辽宁工业大学电力电子技术单相交流调压电路(800W)

辽宁工业大学

电力电子技术课程设计（论文）题目：单相交流调压电路（800W）

院（系）：新能源学院

专业班级：电气141

学号：

学生姓名：

指导教师：（签字）

起止时间： 2015.07.06-2015.07.19

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：新能源学院教研室：电气教研室

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

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可以了。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。

本次实验的题目是单相交流调压电路的设计，主要是设计出主电路和触发电路，通过触发电路触发主电路中的反并联的晶闸管来控制负载电压电流。触发电路产生的触发脉冲的延迟角也是可以调节的，通过对它的调节来达到对输出控制的目的。在MATLAB中连接好总电路图，用示波器观察输出结果，直观方便。MATLAB这一功能强大的软件给我们带来了很多方便，让我们对于设计电路的结果分析更加清晰明确。

关键词：交流；调压；MATLAB；示波器

目录

第1章绪论 (1)

1.1 电力电子技术概述 (1)

1.2 本文研究内容 (1)

1.3 电路设计任务 (2)

1.4 设计方案选择 (2)

第2章单相交流调压主电路设计及分析 (3)

2.1 电阻性负载 (3)

2.1.1 电阻性负载的交流调压器的原理分析 (4)

2.1.2 结果分析 (7)

2.2阻感负载 (8)

2.2.1电路结构 (8)

2.2.2工作原理 (9)

2.2.3模型仿真图 (9)

2.2.4仿真图 (10)

2.3数据分析与原件型号的选择 (10)

2.4 保护电路设计 (12)

2.5单相交流调压电路设计总电路图 (13)

第3章触发电路设计 (15)

第4章课程设计结论 (16)

参考文献 (17)

第1章绪论

1.1 电力电子技术概述

电力电子技术已迅速发展成为一门独立的技术和科学领域，它是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科，电力电子技术包括电力电子器件，变流电路和控制电路三部分，是电力，电子，控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术与现代控制理论，材料科学，电机工程，微电子技术等诸多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。

电力电子技术本身是大功率的点击数并以半导体为基本材料，近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术，其主体-电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制，触发，保护，显示，信息处理，继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些电子系统的体积，重量，效率，性能等各方面指标不断提高，它使电力电子技术发展到一个更新的阶段，与此同时，电力电子器件，电力电子电路和电力电子装置的计算机仿真技术也不断发展。

历经整流器时代，逆变器时代和变频器时代的发展，电力电子技术日臻成熟。当前电力电子技术作为节能，节材，自动化，智能化和机电一体化的基础，正朝着技术高频化，硬件结构模块化，控制技术数字化，产品性能绿色化发展。当前，电力电子技术作为电工技术中的新技术，对未来输电性能将产生重大影响。在我国，电力电子技术产业是一个年轻但极具发展前途的产业，以电力半导体器件及变频技术为核心的电力电子行业必将有着更为光明的前景。本次设计单相交流调压在生活中同样有着广泛的应用，如舞台的灯光调节，工频，感应加热，交流电机的调压调速等，其具有控制方便，调节速度快等优点，具有很大的发展空间。

1.2 本文研究内容

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 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。

1.4 设计方案选择

采用两个普通晶闸管反向并联设计单相交流调压电路

第2章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 电阻性负载

由于题目要求输出电压范围为0～220V，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。在电阻负载时，晶闸管的导通角只与控制角α有关，正负半周起始时刻（α=0）的时刻均为电压过零时刻，在稳态状况下，应使正负半周的α相等控制角的移相范围应是0≤α≤π，对脉冲触发的要求除了要保证与电源同步外，脉冲本身的宽度也要保证晶闸管能够导通。根据题目要求取最小导通角为20～30o左右。

图2-1

2.1.1 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，波形如图2-2所示。

图2-2 输入输出电压及电流波形图

（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，

图2-3

（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2-4晶闸管电流波形

图2-5晶闸管电压波形

图2-6负载电流波形

图2-7负载电压波形

2.1.2 结果分析

上面图2-4---图2-7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=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

可得到

U U U U 22

23099.06

5

43662sin 21=+

=

-+???

