单相交流调压电路设计

********大学*********课程设计（论文）题目：单相交流调压电路设计院（系）：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语院（系）：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）题目单相交流调压电路设计课程设计（论文）任务实现功能采用两个晶闸管反向并联后串联在单相交流电路中进行调节电压。设计任务及要求（1）确定单相交流调压电路总体设计方案及系统控制结构框图；（2）完成主电路和触发电路的分析及设计；（3）完成控制电路的设计，包括驱动电路和保护电路；（4）分析计算晶闸管的额定电压和额定电流，选择器件型号；（5）完成电压器变比的设计；计算负载阻抗角，得到控制角的移相范围；（6）采用阻感负载，进行matlab软件仿真分析，设置触发角30度、60度、90度、120；（7）撰写、打印课程设计说明书一份；字数应在4000字以上。技术参数电网电压：220V，50Hz；阻感负载：负载电阻5，负载电感10mH。进度计划（1）布置任务，查阅资料，确定系统的方案（2天）（2）对系统各组成部件进行功能分析（2天）（3）系统电气电路设计及仿真调试（3天）（4）撰写、打印设计说明书（2天）（5）答辩（1天）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：年月日本科生课程设计（论文）II摘要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。用在电热控制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。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。这次设计主要做了单相交流调压电路的触发电路与驱动电路，主电路，保护电路，能较好的实现调压电路的功能。主电路用晶闸管组成。保护电路主要由电压保护电路和电流保护电路组成，触发电路用集成芯片TCA785构成。画图使用Multisim和Altium软件，仿真软件使用Matlab/Siumlink,通过仿真分析得出单相交流调压电路电阻性负载和阻感性负载波形的变化主要是由于电感电流不能突变引起的。关键词：交流；调压；Matlab；本科生课程设计（论文）III目录第1章绪论..........................................................11.1电力电子技术概况.............................................11.2本文研究内容.................................................1第2章课程设计的方案.................................................12.1概述.........................................................12.2系统组成总体结构.............................................1第3章硬件电路设计..................................................33.1主电路设计....................................................33.2触发电路的设计................................................43.3保护电路的设计................................................5第4章仿真设计.......................................................74.1仿真软件说明..................................................74.2仿真模型搭建..................................................74.3整体仿真图及器件说明..........................................8第5章仿真分析.....................................................105.1仿真参数设置.................................................105.2电阻性负载...................................................105.3阻感性负载...................................................12第6章课程设计总结..................................................15参考文献............................................................16本科生课程设计（论文）1第1章绪论1.1电力电子技术概况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。在进行交流——交流换流时，可以改变交流电的电压、电流、频率或相位等。其中，只改变电压、电流，而不改变交流频率的电路成为交流交流电力控制电路，包括交流调压电路，交流调功电路，交流电力电子开关等；在改变电压电流的同时，不需要改变其频率的交流——交流变频电路成为交交变频电路，即直接把一种频率的交流变频变换成另一种频率或可变的交流。因此，也称为直接变频电路。另外，还有一种交直交交变频电路。先将交流整流成直流，再将直流经无缘逆变电路变换成频率可变的交流电能，这种带有中间直流环节的变频电路也称为间接变频电路。用晶闸管组成的交流调压控制电路，可以方便的调节输出电压有效值，可用于电炉控温、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的这种方法。