单相交流调压电路
单相交流调压电路
单相交流调压电路一、工作原理单相交流调压电路带组感性负载时的电路以及工作波形如下图所示。
之所产生的滞后由于阻感性负载时电流滞后电压一定角度，再加上移相控制所产生的滞后，使得交流调压电路在阻感性负载时的情况比较复杂，其输出电压，电流与触发角α，负载阻抗角φ都有关系。
当两只反并联的晶闸管中的任何一个导通后，其通态压降就成为另一只的反向电压，因此只有当导通的晶闸管关断以后，另一只晶闸管才有可能承受正向电压被触发导通。
由于感性负载本身滞后于电压一定角度，再加上相位控制产生的滞后，使得交流调压电路在感性负载下大的工作情况更为复杂，其输出电压、电流波形与控制角ɑ、负载阻抗角φ都有关系。
其中负载阻抗角)arctan(R wL =ϕ,相当于在电阻电感负载上加上纯正弦交流电压时，其电流滞后于电压的角度为φ。
为了更好的分析单相交流调压电路在感性负载下的工作情况，此处分φαφαφα<=>,,三种工况分别进行讨论。
（1）φα>情况图1 电路图（截图）图2 工作波形图φα>（截图）上图所示为单相反并联交流调压电路带感性负载时的电路图，以及在控制角触发导通时的输出波形图，同电阻负载一样，在i u 的正半周α角时，i T 触发导通，输出电压o u 等于电源电压，电流波形o i 从0开始上升。
由于是感性负载，电流o i 滞后于电压o u ，当电压达到过零点时电流不为0，之后o i 继续下降，输出电压o u 出现负值，直到电流下降到0时，1T 自然关断，输出电压等于0，正半周结束，期间电流o i 从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角0θ。
由后面的分析可知，在φα>工况下，ο180<φ因此在2T 脉冲到来之前1T 已关断，正负电流不连续。
在电源的负半周2T 导通，工作原理与正半周相同，在o i 断续期间，晶闸管两端电压波形如图2所示。
为了分析负载电流o i 的表达式及导通角θ与α、φ之间的关系，假设电压坐标原点如图所示，在αω=t 时刻晶闸管T 1导通，负载电流i 0应满足方程L0Ri d d tio+=i u =i U 2sin t ω 其初始条件为： i 0|αω=t =0,解该方程，可以得出负载电流i 0在α≤t ω≤θα+区间内的表达式为 i 0=])sin()[sin()(2tan /)(2φαωφαφωω-----+t i e t L R U .当t ω=θα+时，i 0=0，代入上式得，可求出θ与α、φ之间的关系为 sin （θα+-φ）=sin （α-φ）e φθtan /-利用上式，可以把θ与α、φ之间的关系用下图的一簇曲线来表示。
单相交流调压电路
wt
当wt 时，i0 0，可得：
sin( ) sin( )etan
6.1.1 单相交流调压电路
VT1
☞负载电压有效值Uo
Uo
1
(
2U1 sin wt)2 d (wt)
U1
1 sin 2 sin(2 2 )
2
VT1
6.1.1 单相交流调压电路
☞晶闸管电流有效值IVT
IVT
1
2
2U1 Z
sin(wt
)
sin(
wt
)e tan
2
d(w t )
U1 sin cos(2 )
2 Z
c os
☞负载电流有效值Io
Io 2IVT
☞晶闸管电流IVT的标么值
I VTN I VT
Z 2U1
6.1.1 单相交流调压电路
sin( ) sin( )etan
引言
本章主要讲述 交流-交流变流电路
把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路
交流电力 控制电路
只改变电压,电 流或控制电路
交流调压电路 相位控制
的通断,而不改 变频率的电路。
交流调功电路
通断控制
变频电路
交交变频 直接
改变频率的电路 交直交变频 间接
6.1 交流调压电路
6.1.1 单相交流调压电路 *6.1.2 三相交流调压电路
电源电流不含低次谐 波，只含和开关周期T有 关的高次谐波。
功率因数接近1。
图6-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形
6.2 其他交流电力控制电路 6.2.1 交流调功电路 6.2.2 交流电力电子开关
6.1 交流调压电路·引言
■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输出。
单相交流调压电路
单相交流调压电路交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。
直接方式即无中间直流环节，间接方式即有中间直流环节交流-交流变换电路可以分为间接方式（有中间直流环节）直接方式（即无中间直流环节）直接方式有交流电力控制电路和变频电路交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而 不改变频率的电路。
变频电路：改变频率的电路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输出。
Ø交流电力控制电路交流调压电路在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路。
