单相交流调压电路课程设计报告书
单相交流调压电路的设计
1 单相交流调压电路设计任务及设计目的 (2)
1.1电路设计任务 (2)
1.2电路设计目的 (2)
1.3主电路的原理分析 (2)
1.4主电路器件的选择 (3)
2 设计方案及选择 (5)
3 单相交流调压电路的设计 (5)
3.1主电路的设计 (5)
3.2控制电路的设计 (6)
3.2.1触发信号的种类 (6)
3.2.2触发电路设计 (7)
3.2.3总的电路图 (8)
4单相交流调压电路仿真结果及结果分析 (8)
4.1仿真结果 (8)
4.2结果分析 (11)
5 单相交流电压电路设计总电路图 (12)
总结 (13)
参考文献 (14)
1 单相交流调压电路设计任务及设计目的
1.1 电路设计任务
1 进行设计方案的比较，并选定设计方案。
2 完成单元电路的设计和主要元器件的说明。
3 完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择。
4 驱动电路的设计。
5 电路的仿真。
1.2 电路设计目的
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。
1.3电阻性负载的交流调压器的原理分析
其晶闸管VT1和VT2反并联连接，与负载电阻R串联接到交流电源上。当电源电压U2正半周开始时刻触发VT1，负半周开始时刻触发VT2，形同一个无触点开关。若正、负半周以同样的移相角α触发VT1和VT2，则负载电压有效值随α角而改变，实现了交流调压。移相角为α时的输出电压u的波形，如图1-1所示。
图1-1A 电阻性负载单相交流调压电路及波形图
1.4 主电路的原理分析
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，本次实验对阻感负载予以重点讨论。图中的2个晶闸管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2个晶闸管的移相控制角进行控制就可以调节输出电压。单相交流调压电路的主电路图如下图
图1-1B 单相交流调压主电路
1.5主电路器件的选择
主电路中所用到得器件比较少，主要是200V单相交流电源，2个反并联的晶闸管，还有一个阻感负载。其中2反并联的晶闸管可用一个双相晶闸管代替，阻感负载可以用一个电阻和一个电感串联，也可以用一个串联谐振代替2个反并联的晶闸管。
晶闸管的选择：
1 选择正反向电压
可控硅在门极无信号，控制电流Ig为0时，在阳(A)一一阴(K)极之间加(J2)处于反向偏置，所以，器件呈高阻抗状态，称为正向阻断状态，若增大UAK而达到一定值VBO，可控硅由阻断突然转为导通，这个VBO值称为正向转折电压，这种导通是非正常导通，会减短器件的寿命。所以必须选择足够正向重复阻断峰值电压(VDRM)。在阳一一阴极之间加上反向电压时，器件的第一和第三PN结(J1和J3)处于反向偏置，呈阻断状态。当加大反向电压达到一定值VRB时可控硅的反向从阻断突然转变为导通状态，此时是反向击穿，器件会被损坏。而且VBO和VRB值随电压的重复施加而变小。在感性负载的情况下，如磁选设备的整流装置。在关断的时候会产生很高的电压( ∈=-Ldi/dt)，如果电路上未有良好的吸收回路，此电压将会损坏可控硅器件。因此，器件也必须有足够的反向耐压VRRM。
可控硅在变流器(如电机车)中工作时，必须能够以电源频率重复地经受一定的过电压而不影响其工作，所以正反向峰值电压参数VDRM、VRRM应保证在正常使用电压峰值的2-3倍以上，考虑到一些可能会出现的浪涌电压因素，在选择代用参数的时候,只能向高一档的参数选取。
2 选择额定工作电流参数
可控硅的额定电流是在一定条件的最大通态平均电流IT，即在环境温度为+40℃和规定冷却条件，器件在阻性负载的单相工频正弦半波，导通角不少于l70℃的电路中，
当稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。而一般变流器工作时，各臂的可控硅有不均流因素。可控硅在多数的情况也不可能在170℃导通角上工作，通常是少于这一角度。这样就必须选用可控硅的额定电流稍大一些，一般应为其正常电流平均值的1.5-2.0倍。
3 选择门极(控制级)参数
可控硅门极施加控制信号使它由阻断变成导通需经历一段时间，这段时问称开通时间tgt，它是由延迟时间td和上升时间tx组成，tr是从门极电流脉冲前沿的某一规定起(比如门极电流上升到终值的90％时起)到通态阳极电流IA达到终值的10％那瞬为止的时间隔，tr是阳极电流从l0％上升到90％所经历的时间。可见开通时间tgt与可控硅门极的可触发电压、电流有关，与可控硅结温，开通前阳极电压、开通后阳极电流有关，普通可控硅的tgt10μs以下。在外电路回路电感较大时可达几十甚至几百μs以上(阳极电流的上升慢)。在选用可控硅时，特别是在有串并联使用时，应尽量选择门极触发特征接近的可控硅用在同一设备上，特别是用在同一臂的串或并联位置上。这样可以提高设备运行的可靠性和使用寿命。如果触发特性相差太大的可控硅在串联运行时将引起正向电压无法平均分配，使tgt较长的可控硅管受损，并联运行时tgt较短的可控硅管将分配更大的电流而受损，这对可控硅器件是不利的。所以同一臂上串或并联的可控硅触发电压、触发电流要尽量一致，也就是配对使用。
