1、中北大學電力電子課程設計說明書中北大學課 程 設 計 說 明 書學生姓名： 劉洋 學 號：1503042130 學 院： 自動控制系 專 業： 電氣工程及其自動化 題 目： 單相交流調壓電路設計 指導教師： 李郁峰 職稱: 講師 2016年1月6號 中北大學電力電子課程設計任務書 15/16 學年第 一 學期學 院：自動控制系專 業： 電氣工程及其自動化學 生 姓 名：劉洋 學 號：1503042130課程設計題目：單相交流調壓電路設計  起 迄 日 期:12月28日 - 1月8日課程設計地點: 計算機實驗室指 導 教 師:李郁峰系主任：王忠慶

2、  下達任務書日期: 2015年12月28 日課 程 設 計 任 務 書1設計目的：（1） 能夠根據功能要求查找相關的元器件的說明書。（2） 能夠對元器件的說明書進行學習并掌握元器件的控制方法和要求。（3） 能夠利用Matlab軟件編寫控制程序并應用Multisim、Proteus仿真軟件對電路進行仿真調試。（4）能夠按著規范的課程設計的格式完成課程設計報告。進一步加深對變流電路基本原理的理解，提高運用基本技能的能力.2設計內容和要求（包括原始數據、技術參數、條件、設計要求等）：設計內容：設計一個單相交流調壓電路交-交變流主要指直接方式。其中，只改變電壓、電流或對電路的通斷進行控制，

3、而不改變頻率的電路稱為交流電力控制電路，改變頻率的電路稱為變頻電路。采用相位控制的交流電力控制電路，即交流調壓電路；采用通斷控制的交流電力控制電路，即交流調功電路和交流無觸點開關。要求:1 進行設計方案的比較，并選定設計方案。 2 完成單元電路的設計和主要元器件的說明。 3 完成主電路的原理分析，各主要元器件的選擇。 4 驅動電路的設計。 5 電路的仿真。主電路仿真采用Matlab進行，利用Simulink中模塊進行建模。主控制電路仿真采用Multisim進行，利用Multisim中自帶模型所建原理圖。3設計工作任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：1. 根據具體

4、設計課題的技術指標和給定條件，獨立進行方案論證和電路設計，要求概念清楚、方案合理、方法正確、步驟完整； 2. 查閱有關參考資料和手冊，并能正確選擇有關元器件和參數，對設計方案進行仿真；3.完成設計說明書，說明書中要有設計方案，設計電路圖，還要有仿真結果；課 程 設 計 任 務 書4主要參考文獻：1李維波，MATLAB在電氣工程中的應用，中國電力出版社，2007 2王兆安，劉進軍，電力電子技術，機械工業出版社，2009.5 3李傳奇，電力電子技術計算機仿真實驗（M），機械工業出版社20065設計成果形式及要求：1設計任務書 2設計方案 3主電路圖 4驅動電路和保護電路圖 5電路參數計算及元器件選

5、擇清單 6主電路和驅動電路工作原理分析 7主要節點電壓和電流波形 8參考文獻 。6工作計劃及進度：2015 12月28日12月30日 查找資料，確定方案1月1日 1月3日 設計硬件電路，繪制電路原理圖1月4日 1月6日 軟件設計，并調試通過1月7日1月8日 編寫課程設計報告，答辯或成績考核系主任審查意見：  簽字： 年 月 日目錄1單相交流調壓電路的設計···················

6、83;·························12 設計方案選擇·······················

7、·····································13 設計原理············

8、;··················································

9、;··24設計內容原理圖··············································&#

10、183;···········3 4.1 主電路的設計····································&#

11、183;···················3 4.2 控制電路的設計····························&

12、#183;·························5 4.2.1觸發信號的種類······················

13、;····························5 4.2.2 觸發電路的設計···················&#

14、183;······························55保護電路的設計··················

15、;········································8 5.1過電壓保護 ········

16、·················································8 5.2過

17、電流保護·················································&#

18、183;········96 總電路圖········································&

19、#183;······················107 單相交流調壓電路仿真結果及結果分析·······················

20、3;·············11 7.1 仿真結果···································

21、;························11 7.2 結果分析························

22、···································148 設計體會·············

23、3;·················································16參考

24、文獻·················································

25、3;···············17第 頁 共 頁1單相交流調壓電路的設計 設計目的和要求分析 設計一個單相交流調壓電路，要求觸發角為60度。輸入交流U2=210伏。要求分析： 1. 單相交流調壓主電路設計，原理說明； 2觸發電路設計，每個開關器件觸發次序與相位分析； 3保護電路設計，過電流保護，過電壓保護原理分析； 4參數設定與計算(包括觸發角的選擇，輸出平均電壓，輸出平均電流，輸出有功功率計算，輸出波形分析，器件額定參數確定等可自己添加分析