交流调功电路以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。
交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。
02异步电动机软起动。
04供用电系统对无功功率的连续调节。
01灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。
03异步电动机调速。
05在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。
应用图1 阻性负载单相交流调压电路及波形电阻负载Ø在交流电源u1 的正半周和负半周，分别对VT1 和VT2的开通角α进行控制就可以调节输出电压。
基本的数量关系Ø负载电压有效值U0负载电流有效值I0--式1---式2Ø晶闸管电流有效值ITØ功率因数λ----式3----式4图1 阻性负载单相交流调压电路及波形Ø电阻性负载时，控制角 移相范围为0~π ，随着α增大，U0逐渐减小。
电阻性负载及各处波形如图2所示。
由于电感的储能作用，负载电流 会在电源电压 u1过零后再延迟一段时间后才能降为零，延迟的时间与负载的功率因数角 有关。
晶闸管的关断是在电流过零时刻，因此，晶闸管的导通时间θ 不仅与触发控制角α 有关，还与负载功率因数角有φ关，必须根据α与α 的关系分别讨论。
由于θ=π 时意味着负载电流i0 连续， θ ＜ π时意味i0 断续，因此也表达了电流连续与否的运行状态。
单相交流调压电路的电路构成
2U1 (cos 2 1) 2
b1
2U1 sin 2 2( )
2
an
2U1
n
1
1
cos(n
1)
1
1 cos(n
n 1
1)
1
(n=3,5,7,…)
bn
2U1
n
1
1
sin(n
1)
1 sin(n n 1
引言
◆交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式交流的 电路。
◆交流-交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环节）和 间接方式（有中间直流环节）两种。
◆直接方式 ●交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通断进行 控制，而不改变频率的电路。 ●变频电路：改变频率的电路。
1/50
6.1 交流调压电路 6.1.1 单相交流调压电路 6.1.2 三相交流调压电路
2
(6-8)
▲晶闸管电流有效值IVT
图6-3 单相交流调压电路以 为参变量的 和关系曲线
I VT
1
2
2U1 Z
s in(w t
)
sin(
wt
)e tg
2
d(w t )
U1
sin c os(2 )
3/50
6.1.1 单相交流调压电路
动画
u1
O
wt
uo
O
wt
io
uO
wt
VT
O
wt
图6-1 电阻负载单相交流调压电 路及其波形
单相交流调压电路(电阻负载)
实验一：单相交流调压电路(电阻负载)一、 实验容对单相交流调压电路的原理能够理解，并能够通过MATLAB 仿真得出当α为不同角度时的仿真波形。
最后通过分析仿真波形来了解单相交流调压电路（电阻负载）的工作情况。
电路模型由交流电源、反并联的两个晶闸管、触发模块、电阻负载组成。
单相交流调压电路（电阻负载）如图1-1所示。
我所要分析的问题是α为不同值时，输出电压及电流的波形变化。
图1-1二、 实验原理图1-1为纯电阻负载的单相调压电路。
图中晶闸管VT1和VT2反并联连接与负载电阻R 串联接到交流电源U 2上。
当电源电压正半周开始时出发VT1，负半周开始时触发VT2，形同一个无触点开关，允许频繁操作，因为无电弧，寿命特长。
在交流电源的正半周αω=t 时，触发导通VT1，导通角为1θ= απ-；在负半周αω=t +π时，触发导通VT2，导通角为2θ= απ-。
负载端电压U 为下图所示斜线波形。
这时负载电压U 为正弦波的一部分，宽度为（απ-），若正负半周以同样的移相角α触发VT1和VT2，则负载电压U 的宽度会发生变化，那么负载电压有效值也将随α角而改变，从而实现交流调压。
三、 实验步骤在MATLAB 新建一个Model ，命名为zuxingfuzai ，同时模型建立如下图所示图1-2 电阻负载的电路建模图四、仿真结果仿真参数：选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.06，其他的选项为默认设置。
模型参数设置参数设置为频率（Frequency）为50Hz，电压幅值100V，“measurements”测量选“V oltage” 其他为默认设置，如图所示触发信号uG1参数设置：幅值（Amplitude）电压为12V；周期（Period）为0.02s；占空比（Pulse Width）为40%；时相延迟（Phase delay）为（α*0.02/360）其他为默认设置，如图所示。
单相交流调压电路
一、几种交流调压电路 1、简单双向晶闸 管交流调压电路
RL 1 VD ~220V R C1 Q 2
2、触发二极管 交流调压电路
