单相交流调压电路的课程设计讲解

电力电子技术课程设计说明书单相交流调压电路的设计

院、部：电气与信息工程学院

学生姓名：李啸龙

指导教师：肖文英职称副教授

专业：自动化

班级：1101班

完成时间：2014年5月

摘要

交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软启动，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，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常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就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这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。单相交流调压电路是对单相交流电的电压进行调节的电路。用在电热制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等合。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制简便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属耗也少

关键词：交流；调压；电动机调速；电力系统；变压器；

ABSTRACT

Ac voltage circuit is widely used in lighting control (such as dimmer and stage lighting control) and asynchronous motor, also used in the soft start-up induction motor drive. In the power system, the circuit is also often used to reactive power of continuous adjustment. In addition, in high voltage and low voltage, current, or small current dc power supply, often also adopt ac voltage transformer voltage regulating circuit. In these power such as using thyristor rectifier circuit control of high voltage, low current controlled dc power needs many thyristor series, Similarly, low voltage dc current needs many thyristor parallel. This is very reasonable. Adopt ac voltage transformer voltage circuit in the side, the voltage and current are moderate, as in transformer with diode rectifier side. This circuit, small volume, low cost, easy to design and manufacture.

Single-phase ac voltage circuit of single-phase ac voltage is to adjust the circuit. Used in electric heating system, ac motor speed control, lighting control and ac stabilizer etc. Since the voltage transformer with decoupling method, exchange regulating circuit control and speed regulation, the device, light weight, small size, non-ferrous metal consumption is less

Key words: communication; Voltage regulation; Motor drive; Power system; Transformer;

目录

1 单相交流调压电路设计目的及务 (5)

1．1设计目的 (5)

1.2设计要求及分析 (5)

1.3 设计方案选择 (5)

2 单相交流调压主电路设计及分析 (5)

2.1电阻负载 (6)

2.1.1建立模型仿真 (6)

2.1.2仿真参数设置 (6)

2.1.3结果分析 (10)

2.2阻负载感 (11)

3 触发电路 (16)

4 保护电路 (18)

4.1保护电路设计 (18)

4.2过电压的产生及过电压保护 (18)

4.3晶闸管过电流保护 (19)

5 总电路图 (21)

6 单相交流调压电路参数设定与计算 (21)

6.1单相交流调压变流器参数设定 (21)

6.2单相交流调压变流器电路分析 (21)

6.3输出平均电压、电流及输出有功功率 (22)

7 总结与体会 (24)

参考文献 (25)

致谢 (26)

附录 (27)

1单相交流调压电路设计目的及任务

1.1设计目的

电力电子技术是专业技术基础课，做课程设计是为了让我们运用学过的电路原理的知识，独立进行查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告、制作电路等，进一步加深对变流电路基本原理的理解，提高运用基本技能的能力，为今后的学习和工作打下良好的基础，同时也锻炼了自己的实践能力。

1.2设计要求及分析：

设计一个单相交流调压电路，要求触发角为45度.反电势负载E=40伏，输入交流U2=210伏。分有LB和没有LB两种情况分析.L足够大，C足够大

(1) 单相交流调压主电路设计，原理说明；

(2) 触发电路设计，每个开关器件触发次序与相位分析；

(3) 保护电路设计，过电流保护，过电压保护原理分析；

(4) 参数设定与计算(包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算，输出波形分析，器件额定参数确定等可自己添加分析的参数)；由以上要求可知该系统设计可分为四个部分：交流调压主电路设计、触发电路设计、保护电路设计及相关计算和波形分析部分。下面分别做详细的介绍。

1.3设计方案选择

本课程设计方法：采用两个普通晶闸管反向并联设计单相交流调压电路。2．单相交流调压主电路设计及分析

所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软启动，也用于异步电动机调速。此外，在高电压小电流或低电压大电流之流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。本次课程设计主要是研究单相交流调压电路的设计。由于交流调压电路的工作情况与负载的性质有很大的关系，因此下面就反电势电阻负载予以重点讨论。