在不允许可控硅有受干扰而误导通的设备中，如电机调速等，可选择门极触发电压、电流稍大一些的管子(如可触发电压VGT>2V,可触发电流IGT：>150mA)以保证不出现误导通，在触发脉冲功率强的电路中也可选择触发电压、电流稍大一点的管。在磁选矿设备中，特别是旧的窄脉冲触发电路中，可选择一些VG、IG低一些的管子，如VGT<1.5V、IGT在≤100mA以下。可减少触发不通而出现缺相运行。以上所述说明在某些情况下应对VGT和IGT参数进行选择。(以上举例对500A的可控硅参考参数)
4 选择关断时间(tg)
可控硅在阳极电流减少为0以后，如果马上就加上正向阳极电压，即使无门极信号，它也会再次导通，假如在再次加上正向阳极电压之前使器件承受一定时间的反向偏置电压，也不会误导通，这说明可控硅关断后需要一定的时间恢复其阻断能力。从电流过O 到器件能阻断重加正向电压的瞬间为止的最小时闻间隔是可控硅的关断时间tg，由反向恢复时间t和门极恢复时间t构成，普通可控硅的tg约150-200μs，通常能满足一般工频下变流器的使用，但在大感性负载的情况下可作一些选择。在中频逆转应用，如中频装置、电机车斩波器，变频调速等情况中使用，一定要对关断时间参数作选择，一般快速可控硅(即kk型晶闸管)的关断时间在10-50μs，其工作频率可达到1K-4KHZ；中速可控硅(即KPK型晶闸管)的关断时间在60-100μs，其工作频率可达几百至lKHZ，即电机车的变频频率。
5 晶闸管工作原理
晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2 引入A、G、K 三个电极，如图6.0(左)所示。由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图6.0（下）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。
图1-2晶闸管原理图
2 设计方案及选择
由于题目要求输出电压围为0～100V，所以方案可选电阻性负载或阻感性负载。本电路采用单相交流调压器带阻感负载时的电路图如图2-1所示，在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管VT1，VT2相连。
图2-1 电阻负载单相交流调压电路
3 单相交流调压电路的设计
3.1 主电路的设计
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。图3-1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3-1工作波形图
=时，对VT1施加触发脉正负半周α起始时刻（α=0），均为电压过零时刻。在tωα
=时，电源冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在tωπ
=+时，对VT2施加触电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。在tωπα
发脉冲，当VT2正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在2
=时，
tωπ
电源电压过零，VT2自然关断。当电源电压反向过零时，由于反电动势负载阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角θ的大小，不但与控制角α有关，而且与负载阻抗角φ有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点。稳态时，正负半周的相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（电源电流）和负载电压的波形相似。
3.2 控制电路的设计
3.2.1触发信号的种类
晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当正向电压、电流信号(触发信号)。门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。
1 直流信号：
在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电
压，则晶闸管将被触发导通。这种触发方式在实际中应用极少。因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗；在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损坏。
2 交流信号：
在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压u
c =u
t
时，晶闸管导通。u
t
是保证
晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变u。值，可改变触发延迟角α。这种触发形式也存在许多缺点，如：在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定，可通过交流电压u。值来调节，调节的变化围较小(00≤α≤900)。
3脉冲信号：
在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。因此，触发信号多采用脉冲形式。