采用这种方法，可使变压器二次侧的整流装置避免采用晶闸管，只需要二极管，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，它的体积和重量都小的多，交流调压器的输出仍是交流电压，他不是正弦波，其谐波分量较大，功率因数也较低。1.2本文研究内容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，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，可方便的调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。本文研究的交流调压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），泵及风机等异步电动机的软启动，交流电机的调压调速（如纺织、造纸、冶金等领域的调压调速），随电动机负载大小自本科生课程设计（论文）2动调节（对于起动机等有较长时间空载或轻载的负荷，自动调节可节省电能），变压器初级调节（在高压小电流或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，在变压器次级只要用二极管整流即可，从而达到减少体积、降低成本的目的）。本科生课程设计（论文）1第2章课程设计的方案2.1概述本次设计主要是综合应用所学知识，设计出单相交流调压电路，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“电力电子技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握简易整流系统设计的基本方法。应用场合:电热控制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。系统功能介绍:通过调节触发角的大小，可以实现对输入的电网电压的调节，达到我们所希望的电压值0~24V。2.2系统组成总体结构交流电压主电路触发电路保护电路输出电压图2.1总体电路设计框图整个设计主要分为主电路，触发电路，保护电路。触发电路由集成触发器组成，用来触发晶闸管的导通来实现主电路的正常工作，其中的保护电路主要是对晶闸管的过流及过压保护。晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通，交流电源电压为220V。当接通电源时，单相桥式全控整流电路主电路通电，同时通过同步电路连接的触发电路也通电工本科生课程设计（论文）2作，形成触发脉冲，使主电路中晶闸管触发导通工作。本科生课程设计（论文）3第3章硬件电路设计3.1主电路设计图3.1主电路图3-1是单相交流电路主电路图两个晶闸管反并联串联在交流电路中,在每半个周波内对晶闸管开通相位的控制,可以方便地调节输出交流电压的有效值,实现交流调压。由于交流调压电路的工作情况和负载有很大关系,因此分别进行讨论。单相交流调压负载在电阻负载时,晶闸管的导通角只与控制角α有关,分别对两个晶闸管的开通角进行控制就可以调节输出电压。正负半周起始时刻(α=0)均为电压过零时刻,在稳态情况下,应使正负半周的α相等。α的移相范围应为0απ。对触发脉冲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正常导通。单相交流调压负载是阻感性负载时,在电压反向过零时,由于电感产生的感应电势阻碍电流的变化,晶闸管不能立即关断,导电时间延长,此时,晶闸管的导通角不但与控制角α有关,还与负载的阻抗角ф=arctan(wL/R)有关。当фαπ时,两个晶闸管VT1和VT2得导通角α均小于π,且ɑ越小,θ越大。此时可以进行正常交流调压,输出电流既不连续也非正弦。当ɑ=ф时,θ=π,电流波形为正弦波。当0≤ɑф时,假设某一时刻触发VT1,则VT1的导通时间将超过。到wt=π+α时刻触发VT2时,由于电感的作用,负载电流尚未过零,VT1仍在导通,VT2不会立即开通。直到负载电流过零后,如果VT2的触发脉冲有足够的宽度而尚未消失,VT1SCRVT2SCRRU2UO10mHL本科生课程设计（论文）4VT2开通,但其导通时间将小于π。但如果触发脉冲宽度不够，负载电流过零时触发脉冲已经消失VT2将无法开通，造成每个周期VT1导通一次而VT2始终无法导通，负载电流中有半周。这会产生很大的直流分量而危及负载，同时对电网也带来不利影响，为保证单项交流调压电路在阻感负载时能正常工作，其触发脉冲的宽度必须大于θ-ф，因此所采用的触发电路必须输出宽脉冲或脉冲列。3.2触发电路的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，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通，广义上讲，晶闸管触发电路往往还会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以下环节：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）脉冲触发应有足够的幅度，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路的3—5倍，脉冲前沿的陡度也会增加，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、和额定功率，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；4）应有抗干扰性能、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TCA785移相触发器进行触发电路的设计。电路图如下图所示：图3.2触发电路T2TransQ1SCR12345678910111213141516*1TCA7854.7KR3Res2220KR4Res210KR5Res210KR7RPotR15ResVaristorQ2QNPND4DiodeBAS21S1SW-SPSTD5DiodeBAS210.47uFC2Cap2.2uFC4Cap22KR13Res247nFC9Cap1nFC8Cap0.1uFC5Cap2