RLT
VD
u
C1
C2
图B
VT
VD RP ~220V
M
VD1
VD2
C VD3 VD4
3、单结晶体管触发电路
RL
R1 VD1 VD2 R2 R3 V2 VD3 VD4
第四章
单相交流调压电路的分析
A. 反并联电路 B. 混合反并联电路
May 1, 2003
北方交通大学电气工程学院
4-4
第四章
单相交流调压电路的分析（续）
• 电感性负载 a. 电路 b. 电压与电流波形
May 1, 2003
北方交通大学电气工程学院
4-12
第四章 e. 几种典型情况： (1) = 0
(2) 不等于 0 < 180
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-15
第四章 (3) =
(4)
窄脉冲 宽脉冲
May 1, 2003
北方交通大学电气工程学院
4-16
图C
RP
R4 V1
R5
~170V
VD5 TP
VT
C
θ RT
4、程控单结管触发的交流调压电路
RL
L1
VD1 C1 VD2 RP R1 R2 R3 R5
UG
UA C2 VD3 L2 VD4 V
PUT
VT TP C3 VD5
~220V
R4
二、单相交流调压电路分析
1、纯电阻负载 2、感性负载 （1） α ＞φ （2） α =φ （3）α ＜φ A、窄脉冲 B、宽脉冲或脉冲序列
单相交流调压电路工作原理
单相交流调压电路工作原理
单相交流调压电路通过电子器件（如二极管、晶闸管）的导通和截止控制，改变电源所提供的交流电压的大小，以实现对负载端的电压调节。
具体工作原理如下：
1. 整流：交流调压电路首先将交流电源的电压通过二极管桥等电路改变为半波或全波的单向脉动直流信号。
当交流电压为正向时，二极管处于导通状态，电流经过；当交流电压为反向时，二极管处于截止状态，电流不通过。
2. 滤波：由于整流后的脉动直流信号仍然含有较大的纹波，因此需要通过电容器等滤波元件，去除纹波成分，使直流电压更为稳定。
3. 调压：在滤波后得到的稳定直流电压基础上，通过调节电子器件（如可控硅）的导通时间，改变电路中电流的流动，进而改变负载端的电压大小。
例如，当电子器件导通时间较长时，电路中电流流过的时间增加，负载端的电压也会增加。
4. 反馈控制：为了实现在不同负载下仍能维持稳定的输出电压，通常需要设置反馈控制回路。
该回路根据负载端的电压变化，自动调整电子器件的导通时间，使得输出电压稳定在设定值。
单相交流调压电路工作原理的关键是通过整流、滤波、调压和反馈控制等环节实现对交流电压的调节和稳定输出。
这样可以满足不同负载的电压需求，应用于各种电力电子设备和电路中。
电力电子技术实验五之单相交流调压电路
-15V
FBS(速度变换器)
1
RP
2
DZS(零速封锁器)
3
1
封锁
RP 4 2S2
解除
3
&1
+15V
-15V
MCL-33
+15V
0V
-15V
低压直流 电源输入
同步电源观察孔 脉冲观察孔
脉冲断
脉冲通
12345 6
Uct
+15V
Ub
移相控制电压
偏移电压
脉冲放大
Ublf
Ublr
控制
MCL-33挂件右上部触发脉冲通断开关 全部按起（脉冲通状态）。
MCL-31 低压控制电路及仪表
G(给定)
+15V RP1 RP1
RP2 -15V RP2
S1
S2
S1
正给定 -+
给定
S2
负给定 0V
V
+15V
低 压 电 源
给定电压显示
-15V
FBS(速度变换器)
1
RP
2
DZS(零速封锁器)
3
1
封锁
RP 4 2S2
解除
3
&1
+15V
-15V
MCL-33
+15V
0V
G(给定)
+15V RP1 RP1
RP2 -15V RP2
S1
S2
S1
正给定 -+
给定
S2
负给定 0V
V
+15度变换器)
1
RP
2
DZS(零速封锁器)
3
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电气工程及其自动化专业《电力电子技术》课程设计任务书班级电气（本）1301班学号1310240006姓名张将银川能源学院2015年12月21日电力电子技术课程设计任务书前言电力电子线路的基本形式之一，即交流—交流变换电路，它是将一种形式的交流电能变换成另一种形式交流电能电路。
在进行交流—交流变换时，可以改变交流电的电压、电流、频率或相位等。
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输出。
这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。
在每个半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，这个电路称为交流调压电路交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。
在电力系统中,这种电路还常用于对无功功率的连续调节。
此外，在高电压小电流祸低电压大电流直流电源中，也长采用交流调压电路调节变压器一次电压。
在这些电源中如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。
这都是十分不合理的。