2.1电阻负载

图1、图2分别为反电势电阻负载单相交流调压电路图及其波形。图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。在交流电源U2的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的移相控制角进行控制就可以调节输出电压。

图1 反电势电阻负载单相交流调压电路图图2 输入输出电压及电流波形图

2.1.1建立模型仿真

根据原理图用MATALB软件画出正确的仿真电路图2-3，

2.1.2仿真参数设置

设置触发脉冲α分别为30°、60°、90°、120°。与其产生的相应波形分别如图2-4、图2-5、图2-6、图2-7。在波形图中第一列波为晶闸管电流波形，

第二列波为晶闸管电压波形，第三列波为负载电流波形，第四列波为负载电压波形。

图3 matlab电阻负载仿真

图4 0°时，单相交流调压电路波形

图5 30°时，单相交流调压电路波形

图6 60°时，单相交流调压电路波形

图7 90°时，单相交流调压电路波形

图8 150°时，单相交流调压电路波形

图9 180°时，单相交流调压电路波形

2.1.3 结果分析

上面图5---图10给出了α分别为0度、 30度， 60度，90度、150度

和180度时单相交流调压电路的纯电阻负载的电压和电流的仿真波形。

当晶闸管触发控制角α=0时，U=U2 ，负载两端的电压U 和流过其电流L R I 的波形均为正弦波。当α>0时，U 、L R I 的波形为非正弦波，控制角α从0~180度范围改变时，输出电压有效值U 从U2下降到0，控制角α对输出电压U 的移相可控区域是0---180度。把α角等于0度、 30度， 60度，90度、150度和180度分别代入下式

()()π

αππ

π

α

παωω-+

==

?2sin sin 2212

2

2

1

U

t d t U U 可求得：

=0U 220

212

10sin U U U ==+-πππ

30U =26

5432

6

212

99.0)2sin(6U U U =+=+

?-π

π

πππ

π

2

3243232126090.0)2sin(3U U U U =+=+

?=-π

π

πππ

π

2

2122212

9071.00)2sin(2U U U U =+=+

?=-π

πππ

π2

21212

5212

150671.00)2sin(125U U U U =+=+

?=-π

ππ

π

π0

00)2sin(221

2

180=+=+

?=-U U U π

πππ

π观察图5-----图10的仿真波形，可得到随着α角增大，负载两端电压U 的波形的曲线部分的宽度越来越窄，则其有效值将不断减小。

由此可知，理论分析与仿真结果是一致的。在Sim 库环境下利用电力系统模块库中的电力电子器件组建单相交流调压纯电阻电路，并对电路进行相应的理论分析和仿真实验。仿真实验结果表明，通过控制α角的大小，单相交流调压电路能够得到很好的调压结果。

2．2 阻感负载

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α、负载阻抗角φ都有关系。其中负载阻抗角)arctan(R wL =?,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10阻感负载电路图

图11 阻感负载工作波形图

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，

180<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1-4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

L

0Ri d d t

io

+=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。

图12 θ与α、φ之间的关系曲线

图中以φ为参变量，当φ=00时代表电阻性负载，此时θ=180

-α；若φ为某

一特定角度，则当α ≤ θ时，θ=180

，当α>φ时，θ随着α的增加而减小。

上述电路在控制角为α时，交流输出电压有效值U O 、负载电流有效值I o

、晶闸管电流有效值I T

分别为

U o =U i π

θααθ)

