单相调压

一、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。

二、设计技术指标与要求

采用单相或三相交流调压主电路，设计电源为工频380/220V，交流输出0-220V可调的交流可调电路。

要求完成的主要任务：

1.交流调压与调功主电路的设计。

2 完成单元电路的设计和主要元器件的说明。 3 完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择。 4 触发电路的设计。 5、保护电路的设计 5 电路的仿真。 6、课程设计总结。

第1章 绪论

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。

电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。

电力电子技术的作用：(1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。 (2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。

电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

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第2章 单相交流调压电路波形及相控特性分析

2.1 电阻性负载

2.1.1 原理

图2-1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

Ou1VT1VT2iouoRu1OuoOiottt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。

uVTO图4-1t图2-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形

2.2 阻感性负载

2.2.1 原理分析

图2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φ=arctan(wL / R)。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

图4-2u1u1OuG1OuG2OuoOioOuVTO0.6VT1VT2iouoLtttttt工作。 图2-2 阻感负载单相交流调压波形

2

2.2.2阻感性负载计算与分析

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：

diLoRio2U1sint（2-1） dtio|t0（2-2）

解方程得：

2U1io[sin(t)sin()etan]

Ztt（2-3）

式中，ZR2(L)2；θ为晶闸管导通角。 利用边界条件：t时io0，可求得：

tansin()sin()e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2-3所示。VT2导通时，上述关系完同，只是io极

/(°)1801401006020（2-5）

° 90=°75°60°45°30°15°0性相反，相位差180°

负载电压有效值：

Uo1(2U1sint2)d(t)R

02060U11[sin2sin(22)] 晶闸管电流有效值为：

100)/(°140180图4-3

图2-3 以α为参变量的θ和α关系曲线

t12U1tgIVTsin(t)sin()ed(t) 2Z2U1sincos(2)（2-6） cos2Z

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负载电流有效值：

Io2IT(2-7)

设晶闸管电流IVT的标么值为：

IVTNIVTZ(2-8) 2U1则可绘出IVTN和α的关系曲线，如图2-4所示。

图2-4 单相交流调压电路φ为参变量时

IVTN和α的关系曲线

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第3章 方案设计

由于题目要求输出电压范围为0-220V，所以方案可选电阻性负载或阻感性负载。

3.1 设计方案图及论证

触发电路 图3-1 总体设计方框图

220V交流输入 调压环节 输出连续可调的交流电 将一种交流电能转换为另一种交流电能的过程称为交流-交流变换过程，凡能实现这种变换的电路为交流变换电路。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。结构原理简单。该方案是由变压器、触发电路、整流器、以及一些电路构成的，为一台电阻炉提供电源。输入的电压为单相交流220V，经电路变换后，为连续可调的交流电。

各部分电路作用

220V交流输入部分作用：为电路提供电源，主要是市电输入。

调压环节的作用：将交流220V电源经过变压器、整流器等电路转换为连续可调的交流电输出。

触发电路部分作用：为主电路提供触发信号。

输出连续可调的交流电源部分作用：为电阻炉提供电源。

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3.2 主电路的设计

3.2.1 主电路图

交流调压电路原理的讨论，欲设计电源为工频380/220V，交流输出0-220V可调的交流可调电路。可将其主电路图设计如图3-2所示。

图3-2 主电路图

3.2.2电路原理简单介绍

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，负载电压有效值

UU0sin2sin()随α角的增大，U0逐渐增大。在电感负载时，要实现交流

调压的目的，则最小控制角α=φ（负载功率因素角），所以α的移相范围为φ～1800。负载电流基波和各次谐波有效值是随着谐波次数n的增加，谐波含量减少，并且阻感性负载电流谐波相对少些。

3.3 触发电路的设计

3.3.1 芯片介绍

触发单元以前都是由分立元件构成的，它的控制精度查，可靠性低，不便于维修，因此，触发电路集成化非常必要。可控硅移相触发器KJ004，与分立元件组成的触发电路相比，具有移相线性好、移相范围宽、温漂小、可靠性高、相位不均衡度小等优点。KJ004芯片其内部原理图3-3：

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图3-3 KJ004内部原理图

该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。

KJ004封装形式：

该电路采用双列直插C—16白瓷和黑瓷两种外壳封装，外型尺寸按电子工业部部颁标准。《半导体集成电路外型尺寸》SJ1100—76

KJ004的管脚功能如表3-1所示。 图3-4 KJ004封装引脚图

表3-1 KJ004的各管脚功能

功 能 输出 空 锯齿波形成 -Vee(1kΩ) 空 地 同步输入 引线脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 功 能 综合比较 空 微分阻容 封锁调制 输出 +Vcc 综合比较 空 引线脚号 9 10 11 12 7