采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压、电流值都比较适中，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。
这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。
目录前言 (2)课程任务书 (4)第一章电路的设计 (5)1.1 原理 (5)1.2 参数计算 (7)第二章触发电路设计 (8)2.1 KJ004可控硅移相电路工作原理 (8)2.2 触发电路 (9)第三章保护电路的设计 (10)3.1 过电压的产生及过电压保护 (10)3.2 过电流的产生与保护 (11)第四章仿真图及其结果 (12)设计总结及设计体会 (19)参考文献 (20)课程任务书题目：单相交流调压电路（纯电阻负载）（反并联）初始条件：1、电源电压：交流100V/50Hz2、输出功率： 500W3、移相范围：0°~ 180°要求完成的主要任务：1、根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路。
2、用MATLAB/Simulink对设计的电路进行仿真；3、撰写课程设计报告——画出主电路，说明主电路的工作原理、选择元器件参数，绘制主电路典型波形，并且绘制出仿真波形，说明仿真过程中遇到的问题和解决问题的方法，并附参考资料；4、控制电路及电力电子系统硬件实现框架；5、课程设计的心得体会。
第一章 电路的设计1.1 原理图1中的晶闸管1VT 和2VT 也可以用一个双向晶闸管代替。
在交流电源1u 的正半轴和负半轴，分别对1VT 和2VT 的触发延迟角α进行控制就可以调节输出电压。
正负半波α起始时刻（0=α）均为电压过零时刻。
在稳态情况下，应使正负的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（也即电源电流）和负载电压的波形相同，因此通过触发延迟角α的变化就可以实现输出电压的控制。
上述电路在触发延迟角为α时，敷在电压有效值0U 、负载电流有效值0I 、晶闸管电流有效值VT I 和电路的功率因数λ分别为παπαπωωππα-+==⎰2sin 21)()sin 2(11210U t d t U U (1-1) RU I 00=(1-2) )22sin 1(21)()sin 2(21121παπαωωππα+-==⎰R U t d R t U I VT(1-3) παπαπλ-+====2sin 21100100U U I U I U S P (1-4)从图1及以上各式可以看出，α的移相范围πα≤≤0。
0=α时，相当于晶闸管一直导通，输出电压为最大值，10U U =。
随着α的增大，0U 逐渐减小。
直到πα=时，00=U 。
此外，0=α时，功率因数1=λ，随着α的增大，输入电流滞后电压且发生畸变，λ也逐渐降低。
VT1VT2Riu0u1图1 电阻负载单相交流调压电路及其波形图1.2 参数计算1)晶闸管元件额定电压为v U 4.14110022=*=取2倍电压安全储备，并考虑晶闸管额定电压系列取v2）输出功率S=500W 即输出有功功率W 500P R=时当0=α，W PR 500=代入下列公式 )2sin 21(2παπαπ-+==R U I U P R R RR=40Ώ3）晶闸管元件额定电流)(AV T I Td VTfI I K=当0=α时,A R U I VT 54.321==25.257.1/54.3==T I 取2倍电流安全储备并考虑晶闸管元件额定电流系列去5A 。
所以选择晶闸管的型号为名称 型号 封装 额定电压（V ） 额定电流（A ）参数 8P4JTO-2206005第二章触发电路设计晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要要的时刻有阻断转为导通。
广义上讲，晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路，但这里专指脉冲的放大和输出环节。
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，对反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发； 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加为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也许增加，一般需达1-2A/us；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）应有的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
2.1 KJ004可控硅移相电路工作原理电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。
电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。
