晶闸管交流调压与调功电路设计讲解

辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）题目：晶闸管交流调压与调功电路设计院（系）：工程技术学院专业班级：学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：课程设计（论文）任务及评语院（系）：工程技术学院 教研室： 电气教研室 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目晶闸管交流调压调功电路设计课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能设计晶闸管交流调压与调功电路应用于电炉温控、灯光调节、异步电动机的启动和调速等。

设计任务1、方案的论证。

2、主电路设计。

3、控制电路设计。

4、通过计算选择器件的具体型号。

5、分析系统不同负载下的电流、电压波形及相控特性。

6、绘制相关电路图。

7、完成4000字左右说明书。

要求1、 1、文字在4000字左右。

2、 2、文中的理论分析与计算要正确。

3、 3、文中的图表工整、规范。

4、元器件的选择符合要求。

技术参数电源为工频380/220V ，阻性负载R ＝10Ω,输出电压在0～220V 连续可调。

采用单相交流调压与调功主电路。

进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：主电路设计；第5天：选择器件；第6天：控制电路设计；第7天：保护电路设计；第8天：电路调试或仿真；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩.指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩：总成绩： 指导教师签字：年 月 日摘要交流-交流变流电路，是把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，应用十分广泛。

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。

这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。

在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可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。

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。

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，这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。

关键词：晶闸管；交流调功；交流调压目录第1章绪论 (1)1.1电力电子技术概况 (1)1.2本文研究内容 (2)第2章晶闸管交流调功与调压电路设计 (3)2.1调压电路原理简介 (3)2.2交流调压电路总体设计方案 (3)2.2.1 方案一电阻性负载 (3)2.2.2 方案二阻感性负载 (5)2.3主电路的设计 (9)2.4调功电路的设计 (10)2.5触发电路的设计 (11)2.5.1芯片介绍 (11)2.5.2触发电路图 (13)2.6保护电路的设计 (14)2.6.1过电压的产生及过电压保护 (14)2.6.2过电流的产生及过电流保护 (14)2.6.3计算 (15)2.6.4保护电路图 (16)2.7电阻炉负载过零控制特性分析 (17)第3章仿真模型、仿真波形及其分析 (19)第4章课程设计总结 (21)参考文献 (22)附录 (23)第1章绪论1.1电力电子技术概况电力电子学这一名词是20世纪60年代出现的，“电力电子学”和“电力电子技术”在内容上并没有很大的不同，只是分别从学术和工程技术这2个不同角度来称呼。

电力电子学可以用图1的倒三角形来描述，可以认为电力电子学由电力学、电子学和控制理论这3个学科交叉而形成的。

这一观点被全世界普遍接受。

电力电子技术与电子学的关系是显而易见的。

电子学可分为电子器件和电子电路两大部分，它们分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。

从电子和电力电子的器件制造技术上进两者同根同源，从两种电路的分析方法上讲也是一致的，只是两者应用的目的不同，前者用于电力变换，后者用于信息处理。

电力电子技术广泛应用于电气工程中，这就是电力电子学和电力学的主要关系。

电力学就是电工科学或电气3工程，各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电以及高性能交、直流电源等电力系统和电气工程中，因此，把电力电子技术归于电气工程学科。

电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。

电力电子技术的不断进步大大地推动了电气工程实现现代化的进程。

控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能日益优越和完善，可以满足人们的各种需求。

电力电子技术可以看作弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。

而控制理论则是实现这种接口的强有力的纽带。

此外，控制理论和自动化技术是密不可分的，而电力电子装置又是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。

1.2本文研究内容用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便的调节输出电压有效值。

可用于电炉温控、灯光调节、异步电动机的启动和调速等，也可用作调节整流变压器一次侧电压，其二次侧为低压大电流或高压小电流负载常用这种方法。

采用这种方法，可使变压器二次侧的整流装置避免采用二极管，只需要晶闸管，而且可控级仅在一侧，从而简化结构，降低成本。

交流调压器与常规的交流调压变压器相比，它的体积和重量都要小得多。

交流调压器的输出仍是交流电压，它不是正弦波，其谐波分量较大，功率因数也较低。

第2章晶闸管交流调压与调功电路设计2.1调压原理简介交流调压电路是采用相位控制方式的交流电力控制电路，通常是将两个晶闸管反并联后串联在每相交流电源与负载之间。

在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，使之导通。

与相控整流电路一样，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，可以方便的调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。