22sin(2sin +-+

I 0=2I m ax

o I

T

*

I T =2 I m ax

o I

T

*

式中，I m ax o 为当α=0时，负载电流的最大有效值，其值为

I

m ax

o =22)(l R U i

ω+

I

T

*为晶闸管有效值的标玄值，其值为

I T *

=φπθφαθπθcos 2)2cos(sin 2++-

由上式可以看出，I T *

是α及φ的函数下图给出了以负载阻抗角φ为参变量时，晶闸管电流标幺值与控制角α的关系曲线。

图13 晶闸管电流标幺值与控制角α的关系曲线

当α、φ已知时，可由该曲线查出晶闸管电流标幺值，进而求出负载电流有效值I 0

及晶闸管电流有效值I T

。

（2）α=φ情况

当控制角α=φ时，负载电流i 0的表达式中的第二项为零，相当于滞后电源

电压φ角的纯正弦电流，此时导通角θ=1800

，即当正半周晶闸管T 1关断时，T 2恰好触发导通，负载电流i 0连续，该工况下两个晶闸管相当于两个二极管，或输入输出直接相连，输出电压及电流连续，无调压作用。

图14 α=φ情况下的输出波形

(3) φα<情况

在φα<工况下，阻抗角φ相对较大，相当于负载的电感作用较强，使得负载电流严重滞后于电压，晶闸管的导通时间较长，此时式仍然适用，由于φα<，

公式右端小于0，只有当 180)(>-+φαθ时左端才能小于0，因此 180>θ，如

图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在α=wt 时刻1T 被触发导通，由于其导通角

大于180

，在负半周)(πα+=wt 时刻为2T 发出出发脉冲时，1T 还未关断，2T 因受反压不能导通,1T 继续导通直到在)(πα+=wt 时刻因1T 电流过零关断时，2T 的

窄脉冲2G u

已撤除，2T 仍然不能导通，直到下一周期1T 再次被触发导通。这样就

形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情况，0i

始终为单一方向，在电路中产生较大的直流分量；因此为了避免这种情况发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。

图15 窄脉冲触发方式

综上所述，当单相交流调压电路带感性负载时，为了可靠、有效的工作，并

实现调压的目的，应使控制角的移相范围保持在

180<<αφ之间，同时为了避免出现直流分量，晶闸管的控制脉冲应采用宽脉冲或脉冲列触发。

3． 触发电路

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。

根据以上要求分析，采用KC05移相触发器进行触发电路的设计。KCO5可控硅移相触发器适用于双向可控硅或两只反向并联可控硅的交流相位控制。KC05引脚图如图3所示：

KC05触发芯片具有锯齿波形好，移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制，有失交保护，输出电流大等优点，是交流调光，调压的理想电路。KC05电路也适用于作半控或全控桥式线路的相位控制。同步电压由KC05的15、16脚输入，在TP1点可以观测到锯齿波，RP1电位器调节锯齿波的斜率，Rp2电位器调节移相角度，触发脉冲从第9脚，经脉冲变压器输出。调节电位器RP1，观察锯齿波斜率是否变化，调节RP2，可以观察输出脉冲的移相范围如何变化单相交流调压触发电路原理图如图4所示：

集成块的电参数

电源电压：外接直流电压+15V，允许波动±5％(±10％功能正常)。

电源电流：≤l2mA。

同步电压：≥l0V。

同步输入端允许最大同步电流：3mA(有效值)。

移相范围：≥l70°(同步电压30V，同步输入电阻10kΩ)。

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～2 ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。

b．脉冲幅度：>13V。

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：Ie=100μA

允许使用环境温度：-l0～70℃。

图17 单相交流调压触发电路原理图

4．保护电路

4.1保护电路设计

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护也是必要的。

4.2 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2-3所示。

图18 RC阻容过电压保护电路图

4.3 晶闸管的过电流保护

熔断器FU是最简单有效的且应用最普遍的过电流保护器件。针对晶闸管热容量小、过电流能力差的特点，专门为保护大功率半导体变流元件而制造了快速熔断器，简称快熔。其熔断时间小于20ms，能保证在晶闸管损坏之前快熔切断短路故障，达到保护晶闸管的目的（见图4-2）。目前常用的快熔有：小容量R LS(螺旋式)系列、大容量RTK（插入式）系列、RS0（汇流排式）系列、RS3系列、RSF系列等。

快熔断的选择：快熔的额定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的元件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流Ir(AV)来选择，一般应小于被保护晶闸管的额定有效值1.57 Ir(AV)。即可按下式选择：

1.57 Ir(AV)≥IRN≥ITM (管子实际最大电流有效值)

通过上述公式我们选择熔断器为RS3-80，额定电压为250V,电流10A的快速熔断器。

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。

图19 过电流保护电路图