???=πππ

πππU U U U 22

2

6090.03

2

43332sin 21=+

=

-+??? ?

??=ππ

π

πππU U U U 2

22

0100sin 21==-+=ππππα

παπ-+=2sin 2120U U

图2-4-----图2-7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。

2.2.1电路结构

当负载为电感线圈、交流电动机或变压器绕组时，这种负载称为阻感性负载，电路图如图2-8

U U U U 2

2

2

150671.02

101251252sin 21=+=-

+??

?

???=ππ

πππ()0002sin 2122

180=+=-+?=U U U π

π

πππU U U U 2

2

2

9071.02

1022

2sin(21=+=-

+?=ππ

πππ

图2-8

2.2.2工作原理

工作情况与单相半波整流电路带电阻性负载时相似。当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角@的大小不但与控制角a有关，而且与负载阻抗角&arctgwl/r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，a的最大变化范围&<=a<180度，正负半周有相同的a角

2.2.3模型仿真图

图2-9

2.2.4仿真图

图2-10

2.3数据分析与原件型号的选择

根据任务要求：1、交流电源：单相220V；2、输出电压在0～220V连续可调；

3、输出电流最大值5A ；

4、负载为电阻负载或阻感负载；

5、根据实际工作情况，最小控制角取20～30o左右如下数据分析：

根据公式

可知若要输出电压在0～220V 连续可调，则将输出电压的两个极值0V 和

220V 代入公式中，即：

πα

παπ-+

=2sin 2101

U ，

παπαπ-+=2sin 212201U ，计算得出a 的取值范围是0≤α≤π，但是实际要求是最小控制角在20～30o左右，因

此把α=20o和30o分别代入到公式中可以计算得出V

U o 67.2161

= ，

V

U

o 89.2182

=，取其平均值为217.78V ，因此电压的取值范围是0

2.计算流过晶闸管的电流值，根据要求输出电流最大为5A ，则晶闸管的电流有效值为2

/1I I o

=，代入数据得A

I o

53.3=。

3.计算功率因数λ，由

παπαπλ-+=

2sin 21，（将根据实际工作情况，最小控制

角取20～30o考虑进去）得在不同状态下的λ取值范围是0<λ<0.98。

4.触发电路的选取KC05为触发电路的晶片，其数据如下：KC05的电参数如下： 电源电压：外接直流电压+15V ，允许波动00

5±（0

10

±功能正常）。

电源电流：≤12mA 。 同步电压：≥10V 。

同步输入端允许最大同步电流：3mA （有效值）。 移相范围：≥170o（同步电压30V ，同步输入电阻10k ）。 相输入端偏置电流≤10uA 。 锯齿波幅度：≥7～8.5V 。 输出脉冲：

A.脉冲宽度：100us ～2ms(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：BV ceo ≥18V （测试条件：uA

I e

100=允许使用环境温度：-10～70

oC ）。

5.电容C 的耐压应大于正常工作时晶闸管两端电压峰值的1.5倍。

παπαπ-+

=2sin 211U U o

由主电路的分析可知流过晶闸管的电流不超过10A ，所以我们可以选择RC 电路中的R 和C 分别为R=100，C=0.1uF ，V

U c

450 。

6.快速熔断器的选取快熔断的选择：快熔的额定电压U rn 不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流I rn 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I r （AV ）来选择，一般应小于被保护晶闸管的额定有效值1.57I r （AV ）。即可按下式选择：

通过上诉公式我们选择熔断器型号为RS-308，管号Y4，额定电压为250V ，额定电流10A 的圆管型螺栓连接快速熔断器。

2.4 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，dt du /保护和dt di /保护也是必要的。

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：

⑴.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。 ⑵.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：

A.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。

B.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，当达到一定电压值时，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。

2.过电流保护

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，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。

2.5单相交流调压电路设计总电路图

图2-11单相交流电压电路总电路图

第3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。

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3-1所示：

图3-1单相交流调压触发电路原理图