《电力电子技术》课程设计-晶闸管交流调压与调功电路设计.doc

武汉理工大学华夏学院电力电子技术课程设计 华夏学院电力电子技术课程设计题 目：晶闸管交流调压与调功电路设计 学院（系）：信息工程系 年级专业： 自动化1082班 学 号： 10212408225 学生姓名： 指导教师： 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程系 题目：晶闸管交流调压与调功电路设计初始条件：电源为工频380/220V，阻性负载R4,交流输出0-220V可调。采用单相或三相交流调压与调功主电路。要求完成的主要任务：1.交流调压与调功主电路的设计。2. 触发电路的设计（如KJ004集成触发器）。3.分析系统不同负载下的电流、电压波形及相控特性。4.针对电阻炉负载分析系统的过零控制特性。5.提供电路图纸一张。课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2011.1.142011.1.15 收集资料，确定设计方案2011.1.162011.1.17 系统设计2011.1.182011.1.19 撰写课程设计论文及答辩指导教师签名： 年 月 日 摘要交流-交流变流电路，是把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，应用十分广泛。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，可方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。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）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。交流调功电路跟交流调压电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同。交流调功电路不是在每个交流电源周期都通过触发延迟角a对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，在断开几个整周波，通过改变接通周波数和断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。交流调功电路常用于电炉的温度控制，因其直接调节对象就是电路的平均输出功率，所以被称为交流调功电路。目 录前言1第一章 概述21.1交流电力控制电路21.2交流调压调功电路2第二章 集成触发芯片介绍32.1 触发芯片32.2 kj004的工作原理32.3封装形式32.4芯片参数4第三章 硬件的设计53.1主电路的设计 53.2触发电路设计103.3晶闸管调压调功电路参数的计算与设定113.4电阻炉负载的过零控制特性分析第四章 设计体会与总结14附录15参考文献16本科生课程设计成绩评定表17武汉理工大学华夏学院电力电子技术课程设计前 言电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术。可以预见，在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用。用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便的调节输出电压有效值。可用于电炉温控、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，它的体积和重量都要小得多。交流调压器的 输出仍是交流电压，它不是正弦波，其谐波分量较大，功率因数也较低这些毕业生走进企业、公司、政府机构或研究单位之后，往往深刻地感觉到缺乏实际开发设计项目的经验，不善于综合运用所学理论，对知识的把握缺乏融会贯通的能力。通过这种设计课程，我们一方面可以结合课程的教学内容循序渐进地进行设计方面的实践训练，另一方面，在参与一系列子项目的实践过程中，还能提高如何综合运用所学知识解决实际问题的能力，以及获得有关项目管理和团队合作等等众多方面的具体经验，增强对相关课程具体内容的理解和掌握能力，培养对整体课程知识综合运用和融会贯通能力。最后，向此次课程设计的指导老师以及在课程设计中帮助、支持我的同学表示衷心的感谢。由于本次课程设计时间仓促且自己水平有限，难免还存在一些错误和不妥之处，恳请老师批评指正。第一章 概 述1、交流电力控制电路交流电力控制电路是指通过晶闸管等电力电子器件对输入输出之间的交流电能进行变换与控制的电路形式，其常用的控制方式有四种： 相位控制； 周期控制； 通断控制； 斩波控制。根据不同的控制方式可以将交流电力控制系统分为以下几种基本类型。 交流调压电路交流电力电子开关交流斩波调压电路上述四种交流电力控制系统中，交流调压电路应用最为广泛。交流调压电路是采用相位控制方式的交流电力控制电路，通常是将两个晶闸管反并联后串联在每相交流电源与负载之间。在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，使之导通。与相控整流电路一样，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，可以方便的调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。其晶闸管可以利用电源自然换相，无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，系统响应速度较快，但它也存在深控时功率因数较低，易产生高次谐波等缺点。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。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起动，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负荷，自动调压可以节省电能），变压器初级调压（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、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。2、交流调压调功电路 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，可方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。交流调功电路跟交流调压电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同。交流调功电路不是在每个交流电源周期都通过触发延迟角a对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，在断开几个整周波，通过改变接通周波数和断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。第 二章 集成触发芯片介绍 1、触发芯片可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。常用的有kj004和kc05。基于kj004的优点，下面就对kj004z作简要介绍。2、kj004的工作原理电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。R7和C2形成微分电路,改变R7和 C2的值,可获得不同的脉宽输出的同步电压为任意值。3、封装形式电路采用双列直插C16白瓷和黑瓷两种外壳封装,外形尺寸按电子工业部部颁标准。半导体集成电路外形尺寸SJll0076功 能输出空锯齿波形成-Vee(1k)空地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输出+Vcc引线脚号1 23 45 6789101112131415164、芯片参数：1电源电压：直流+15V、-15V,允许波动土5(±10时功能正常)。2. kj004 电源电流：正电流15mA,负电流10mA。3同步电压：任意值。4同步输入端允许最大同步电流：6mA(有效值)5移相范围1700(同步电压30V,同步输入电阻15k)6锯齿波幅度：10V(幅度以锯齿波平顶为准)。7输出脉冲：(1)宽度：400S2mS(通过改变脉宽阻容元件达到)。