单相交流调压

电力电子技术课程设计报告单相交流调压器姓名焦庆杰学号201009140230年级2010专业电气工程及自动化系（院）汽车学院指导教师王增玉2012年12月31日一、引言1.1介绍随着２１世纪的到来电子信息技术的发展关于交流－交流变换电路在电力电子技术基础中所处的位置越来越来重要，它不仅是自动化类专业的一个重要部分，而且在其它类专业工程中也是不可缺少的。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。交流－交流变换包括交流调压和交－交变频。交流调压电路是电力电子电路中出现较早的一种，因其体积小，成本低，易于设计，应用十分广泛。用晶闸管组成的交流调压电路体积小、重量轻、控制灵活方便，在灯光控制、家用风扇调速、交流电机的调压调速和软启动以及交流电机的轻载节能运行中得到了广泛的应用。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。在这些电源中如果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，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联，十分不合理。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。其分为单相和三相交流调压电路，前者是后者基础，这里只讨论单相问题。本文介绍了单相交流调压器电路的设计，基于Matlab7.12.0／Simulin软件对该电路进行仿真和测试，并运用Protel99SE软件实现该电路的硬件仿真。1.2选题的背景电力电子技术是研究采用电力电子器件实现对电能的交换和控制的科学，是２０实际５０年代诞生，７０年代迅速发展起来的一门多学科互相渗透的综合性技术学科。这些技术包括以节约能源、提高照明质量为目的的绿色照明技术；以节约能源、提高运行可靠性并更好地满足产量要求为目的的交流变频调速技术，以提高电力系统运行的稳定性、可控制性为目的，并可有效节能的灵活（柔性）交流输电技术等等。随着电力半导体制造技术、微电子技术、计算机技术，以及控制理论的不断进步。电力电子技术向着大功率、高频化及智能化方向发展，应用的领域将更加广阔。交流调压电路是电力电子电路中出现较早的一种，因其体积小，成本低，易于设计，应用十分广泛。先当代科技发展最迅速、最直观的就是电子和信息技术，其发展的影响和现象与人民生活方式和工作方式的改变密不可分。同样，单相交流调压调压技术的应用前景与发展日新月异。其应用范围不仅从最初的电炉工业、玻璃工业、石化工业等传统重工业拓展到新型复合材料加工、食品工业、节能照明技术、空间技术等其他更广泛的领域。而且电路设计思想与性能也随着电能利用的发展创新而丰富和发展。单相交流调压技术逐渐与新材料、数字技术、信息技术、自动化技术的发展联系日益紧密，出现了许多新设计理论这种逐渐与各种学科与技术联系的趋势对单相交流调压技术今后发展影响作用非常巨大，其根本取决于交流电源技术与应用的拓展，涉及较广，不容易估测。1.3单相交流调压器的简介交－交变换（ＡＣ－ＡＣ）包括交流调压和交－交变频。交流调压是指不改变交流电压的频率而只调节电压的大小的方法。过去交流调压使用变压器，在电力电子技术出现后，采用电力电子器件的交流调压器不仅可以对电压进行连续调节，并且体积小、重量轻、控制灵活方便，在灯光控制、家用风扇调速、交流电机的调压调速和软启动以及交流电机的轻载节能运行中得到了广泛的应用。交－交变频是通过电力电子电路的开关控制将工频三相交流电直接转换为其他频率的单项或三相交流电，也称直接变频器和周波变流器，一般交－交变频器在改变频率的同时也调节电压的大小，即实现ＶＶＶＦ控制。交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路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。该电路主要应用在电热控制、交流电动机速度控制、交流稳压器等场合，主要有灯光调节（如调光台灯、舞台灯光控制等），温度调节（如工频加热、感应加热、需控制的家用电器等），泵及风机等一步电动机的软起动，交流电机的调压调速（如纺织、造纸、治金等领域的调压调速），随电机负载大小自动调压（对于起动机等有较长时间空载或轻载的电荷，自动调压可以节省电能），变压器初级调压（在高压小电流货低压大电流直流电源中，如采用晶闸管相孔整流电路，需要很多晶闸管串联或并联，若采用交流调压电路在变压器初级调压。其电压电流值都比较合理，在变压器初级只要用二极管整流即可，从而达到减少体积、减低成本的目的）。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。单相交流调压电路有采用晶闸管器件的相位控制和采用全控器件的ＰＷＭ控制两种方式，在本次设计中采用的是晶闸管控制的交流调压电路。二、设计任务2.1电路设计任务1方案设计2完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择3触发电路的设计4利用MATLAB仿真软件建模并仿真，获取电压电流波形，依据控制角与负载阻抗角的关系，对结果进行分析2.2电路设计的目的电力电子技术是我们大三下学期学的一门很重要的专业课，课本上讲了很多电路，比如各种单相整流电路，逆变电路，三相整流电路，三相逆变电路，基本斩波电路等各种电路，通过对这些电路的学习，让我们知道了如何将交流变为直流，又如何将直流变为交流。并且通过可控整流调节输出电压的有效值，以达到我们的目的。而本次单相交流调压电路的设计，我们需要用晶闸管的触发电路来实现调节输入电压的有效值，然后加到负载上。本次课程设计期间，我们自己通过在网上搜索相关的资料，到图书馆查阅书籍，以及同学之间的相互帮助，让我们学到了很多知识。通过对主电路的设计与分析，对晶闸管触发电路的设计与分析，了解了他们的工作原理，知道了该电路是如何实现所要实现的功能的，这让我们受益匪浅。通过对设计报告的撰写，电路的设计，提高了我们的能力，为我们以后的毕业设计以及今后的工作打下了坚实的基础。三、设计方案选择及论证3.1设计内容(1)通过对单相调压电路的设计。掌握单相调压电路的工作原理。综合运用所学的知识进行单相调压电路和系统设计的能力(2)了解与熟悉单相调压电路拓扑、控制方法(3)理解和掌握单相调压电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法(4)具有一定的电力电子及系统实验和调试的能力(1)理论设计：了解掌握单相调压电路的工作原理，设计单相调压电路的主电路，包括：主电路的设计；保护电路的设计；触发电路的设计；晶闸管电流、电压额定的选择；画出完整的主电路原理图和触发电路原理图；列出主电路所用元器件的明细表。(2)仿真实验：利用Matlab7.12.0仿真软件对单相交流调压器电路的调压电路、触发电路和主电路进行仿真建模，并进行仿真实验。(3)实际制作：利用Protel99SE软件绘出原理图，结合具体所用元器件管脚数、外型尺寸、考虑散热和抗干扰等因素，设计PCB印刷电路板。最后完成系统电路的组装、调试。3.2方案确立在之前介绍的电路工作原理表明，交流调压电路原理：把两个晶闸管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，可以方便的调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。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，可以方便的调节输出功率的平均值，这种电路称为交流调功电路。图3给出了三种对应调节比例的常见单相交流调压调功控制方式下交流电路输出波形，第一种调相控制方式在交流调压电路中属于经典方式，后两种常用于交流调功电路。图3常见单相交流调压（调功）控制方式下的负载电压波形交流调压电路有斩控式和相控式，本实验方案是以相控式实现调压。本电路负载为阻感负载，再用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。根据以上的比较分析，采用两个普通晶闸管反向并联设计单相交流调压电路。四、总体电路设计此设计电路可以明显地分为三大块：主电路、触发电路、保护电路。系统原理方框图如下。图４单相交流调压系统原理方框图五各功能模块电路设计5.1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，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5-1单相交流调压主电路5.2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，还有一触发电路主电路保护电路输出持续可调的交流电220V单相交流电源个阻感负载。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