26、的參數)；5. 相關仿真結果。 由以上要求可知該系統設計可分為四個部分：交流調壓主電路設計、觸發電路設計、保護電路設計及相關計算和波形分析部分。 2 設計方案選擇 本系統主要設計思想是：采用兩個晶閘管反向并聯加負載為主電路，外加觸發電路；觸發電路控制晶閘管的導通，從而控制輸出。其系統框圖如下所示：主 電 路電阻負載輸出交流輸入觸發電路圖2.1 系統整體框圖 第 1 頁 共 17 頁3 設計原理 本實驗采用了鋸齒波移相觸發器。該觸發器適用于雙相晶閘管或兩只反并聯晶閘管電路的交流相位控制，具有控制方式簡單的優點。 圖為電阻負載單相交流調壓電路圖以其波形。圖中的晶閘管VT1和VT2也可以用一個雙向晶

27、閘管代替。在交流電源u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的觸發延遲角進行控制就可以調節輸出電壓。正負半周起始時刻（=0 ）均為電壓過零時刻。在穩態情況下，應使正負半周的相等。可以看出，負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（也即電源電流）和負載電壓的波形相同，因此通過觸發延遲角的變化就可以實現輸出電壓的控制。 上述電路在觸發延遲角時，負載電壓有效值U0、負載電流有效值I0、晶閘管電流有效值IVT和電路的功率因數分別為4設計內容原理圖4.1 主電路的設計 所謂交流調壓就是將兩個晶閘管反并聯后串聯在交流電路中，在每半個周波內通過控制晶閘管開通相位，可以方便的調節輸出電壓的有效值。交流調

28、壓電路廣泛用于燈光控制及異步電動機的軟啟動，也用于異步電動機調速。此外，在高電壓小電流或低電壓流之流電源中，也常采用交流調壓電路調節變壓器一次電壓。本次課程設計主要是研究單相交流調壓電路的設計。由于交流調壓電路的工作情況與負載的性質有很大的關系，因此下面就反電勢電阻負載予以重點討論。圖1、圖2分別為反電勢電阻負載單相交流調壓電路圖及其波形。圖中的晶閘管VT1和VT2也可以用一個雙向晶閘管代替。在交流電源U2的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的移相控制角進行控制就可以調節輸出電壓 正、負半周起始時刻=0，均為電壓過零時刻。在時，對VT1 施加觸發脈沖，當VT1正向偏置而導通時，負載電壓波形與

29、電源電壓波形相同；在時，電源電壓過零，因電阻性負載，電流也為零，VT1自然關斷。在時，對VT2施加觸發脈沖，當VT2正向偏置而導通時，負載電壓波形與電源電壓波形相同；在時，電源電壓過零，VT2自然關斷。 當電源電壓反向過零時，由于反電動勢負載阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時晶閘管導通角的大小，不但與控制角有關，而且與負載阻抗角有關。兩只晶閘管門極的起始控制點分別定在電源電壓每個半周的起始點。穩態時，正負半周的相等，負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（電源電流）和負載電壓的波形相似。 4.2 控制電路的設計 4.2.1觸發信號的種類 晶閘管由關斷到開通，必須具備兩個外部條件：第一

30、是承受足夠的正向電壓；第二是門極與陰極之間加一適當正向電壓、電流信號(觸發信號)。門極觸發信號有直流信號、交流信號和脈沖信號三種基本形式。 1 .直流信號： 在晶閘管加適當的陽極正向電壓的情況下，在晶閘管門極與陰極間加適當的直流電壓，則晶閘管將被觸發導通。這種觸發方式在實際中應用極少。因為晶閘管在其導通后就不需要門極信號繼續存在。若采用直流觸發信號將使晶閘管門極損耗增加，有可能超過門極功耗；在晶閘管反向電壓時，門極直流電壓將使反向漏電流增加，也有可能造成晶閘管的損壞。 2 .交流信號： 在晶閘管門極與陰極間加入交流電壓，當交流電壓uc=ut時，晶閘管導通。ut是保證晶閘管可靠觸發所需的最小門極