13 14 9 10

3.3.2 触发电路图

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要要的时刻有阻断转为导通。广义上讲，晶闸管触发电路往往还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下列要求：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）触发脉冲应有足够的幅度，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流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也许增加，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、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；4）应有的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。综上所述可以用kj004芯片构成触发电路。触发电路图如图3-5所示。

图3-5 触发单元接线图

电路原理：根据设计要求，要实现调压，可以调节与kj004的12脚相连接的调节滑动变阻器R11就可以实现调压。

综上所述，用以kj004芯片构成的触发电路跟主电路结合可以满足课程设计的要求。

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3.4 保护电路的设计

3.4.1 设计原理

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。

1、过电压的产生及过电压保护：

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：操作过电压、雷击过电压；内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：换相过电压、关断过电压。

过压保护的基本原则是：根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的附加电路，当达到—定过压值时，自动开通附加电路，使过压通过附加电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。保护电路形式很多。这里主要考虑晶闸管在实际应用中一般会承受的换

相图 图3-6阻容保护电路

过电压，故可用阻容保护电路来实现保护。当电路中出现电压尖峰时，电容两端电压不能突发的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。阻容保护电路如图3-6所示。

2、过电流的产生及过电流保护：

引起过流的原因：当电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起变换器内元件的电流超过正常工作电流，即出现过流。由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此，必须对变换器进行适当的过流保护。常见的过电流保护电路有如下一些形式。

变换器的过流一般主要分为两类：过载过流和短路过流。在晶闸管变换器中，快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直

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流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同—个电流。因而被广泛使用。过电流各种保护措施及配置位置如图3-7所示。

图3-7 过电流各种保护措施及配置位置

3.4.2 保护电路图

将快速熔断器和RC阻容保护电路放入电路中，如图3-8所示：

图12 保护电路图

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第4章 参数计算

4.1主电路参数计算

单相交流调压变流器电路分析：在单相交流调压电路原理图中，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的开通角 进行控制就可以调节输出电压。正负半周起始时刻均为电压过零时刻。在稳态情况下应是正负半周的相等，可以看出，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流和负载电压的波形相同。

输出平均电压、电流及输出有功功率的计算

首先设定电阻 R=4Ω分有LB和没有LB两种情况分析。

当没有漏感LB时，设上述电路在开通角为α时，负载电压的有效值为U0、负载电流有效值为I0、晶闸管电流有效值为IVT和电路功率因数为。 根据公式计算得出如下结果：

U01(2U2sint)2d(wt)220V （4-1）

则α可以计算出来。

IVT12(2U2sint2)d(wt)1.43A (4-2) R

PU0I00.961 (4-3) SU2I0当考虑漏感LB时，实际上变压器绕组总有漏感。由于电感对电流变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因而换相过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间。 下面分析漏感LB在换相过程中对相关参数的影响。 换相过程中，输出电压瞬时值为

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UdUaLBdikdikUaUb （4-4） UbLBdtdt2

由此可知，在换相过程中，整流电压U d为同时的两个晶闸管随对应的两个相电压的平均值。与不考虑变压器漏感时相比，每次换相U d减少了一块，导致U d平均是减低，降低多少用ΔU d表示，称为换相压降。

UdXBId (4-5)



其中XBw•LB。XB为漏感LB的变压器折算到二次项的漏电抗。同时我们可以得到换相重叠角γ，通过下式可得到。

coscos()IdXB (4-6) 2U2换相重叠角γ随其它参数变化的规律如下：当Id越大时则γ越大；当XB越大时γ越大；当<=90°时，越小则γ越大。 漏感对电路影响结果分析如下：

（1） 出现换相重叠角γ，整流输出电压平均值Ud降低。

（2） 整流电路的工作状态增多

di（3） 晶闸管的减小，有利于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以抑制晶

dtdi闸管的。

dtdu（4） 换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸

dt收电路。

（5） 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。

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4.2触发电路的参数计算

其中，同步串联电阻R4的选择按下式计算：

同步电压30R4()1000100010000~15000 （4-7）

2~32~3这里R4选用15KΩ。

4.3 保护电路的参数计算

1、阻容保护电路参数：

RC阻容保护电路参数根据经验值来选择。电容C的选择为：

C(2~4)IT(AV)103(2~4)ITV/1.571030.248~0.496F （4-8）

电阻一般取40Ω。

2、快速熔断器的选用原则：

和普通熔断器一样要考虑快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值，熔 断器(安装熔体的外壳)的额定电流应大于或等于熔体额定电流值。此外，快速熔断器熔体的额定电流IKR是指电流有效值，而晶闸管额定电流是指通态电流平均值效值为1.57

