斩控式单相交流调压电路正文

目 录 第1章 概述 .................................................. 1 第２章 设计总体思路 .......................................... 3 2.1 系统总体方案确定 ...................................... 3 2.2 交流斩波调压的基本原理 ................................ 8 第3章 主电路设计与分析 ...................................... 9 3.1主要技术条件及要求 ..................................... 9 3.2 开关器件的选择 ........................................ 9 3.3 主电路计算及元器件参数选型 ............................ 9 3.4 主电路结构设计 ....................................... 11 3.5 主电路保护设计 ....................................... 12 第4章 单元控制电路设计 ..................................... 14 4.1主控制芯片的详细说明 .................................. 14 4.1.1 芯片的选择 ...................................... 14 4.1.2 芯片的详细介绍 .................................. 14 4.1.3 芯片的工作原理 .................................. 15 ⒈ 器件内部结构 .............................................. 15 ⒉ 欠压锁定功能 .............................................. 16 ⒊ 系统的故障关闭功能 ........................................ 16 4. 波形的产生及控制方式分析 .................................. 16 4.2 驱动电路设计 ...................................... 17 4.3 过零检测及续流触发电路 ............................ 18 4.4 控制保护电路设计 ..................................... 19 4.5谐波分析 .............................................. 20 第5章 总结与体会 ............................................ 22 第6章 附录 .................................................. 23 参考文献 ..................................................... 24 1

第1章 概述 交流调压是指把一种交流电变成另一种同频率，不同电压交流电的变换，而在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压，而斩控式交流调压的输入是正弦交流电压，这种斩控式交流调压电路的优势是功率因素接近1，电压、电流波形好，谐波成分频率高，电路简单，且可靠性高。而利用PWM技术后，控制灵活，动态响应快。 目前能够实现这一要求的调压器有下面三种： 1)磁饱和式调压器 该调压器通过控制主电路中电感的饱和程度，以改变电抗值以及其上的电压，实现对输出电压的调节。这种调压器具有一定的动态性能，但输出电压的调节范围小，体积和重量较大。 2)机械式调压器 机械式调压器由电动机带动碳刷实现输出电压的调节。这种调压器输出波形较好，但体积、重量大，动态性能差。 3)电子式调压器 这种调压器采用电力电子器件实现。目前有晶闸管凋压器和逆变式调压器两种。晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式，其输出波形和动态响应较好。 在工业生产及日用电气设备中，有不少交流供电的设备采用控制交流电压来调节设备的工作状态，如加热炉的温度、电源亮度、小型交流电机的转速等。这样就需要设计一种交流调压电路来控制，其基本原理是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。在每一个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。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。采用晶闸管作为开关元件的典型单相交流调压电路如图1所示。常用通断控制或相位控制方法来调节输出电压。 2

不同电压交流电的变换。按所变换的相数不同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。前者是后者的基础。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。

交流斩波调压技术作为一种高性能交流调压技术，符合电力电子技术高频化、高效化以及低污染发展趋势，将逐步取代晶闸管相控交流调压，新器件的发展将加速这一进程。其丰富的控制种类，多样的电子开关组合，为不同使用要求提供高性价比产品，是一种经济型交流调压技术。与单位功率因数、串联电压源等高性能交流调压技术相比，其开关应力及容量要求较大，为进一步提高开关变换效率，如何从系统综合角度考虑减小开关的应力，降低开关损耗，减少驱动复杂性，提高变换效率将成为一个研 究新发现。 3

第２章 设计总体思路 2.1 系统总体方案确定 交流调压的控制方式有三种：1磁饱和式调压器；2机械式调压器；3电子式调压器。整周波控制调压——适用于负载热时间常数较大的电热控制系统。电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。目前有晶闸管凋压器和逆变式调压器两种。晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式，其输出波形和动态响应较好。晶闸管导通时间与关断时间之比，使交流开关在某几个周波连续导通，某几个周波连续关断，如此反复循环地运行，其输出电压的波形如图2所示。改变导通的周波数和控制周期的周波数之比即可改变输出电压。为了提高输出电压的分辨率，必须增加控制周期的周波数。为了减少对周围通信设备的干扰，晶闸管在电源电压过零时开始导通。在负载容量很大时，开关的通断将引起对电网的冲击，产生由控制周期决定的分数次谐波，这些分数次谐波引起电网电压闪变。这是其缺陷。

相位控制调压 ——利用控制触发滞后角α的方法,控制输出电压。晶闸管承受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角α。在有效移相 4

范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功率因数不同而不同，电阻性负载最大,纯感性负载最小。图3是阻性负载时相控方式的交流调压电路的输出电压波形。相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。另外它还会引起电源电压畸变。为减少对电源和负载的谐波影响，可在电源侧和负载侧分别加滤波网络。

斩波控制调压——使开关在一个电源周期中多次通断，将输入电压切成几个小段，用改变小段的宽度或开关通断的周期来调节输出电压。斩控调压电路输出电压的质量较高,对电源的影响也较小。图4是斩波控制的交流调压电路的输出电压波形。

在斩波控制的交流调压电路中，为了在感性负载下提供续流通路，除了串联的双向开关S1外，还须与负载并联一只双向开关S2。当开关 S1导通，S2关断时，输出电压等于输入电压；开关S1关断，S2导通时,输出电压为 5

零。控制开关导通时间与关断时间之比即能控制交流调压器的输出电压。开关 S1、S2动作的频率称斩波频率。斩波频率越高,输出电压中的谐波电压频率越高,滤波较容易。当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时，输

出电压中会产生分数次谐波。当斩波频率较低时，分数次谐波较大，对负载产生恶劣的影响。将斩波信号与电源电压锁相，可消除分数次谐波。斩波控制的交流调压电路的功率开关元件必须采用功率晶体管或其他自关断元件，所以成本较高。

斩波控制方式时，晶闸管要带有强迫关断电路或采用IGBT、MOSFIT等可自关断器件，在每个电压周波中，开关元件多次通断，使电压斩波成多个脉冲，改变导通比即可实现调压。本次课程设计采用斩波控式制单相交流调压。 6

斩控式交流调压电路的原理图如图5所示，一般采用全控型器件作为开关器件。其基本原理和直流斩波电路有类似之处，只是直流斩波电路的输入是直流电压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交 流电源u1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通道；在u1的负半周，用V2进行斩波控制，用V4 给负载电流提供续流通道。设载波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a=ton/T。和直流斩波电路一样，也可以通过改变a来调节输出电压。

图5给出了电阻性负载时负载电压u0和电源电流i1(也就是负载电流)的波形。可以看出，电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1。另外，通过傅里叶分析可知，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期 T有关的高次谐波。这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。这时电路的功率因数接近1。 本次课程设计所用的斩控式单相交流调压电路的结构框图如图6所示，首先是交流输入电压为220V，经滤波后用全控型开关器件进行斩波，

图5 晶闸管斩控式调压电路