单相交流调压电路设计

1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Acvoltagecircuitiswidelyusedinlightingcontrol(suchasdimmerandstagelightingcontrol)andasynchronousmotor,alsousedinthesoftstart-upinductionmotordrive.Inthepowersystem,thecircuitisalsooftenusedtoreactivepowerofcontinuousadjustment.Inaddition,inhighvoltageandlowvoltage,current,orsmallcurrentdcpowersupply,oftenalsoadoptacvoltagetransformervoltageregulatingcircuit.Inthesepowersuchasusingthyristorrectifiercircuitcontrolofhighvoltage,lowcurrentcontrolleddcpowerneedsmanythyristorseries,Similarly,lowvoltagedccurrentneedsmanythyristorparallel.Thisisveryreasonable.Adoptacvoltagetransformervoltagecircuitintheside,thevoltageandcurrentaremoderate,asintransformerwithdioderectifierside.Thiscircuit,smallvolume,lowcost,easytodesignandmanufacture.Single-phaseacvoltagecircuitofsingle-phaseacvoltageistoadjustthecircuit.Usedinelectricheatingsystem,acmotorspeedcontrol,lightingcontrolandacstabilizeretc.Sincethevoltagetransformerwithdecouplingmethod,exchangeregulatingcircuitcontrolandspeedregulation,thedevice,lightweight,smallsize,non-ferrousmetalconsumptionisless2目录一．设计任务书·······································31.设计目的·········································31．1要求分析········································31.2设计方案·····································3二．调压电路分析····································42.1电阻负载····································42.2阻负载感····································5三．触发电路·········································10四．保护电路········································124.1保护电路设计·······························124.2过电压保护·································134.3晶闸管过电流保护···························14五．总电路图········································16六．参数的计算与选定································16七．总结与体会······································18八．致谢············································19九.参考文献·········································203一．设计任务书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。1.1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。1.2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。4二．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正、负半周起始时刻（=0），均为电压过零时刻。在t时，对VT1施加触发脉冲，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；5在t时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。在t时，对VT2施加触发脉冲，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2t时，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的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角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。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、负载阻抗角都有关系。其中负载阻抗角)arctan(RwL,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。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,,三种工况分别进行讨论。（1）情况图1-3电路图6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iu的正半周角时，iT触发导通，输出电压ou等于电源电压，电流波形oi从0开始上升。由于是感性负载，电流oi滞后于电压ou，当电压达到过零点时电流不为0，之后oi继续下降，输出电压ou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oi从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角0。由后面的分析可知，在工况下，180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oi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oi的表达式及导通角与、之间的关系，假设电压坐标原点如图所示，在t时刻晶闸管T1导通，负载电流i0应满足方程L0Riddtio=iu=iU2sint7其初始条件为i0|t=0,解该方程，可以得出负载电流i0在≤t≤区间内的表达式为i0=])sin()[sin()(2tan/)(2tietLRU.当t=时，i0=0，代入上式得，可求出与、之间的关系为sin（-）=sin（-）etan/利用上式，可以把与、之间的关系用下图的一簇曲线来表示。图1-5与、之间的关系曲线图中以为参变量，当=00时代表电阻性负载，此时=180-；若为某一特定角度，则当时，=180，当时，随着的增加而减小。上述电路在控制角为时，交流输出电压有效值UO、负载电流有效值Io、晶闸管电流有效值IT分别为Uo=Ui)22sin(2sinI0=2ImaxoIT*IT=2ImaxoIT*式中，Imaxo为当=0时，负载电流的最大有效值，其值为8Imaxo=22)(lRUiIT*为晶闸管有效值的标玄值，其值为IT*=cos2)2cos(sin2由上式可以看出，IT*是及的函数下图给出了以负载阻抗角为参变量时，晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线。图1-6晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线当、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I0及晶闸管电流有效值IT。（2）=情况当控制角=时，负载电流i0的表达式中的第二项为零，相当于滞后电源电压角的纯正弦电流，此时导通角=1800，即当正半周晶闸管T1关断时，T2恰好触发导通，负载电流i0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。9图1-7=情况下的输出波形(3)情况在工况下，阻抗角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，公式右端小于0，只有当180)(时左端才能小于0，因此180，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在wt时刻1T被触发导通，由于其导通角大于180，在负半周)(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)(wt时刻因1T电流过零关断时，2T的窄脉冲2Gu已撤除，2T仍然不能导通，直到下一周期