3.2.2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；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。KC05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驱动电路如图3-2所示：
图3-2
KC05移相触发器构成的触发电路
3.2.3总的电路图
本次设计的总的电路图如图3-3所示系统原理图如图3-4所示
图3-3 总电路图
图3-4系统原理方框
主电路其实是比较简单的，一个均值为200V的电压源，2个反并联的晶闸管，还有一个阻感负载。触发电路的设计相对复杂，不过其实触发电路产生的触发信号也可以用2个脉冲波代替，脉冲的周期与电源的周期相同，但是2个脉冲要错开半个周期的时间，也就是0.01秒。
4单相交流调压电路仿真结果及结果分析
4.1 仿真结果
本单相交流调压电路仿真是在MATLAB软件中的simulink环境下组建的电路模型，图4-1为单相交流调压电路的模型图，图中触发脉冲g1和触发脉冲g2分别是反向并联晶闸管模块VT1，VT2的触发脉冲电路。
图4-1 单相交流电压电路仿真电路图
图4-2 a=0度时，单相交流调压电路波形
图4-3 a=30度时，单相交流调压电路波形
图4-4 a=60度时，单相交流调压电路波形
图4-5 a=90度时，单相交流调压电路波形
图4-6 a=150度时，单相交流调压电路波形
图4-7 a=180度时，单相交流调压电路波形 4.2 结果分析
上面图4-2---图4-7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=U 2 ，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 、Irl 的波形为非正弦波，控制角α从0-180度围改变时，输出电压有效值U 从U 2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 ()()παπππ
απαωω-+==?2sin sin 2212
221U t d t U U 可求得 =0U 22021
210sin U U U ==+-πππ
30U =265432621
299.0)2sin(6U U U =+=+?
-ππππππ 23243
23212
6090.0)2sin(3
U U U U =+=+?=-ππππππ2212221
29071.00)2sin(2
U U U U =+=+
?=-πππππ2
21
212521
2150671.00)2sin(12
5U U U U =+=+?=-πππ
ππ
000)2sin(221
2180=+=+?=-U U U πππππ
观察图4-2图4-7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Simulink 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。
5 单相交流电压电路设计总电路图如图5-1
图5-1单相交流电压电路总电路图
总结
通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、完成一个基本汇编程序的设计。在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了单相交流调压电路的原理以及触发电路的设计。当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，让我对以后的工作学习有了更大的信心。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。
通过单相半波交流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓厚的兴趣。对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。在这次课程设计过程中，碰到的难题就是对晶闸管的相关参数的计算，因为在学习中没能很好的系统的总结晶闸管相关知识。在整个课程设计中贯穿的计算过程没能很好的把握。在今后的学习中要认真总结经验，对电力电子课程进行补充。为以后深入的学习自动化专业做铺垫。通过这次课程设计我对于文档的编排格式、原理图波有了一定的了解，这对于以后的毕业设计及工作需要都有颇大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子技术这门课程，把以前一些没弄懂的问题基本掌握了。
参考文献
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[9] 锦波，承慧.电机与拖动.：清华大学.2006
[10] 林敏.计算机控制技术及工程应用.：国防工业.2009.8
致
感指导王老师为期一周的悉心指导，在这次设计中，使我了解了和学到了许多书本所没有的东西，扩充了自己的知识，开发了自己的思考能力，提高了自己在制作实物过程中的动手能力。比如说，WORD的应用，matlab的应用，现在终于可以很熟练的使用这个软件了，这对我以后做课程设计是有非常大的帮助的。因为必须完成课程设计，所以必须在网上，在书上找相关的资料，这让我花了大量的时间，在这些时间里，让我体会到了学习的充实的快乐，也让我在现实中把书本上的知识学习的更完善。感石老师可以给我这样的机会去学习，去锻炼，希望以后的学习中，会有更多这样的机会。