 电路功率因数：

0010sin 22U I U I πααλππ

-==+ 公式（6） 当电路带阻感性负载时，可以分析得负载电流相位应落后负载电压相位一个固定的阻抗角，其大小应为arctan()11.31L R ϖϕ==︒,且相当明显，当用晶闸管控制时，会使得负载电流更为滞后，即阻感性负载稳态时，晶闸管的移相范围为ϕαπ≤≤。

且假设在晶闸管电流过零时开通一个晶闸管，则有负载电流应满足以下微分方程和初始条件

0012s i n I d L R U t dt

i ϖ+= 公式（7） 公式（8） 可以解得方程的解为：

0()t i ϖα==

]0t a n 21sin()sin()t U t e Z i αϖϕϖϕαϕ-⎡=---⎢⎢⎣ 公式（9）

利用边界条件，可以得到，当以ϕ为参变量时，α与θ的关系可以用一簇曲线来表示。如下图所示：

由以上公式可以推得：

当单相交流调压电路带阻性负载时，若导通角为60°时，有负载平均电压为,负载平均电流为，负载有效电压值和有效电流值分别为，电路的功率因数为；同理可得，当导通角为90°时，相应的负载参数值分别为：电路的功率因数为

当单相交流调压电路带阻感性负载时，可以定性分析得，负载的平均电压值和平均电流值，负载的有效电压值和有效电流值都应有所减小。

3.1.3 晶闸管型号的选择

根据理论分析可知，晶闸管的额定电压应是它承受的反向重复峰值电压的（2~3）倍，而晶闸管的额定电流应是其通态平均电流的（1.5~2）倍。而晶闸管的通态平均电流的定义为：元件在阻性负载情况下、工频正弦半波、导通角不小于170°，其结温稳定且不超过额定结温所允许的最大通态平均电流。

由上面推到的电路参数可知，所选的双向晶闸管的额定电压应大于440V ；晶闸管的额定电流应大于（1.5~2）*396.14=792.28A ；

222220(11)396.150.5(c o s 1)d U d A R U I R ππα+===+= 公式（10）

所以，我在本次设计中，采用KS500-800A

它的型号是 KS800A/500V ， 控制方式为双向极数，额定正向平均电流 800（A ），控制极触发电压500-1800（V ）， KS 系列平板型双向晶闸管的额定工作电流800A 额定工作电500V 。

3.2 单相交流调压触发电路的设计

本次设计中，我选用可控硅移相触发器KJ006，KJ006主要用于交流供电的双向可控硅或反并联可控硅线路的交流相位控制。能由交流电网直接供电并无需外加同步信号、输出

变压器和滞留工作电源，并且能直接与可控硅控制级直接耦合触发。具有锯齿波线性好、移相范围宽、控制方式简单输出电流大等优点。

电参数如下：

电源电压：a．外接直流电压+15V，允许波动±5％(±10％功能正常)。b．自生直流电源电压：+(12～15)V。电源电流：≤l2mA。同步电压：≥l0V(有效值)。同步输人端允许最大同步电流：6mA(有效值)。移相范围：≥l70°(同步电压220V，同步输入电阻51kΩ)。移相输入端偏置电流≤l0μA。锯齿波幅度：≥7～8.5v。

输出脉冲：a．脉冲宽度：l00μs～2ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。b．脉冲幅度：>13V(电源电压l5V时)。C．最大输出能力：200mA(吸收脉冲电流)。d．输出反压：BVceo≥l8V(测试条件：le≤l00ⅣA)。正负半周脉冲相位不均衡度：≤±3°。可控硅检测端最大输入电流：6mA(有效值)。

3.1.2 单相交流调压电路触发电路原理图

图二单相交流调压触发电路原理图

电路工作原理：KJ006是由同步检波、锯齿波形成电路、电流综合比较放大电路、功率放大电路和失交保护电路等部分组成。外电路接线图如图二锯齿波斜率决定于R7，RP1和C1的数值，由R5、C2的数值决定，再经过功率放大由9脚输出，能够得到200mA的输出负载能力。从2脚也可以输出失交脉冲，将2脚与12脚相连，具有失交保护功能。对不同的电网电压，KJ006电路的同步限流电阻R1的选择按下式计算：

220

R =73333~110000。

11000

2~3