(2)幅度：13V。(3)最大输出能力100mA(流出脉冲电流)。(4)输出管反压：BVCEO18V(测试条件Ie100A)。8正负半周脉冲相位不均衡±30。9使用环境温度为四级：C：070 R：-5585 E：-4085 M：-55125第三章 硬件的设计1、 主电路的设计1.1 电阻负载 （a）电路图 （b）工作波形1.2阻感负载 （a）电路图 （b）工作波形交流调压电路可以带电阻性负载，也可以带电感性负载，如图（a）所示感应电动机或其它电阻电感混合负载等。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,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） 工况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，在的正半周角时，触发导通，输出电压等于电源电压，电流波形从0开始上升。由于是感性负载，电流滞后于电压，当电压达到过零点时电流不为0，之后继续下降，输出电压出现负值，直到电流下降到0时，自然关断，输出电压等于0，正半周结束，期间电流从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角。由后面的分析可知，在工况下，因此在脉冲到来之前已关断，正负电流不连续。在电源的负半周导通，工作原理与正半周相同，在断续期间，晶闸管两端电压波形如（b）图所示。为了分析负载电流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，在时刻晶闸管T导通，负载电流i应满足方程L=sin其初始条件为 i|=0,解该方程，可以得出负载电流i在区间内的表达式为 i=.当=时，i=0，代入上式得，可求出与、之间的关系为sin（-）=sin（-）e 利用上式，可以把与、之间的关系用下图的一簇曲线来表示。图中以为参变量，当=0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U、负载电流有效值I、晶闸管电流有效值I分别为U=UI=2II= I式中，I为当=0时，负载电流的最大有效值，其值为I=为晶闸管有效值的标幺值，其值为=有上式可以看出，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。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I及晶闸管电流有效值I。（2） =工况当控制角=时，负载电流i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=180，即当正半周晶闸管T关断时，T恰好触发导通，负载电流i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。=工况下的输出波形(3) 工况在工况下，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，只有当时左端才能小于0，因此，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在时刻被触发导通，由于其导通角大于180，在负半周时刻为发出出发脉冲时，还未关断，因受反压不能导通,继续导通直到在时刻因电流过零关断时，的窄脉冲已撤除，仍然不能导通，直到下一周期再次被触发导通。这样就形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情况，始终为单一方向，在电路中产生较大的直流分量；因此为了避免这种情况发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。窄脉冲触发方式综上所述，当单相交流调压电路带感性负载时，为了可靠、有效的工作，并实现调压的目的，应使控制角的移相范围保持在之间，同时为了避免出现直流分量，晶闸管的控制脉冲应采用宽脉冲或脉冲列触发。 2、 触发电路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。触发电路图如下。（d）单相交流调压调功触发电路原理图根据设计要求，要实现调压与调功两个功能，可以调节与kj004的12脚相连接的电阻R2的阻值和电容C1的容值，就可以实现调功；调节滑动变阻器R11则可以实现调压。 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。3、 晶闸管调压调功电路参数的计算与设定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（ =0）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。3) 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=4 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 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：=220V (1)则 可以计算出来。 (2)IVT= 1.43A (3) =0.961 (4) 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 (5)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U d表示，称为换相压降。 (6)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，通过下式可得到。 (7)换相重叠角随其它参数变化的规律如下：当Id越大时则越大；当XB越大时越大；当 <=90°时， 越小 则越大。漏感对电路影响结果分析如下：（1） 出现换相重叠角，整流输出电压平均值Ud降低。（2） 整流电路的工作状态增多（3） 晶闸管的di/dt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闸管的 di/d t。（4） 换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。（5） 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。4、电阻炉负载的过零控制特性分析。当负载时电炉的时候，由于电炉的温度是控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每一个周期进行频繁的调制，只要以周波数为单位进行控制就足够了。通常控制晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零的时刻，这样，在交流电源接通期间，负载电源电压都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义上的谐波污染。 晶闸管调功波形 第四章 设计体会与总结此次课程设计，大大深了我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。的确，从选题到定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。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。附录： 晶闸管调压调功电路图 参考文献1. 王云亮 电力电子技术 北京:电子工业出版社2. 叶斌 电力电子应用技术 清华大学出版社3赵良炳 现代电力电子技术基础北京：清华大学4. 王兆安 刘进军 电力电子技术第五版 机械工业出版社本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：设计方案与内容（20分）制作与调试（30分）说明书内容与规范程度（20分）答 辩（20分）学习态度与考勤（10分）总 分（100分）最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日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- 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