IT(AV)IT(AV)，其有

。故选用时要求：

IKR1.57IT(AV) （4-9）

式中：

IT(AV)—晶闸管通态电流平均值，IKR—快速熔断器的熔体额定电流。

IT(AV)ITV194.4A算得1.57

。所以选取额定电流大于等于194.4A的快速熔断器。

第5章 MATLAB仿真

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5.1 仿真电路图

用MATLAB中的Simulink，不涉及具体的元器件型号的选用，仿真简单。

现用Simulink仿真单相交流调压电路。交流电源、两个晶闸管反向并联、阻感性负载即构成了主电路，再给两个晶闸管分别提供触发脉冲。为了观察波形，在电源两端、负载两端加上电压表，主电路中接入电流表，再将各表的输出导入示波器，同时还要观察两个触发脉冲的波形。

仿真连线图如图5-1。

图5-1 MATLAB仿真连线图

仿真前，要设定好元器件的参数。将题目条件中交流调压电路阻感负载的阻抗代入，交流电源的频率设为50HZ，触发脉冲的频率要和电源一样，故设其周期为0.02s，幅值设为12，脉冲宽度设为5％，这里设触发时间一个为0.005s，一个为0.015s，即触发角α为90°。其仿真波形如图16所示。根据示波器输入端口的顺序，波形图分别表示：电源电压、负载电压、负载电流、正相触发脉冲、负相触发脉冲。

5.2 仿真结果

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图5-2 0时，单相交流调压电路波形 图5-3 30时，单相交流调压电路波形

00

图5-4 60时，单相交流调压电路波形 图5-5 90时，单相交流调压电路波形

00

图5-6 150时，单相交流调压电路波形 图5-7 180时，单相交流调压电路波形

00

5.3 仿真结果分析

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上面图5-2--图5-7给出了分别为0度、 30度， 60度，90度、150度和180度时单相交流调压电路的纯电阻负载的电压和电流的仿真波形。

当晶闸管触发控制角=0时，U=U2 ，负载两端的电压U和流过其电流正弦波。当>0时，U、

IRLIRL的波形均为

的波形为非正弦波，控制角从0~180度范围改变时，输出电

压有效值U从U2下降到0，控制角对输出电压U的移相可控区域是0---180度。把角等于0度、 30度， 60度，90度、150度和180度分别代入下式

U1122U2sintdtU20sin0U21U2

212sin2可求得

U0U2U30U212sin(26)6U234560.99U2

U60U2U90U2U150U212sin(23)sin(22)32U234230.90U2

12U201U2 20.71U201U2 20.67112sin(2512)512U180U212sin(2)U2000

观察图5-2--图5-7的仿真波形，可得到随着角增大，负载两端电压U的波形的曲线部分的宽度越来越窄，则其有效值将不断减小。

由此可知，理论分析与仿真结果是一致的。在Simulink 环境下利用电力系统模块库中的电力电子器件组建单相交流调压纯电阻电路，并对电路进行相应的理论分析和仿真实验。仿真实验结果表明，通过控制角的大小，单相交流调压电路能够得到很好的调压结果。

总结与体会

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此次课程设计，大大加深了我对电力电子技术的理解。在这次设计中，我学到了很多课本上没有的，以及平时被我们所忽视的东西。平时在上完课后认为对老师所讲的东西都很理解，但是在真正自己设计程序时却无从下手。不能清晰的理解理论知识，就不能在实际实践中熟练的应用。不仅是理论知识的理解，在此次课程设计后，我对很多电子器件有了更深入的理解，比如晶闸管在电路中的应用，集成触发芯片kj004的功能和应用。

在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、完成一个电路的设计。在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了单相交流调压电路的原理以及触发电路的设计。当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，让我对以后的工作学习有了更大的信心。回顾起此次计算机控制课程设计，至今我仍感慨颇多。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。

万事开头难，在这次课程设计后我对自己的动手能力更加有信心。由于时间有限和个人能力的不足，对电路的设计不够完善，但是在以后的时间里我继续学习以来提高自己对知识的理解和应用。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，在同学的帮助下，终于游刃而解，非常感谢。

参考文献

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[1]《电力电子技术》王兆安，刘进军主编。第5版，机械工业出版社，2009.5 [2]《电力电子技术》王云亮主编。第2版，电子工业出版社，2009.8 [3]《常用晶闸管触发器集成电路及应用》李宏编著。科学出版社，2011.1 [4]《现代电力电子技术基础》赵良炳主编。清华大学出版社，1999 [5]《MATLAB/SIMULINK实用教程》张化光主编。人民邮电出版社，2009.3 [6]《电力电子技术》浣喜明、姚为正主编。高等教育出版社：2004 [7]《半导体变流技术》莫正康主编。机械工业出版社 ：1999

附录 交流调压电路整体电路图

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