对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。
同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。
触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。
R7和C2形成微分电路,改变R7和 C2的值,可获得不同的脉宽输出。
其封装形式如图所示图2 KJ004封装形式各引脚功能如下表所示同步输入 综合比较 空微分阻容 封锁调制 输出 Vcc 891011 1213 1415162.2 触发电路图3 触发电路图功能 输出 空 锯齿波形成 Vee(1k) 空 地 同步输入 综合比较 引脚号123 45 6 7 8 9第三章保护电路的设计相对于电机和继电器，接触器等控制器而言，电力电子器件承受过电流和过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。
但又不能完全根据装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，必须充分发挥器件应有的过载能力。
因此，保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的重要环节。
3.1 过电压的产生及过电压保护电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内应过电压两类。
外应过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。
2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。
内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：1）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。
2）关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。
过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。
为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。
将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。
与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图3所示。
CR图4 RC阻容过电压保护电路图3.2 过电流的产生与保护当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。
当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。
由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。
采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。
负载过电流继电器短路器电流检测开关电路触发电路动作电流整定值电子保护电路快速熔断器变流器直流快速熔断器电流互感器变压器交流断路器图5 过电流保护电路图过电流保护电路如图4所示，其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。
直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。
只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同—个电流．因而被广泛使用。
电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。
第四章仿真图及其结果利用Multisim软件进行电路的连接与仿真，并得出在不同角度触发下的波形图。
当进行单向晶闸管反并联交流调压时，使晶闸管D1，D2反向并联后与电源与电阻负载相连，并在D1、D2的两端分别加触发脉冲，连接的电路图，仿真波形图、参数图如下图:图6 连接电路图图7 当触发角为45°时，其波形图如下图所示图8 45°时正向晶闸管触发参数图图9 45°时反向晶闸管触发参数图图10 当触发角为60°时，其波形图如下图所示图11 60°时正向晶闸管触发参数图图12 60°时反向晶闸管触发参数图图13 当触发角为90°时，其波形图如图所示图13 90°时正向晶闸管触发参数图图14 90°时反向晶闸管触发参数图图15 当触发角为135°时，其波形图如图所示图16 135°时晶闸管触发参数图波形分析：在前半个周期内，VT1承受正向电压，由于晶闸管的特性，使得晶闸管没有导通，当出发脉冲来临时，晶闸管正向导通，导通后波形与电源电压波形相同，当前半个周期结束后，晶闸管VT1承受反向电压截止。