31、電壓值，改變u。值，可改變觸發延遲角。這種觸發形式也存在許多缺點，如：在溫度變化和交流電壓幅值波動時，觸發延遲角不穩定，可通過交流電壓u。值來調節，調節的變化范圍較小(00900)。 3. 脈沖信號： 在晶閘管門極觸發電路中使用脈沖信號，不僅便于控制脈沖出現時刻，降低晶閘管門極功耗，還可以通過變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實現信號的隔離輸出。因此，觸發信號多采用脈沖形式。4.2.2 觸發電路的設計 晶閘管觸發電路的作用是產生符合要求的門極觸發脈沖，保證晶閘管在需要要的 時刻有阻斷轉為導通。廣義上講，晶閘管觸發電路往往還包括對其觸發時刻進行控制的相位控制電路，但這里專指脈沖的放大和輸出環節。晶閘管

32、觸發電路應滿足下列要求：1） 觸發脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，對反電動勢負載的變流器應采用寬脈沖或脈沖列觸發；2）觸發脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增加為器件最大觸發電流的3-5倍，脈沖前沿的陡度也許增加，一般需達1-2A/us ；3）所提供的觸發脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發區域之內；4）應有的抗干擾性能、溫度穩定性及與主電路的電氣隔離。 KC05觸發芯片具有鋸齒波形好，移相范圍寬，控制方式簡單，易于集中控制，有失交保護，輸出電流大等優點，是交流調光，調壓的理想電路。KC05電路也適用于作半控或全控橋式線路的相位控制。同步電

33、壓由KC05的15、16腳輸入，在TP1點可以觀測到鋸齒波，RP1電位器調節鋸齒波的斜率，Rp2電位器調節移相角度，觸發脈沖從第9腳，經脈沖變壓器輸出。調節電位器RP1，觀察鋸齒波斜率是否變化，調節RP2，可以觀察輸出脈沖的移相范圍如何變化單相交流調壓觸發電路原理圖如圖4所示：集成塊的電參數 電源電壓：外接直流電壓+15V，允許波動±5(±10功能正常)。 電源電流：l2mA。 同步電壓：l0V。 同步輸入端允許最大同步電流：3mA(有效值)。 移相范圍：l70°(同步電壓30V，同步輸入電阻10k)。 移相輸入端偏置電流l0µA。 鋸齒波幅度：78.5

34、V。 輸出脈沖：a.脈沖寬度：l00µs2 ms(通過改變脈寬阻容元件達到)。 b脈沖幅度：>13V。 c最大輸出能力：200mA(吸收脈沖電流)。 d輸出反壓：BVceol8V(測試條件：Ie=100µA）允許使用環境溫度：-l070。5保護電路的設計 在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適、驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓、過電流、du/dt保護和di/dt 保護也是必要的。 5.1過電壓保護 內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括： 1）換相過電壓：由于晶閘管或者全控器件反并聯的續流二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷能力，因而有較大的

35、反向電流流過，使殘存的載流子恢復，當其恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極之間或與續流二極管反并聯的全控型器件兩端產生過電壓。 2）關斷過電壓：全控型器件在較高的頻率下工作，當器件關斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。 過壓保護要根據電路中過壓產生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現。將電容并聯在回路中，當電路中出現電壓尖峰電壓時，電容兩端電

36、壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產生振蕩，過電壓保護電路如圖5所示。5.2過電流保護 當電力電子電路運行不正常或者發生故障時，可能會發生過電流。當器件擊穿或短路、觸發電路或控制電路發生故障、出現過載、直流側短路、可逆傳動系統產生環流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進行適當的過流保護。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種的過流保護措施。 如圖所示，其中交流側接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側短路起保護作用，但要求正常工作時，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對元件的短路故障所起的保護作用較差。直流側接快速熔斷器只對負載短路起保護作用，對元件無保護作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對元件的保護作用最好，因為它們流過同個電流因而被廣泛使用。電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區段的保護，直流快速斷