其晶闸管可以利用电源自然换相，无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，系统响应速度较快。

其结构框图如下2.1所示：图2.1交流调压结构框图2.2交流调压电路总体设计方案根据项目设计的技术要求可以知道，方案可选用电阻性负载或阻感性负载。

2.2.1方案一电阻性负载采用电阻性负载，电路由电阻和两个晶闸管反并联组成。

（1）原理分析图2.2为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。

正负半周α起始时刻（α=0）均RO 图4-1u 1u oi o VT 1VT 2u 1u oi o VT ωtO ωtO ωtO ωt为电压过零时刻，稳态时，正负半周的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的变化就可实现输出电压的控制。

2.2电阻负载单相交流调压电路及其波形（2）计算与分析负载电压有效值：21111(2sin )()sin 22o U U t d t U παπαωωαπππ-==+⎰ 故移相范围为0≤α≤π。

α=0时，输出电压为最大， U0=U1。

随着α的增大，U0降低，当α=π时，U0=0。

负载电流有效值：oo U I R =(2-2)晶闸管电流有效值：2112sin 11sin 2()()()222T U t UI d t R Rπαωπααωπππ-==+⎰ 功率因数：R L0.6图4-2O u 1u oi o VT 1VT 2u1u o i o VTωtO ωt Oωt ωtOG1G2O Oωtωt0001011sin 22U I U P S U I U παλαππ-====+α=0时, 功率因数λ=1, α增大,输入电流滞后于电压且畸变,λ降低。

2.2.2方案二阻感性负载采用阻感性负载，电路由电阻、电感和两个晶闸管反并联组成。

(1）原理分析图2.3为带阻感负载的单相交流调压电路图及其波形。

设负载的阻抗角为 R)arctan(wL/φ=。

如果用导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流应是正弦波，其相位滞后于电源电压u1的角度为φ。

在用晶闸管控制时，由于只能通过出发延迟角α推迟晶闸管的导通，所以晶闸管的触发脉冲应在电流过零点之后，使负载电流更为滞后，而无法使其超前。

为了方便，把α=0的时刻仍定义在电源电压过零的时刻，显然，阻感负载下稳态时α的移相范围为φ ≤ α ≤π。

但α<φ时，电路并非不能工作，后面第三小节会分析此种情况。

图2.3 阻感负载单相交流调压电路及其波形（2）计算与分析当在ωt=α时刻开通晶闸管VT1，负载电流应满足如下微分方程式和初始条件：12sin |0oo o t di LRi U t dt i ωαω=+== (2-5)解方程得：tan 12)sin()]to U i t e αωϕωϕαϕ-=--- t αωαθ≤≤+ (2-6) 式中，22()Z R L ω=+为晶闸管导通角。

利用边界条件：t ωαθ=+时0o i =，可求得：tan sin()sin()eθϕαθϕαϕ-+-=- （2-7）以φ为参变量，利用上式可以把α和θ的关系用图的一簇曲线来表示，如图2.4所示。

VT2导通时，上述关系完同，只是io 极性相反，相位差180°。

负载电压有效值：212sin 1()()1[sin 2sin(22)]o U t U d t RU παωωπθααθππ==+-+⎰（2-8）图2.4以α为参变量的θ和α关系曲线 0201006014018020100图4-360θ /(°)180140α /(°)ϕ = 90°75°60°45°30°15°0°ϕθϕαθθπωϕαϕωπθααϕωαcos )2cos(sin 2)d()sin()sin(22112tg 1VT ++-=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡---=⎰+-ZU t e t ZU I t 晶闸管电流有效值为：负载电流有效值：T o I I 2= （2-10）设晶闸管电流VT I 的标么值为： （2-11）则可绘出VTN I 和α的关系曲线，如图2.5所示。

图2.5单相交流调压电路φ为参变量时VTN I 和α的关系曲线α<φ的情况，如前图2.4所示，α越小，θ越大；α继续减小到α<φ时，触发VT1，则VT1的导通时间将超过π。

因为VT1提前导通，L 被过充电，放电时间延长， VT1的导通角超过π。

触发VT2时， i0尚未过零， VT1仍导通， VT2不通；i0过零后， VT2开通， VT2导通角小于π，过渡过程和带R-L 负载的单相交流电路在ωt = (α<φ)时合闸的过渡过程相同，i0由两个分量组成：正弦12VTN VTZ I I U =稳态分量、指数衰减分量。

衰减过程中， VT1导通时间渐短， VT2的导通时间渐长，其稳态的工作情况和α=φ时完全相同。