影劇院白熾燈調(diào)光電路要點

1、4第/多士尊電力電子技術(shù)課程設(shè)計（論文）影劇院白熾燈調(diào)光電路院（系）名稱 電子與信息工程學(xué)院專業(yè)班 級 電子信 息工程學(xué)號 學(xué)0404029學(xué)生姓名 熱孜瓦姑麗.庫尼都斯指導(dǎo)教師起止時 間： 2015.12.21 2015.12.31課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電子與信息工程學(xué)院教研室：電子信息工程學(xué)號130404029學(xué)生姓名 熱孜瓦姑麗. 專業(yè)班級電子131庫尼都斯課程設(shè) 計（論 文）題目影劇院白熾燈調(diào)光電路程 設(shè) 計（ 論 文 ） 任 務(wù)任務(wù)要求：影劇院在入場、退場及中間時刻對照明的亮度有不同的要求，利用 品閘管調(diào)節(jié)交流電壓，從而改變白熾燈的亮度，滿足觀眾的視覺要求。 要求完成主

2、電路設(shè)計、通過計算選擇器件的具體型號、若采用隔離變壓 器確定變壓器變比及容量、觸發(fā)電路設(shè)計或選擇。技木要求：1、交流電源：單相220V。2、輸出交流電壓Ud在0220V連續(xù)可調(diào)。3、輸出電流最大值10A。4、電阻阻負(fù)裁，即20只100W白熾燈。5、根據(jù)實際工作情況，最小控制角取 200300左右。指導(dǎo)教師評語及成績平時成績： 答辯成績： 論文成績： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月日注：平時成績占 20% ,答辯成績占40%,論文成績占40%。i5夫卑本科生課程設(shè)計（論文）影劇院白熾燈調(diào)光電路是單相交流調(diào)壓電路的一種，單相交流調(diào)壓電路是對 單相交流電的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的電路。用在電熱制、交流電動機(jī)

3、速度控制、燈光控 制和交流穩(wěn)壓器等合。與自耦變壓器調(diào)壓方法相比，交流調(diào)壓電路控制便，調(diào)節(jié) 速度快，裝置的重量輕、體積小，有色金屬耗也少。在電路中只具有單一的交流 電壓，在電路中產(chǎn)生的電流，電壓都以一定的頻率隨時間變化。比如在單個線圈 的發(fā)電機(jī)中（即只有一個線圈在磁場中轉(zhuǎn)動）。單相交流調(diào)壓電路是電力電子線路的基本形式之一，即交流一交流變換電 路，它是將一種形式的交流電能變換成另一種形式交流電能電路。在進(jìn)行交流一 交流變換時，可以改變交流電的電壓、電流、頻率或相位等。用品閘管組成的交 流電壓控制電路，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。 可用于電爐溫控、燈光調(diào)節(jié)、 異步電動機(jī)的啟動和調(diào)速等，也可用作調(diào)節(jié)

4、整流變壓器一次側(cè)電壓，其二次側(cè)為 低壓大電流或高壓小電流負(fù)載常用這種方法。采用這種方法，可使變壓器二次側(cè) 的整流裝置避免采用晶閘管，只需要二極管，而且可控級僅在一側(cè)，從而簡化結(jié) 構(gòu)，降低成本。關(guān)鍵詞：單相交流調(diào)壓電路；燈光調(diào)節(jié)；交流一交流變換電路貨物;2第1章緒論11.1 影劇院白熾燈調(diào)光電路概況 11.2 本文設(shè)計內(nèi)容1第2章影劇院白熾燈調(diào)光電路總體設(shè)計方案 22.1 影劇院白熾燈調(diào)光電路總體設(shè)計方案 2第3章影劇院白熾燈調(diào)光電路設(shè)計 33.1 具體電路設(shè)計33.1.1 主電路設(shè)計33.1.2 控制電路設(shè)計43.1.3 保護(hù)電路設(shè)計63.2 元器件型號選擇83.2.1 參數(shù)計算與選擇 8第4

5、章系統(tǒng)仿真114.1 Matlab仿真模型建立 114.2 Matlab仿真波形及數(shù)據(jù)分析12第5章總結(jié)16參考文獻(xiàn)17附錄I18附錄II19本科生課程設(shè)計（論文）第1章緒論1.1 影劇院白熾燈調(diào)光電路概況影劇院白熾燈調(diào)光電路是交流一交流變換電路的一種，是電力電子線路的基本形式之一，即它是將一種形式的交流電能變換成另一種形式交流電能電路。在進(jìn)行交流一交 流變換時，可以改變交流電的電壓、電流、頻率或相位等。用品閘管組成的交流電壓控 制電路，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。影劇院即采用這種方法調(diào)節(jié)燈光。采用這種 方法，可使變壓器二次側(cè)的整流裝置避免采用品閘管，只需要二極管，而且可控級僅在 一側(cè)，從而

6、簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。交流調(diào)壓器與常規(guī)的交流調(diào)壓變壓器相比，它的體積 和重量都要小得多。交流調(diào)壓器的輸出仍是交流電壓，它不是正弦波，其諧波分量較大，功率因數(shù)也較低。1.2 本文設(shè)計內(nèi)容本文是基于單相交流調(diào)壓電路來研究影劇院白熾燈調(diào)光電路，通過網(wǎng)絡(luò)和書籍收集資料提出了本文的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證，并設(shè)計了主電路，通過方案給定的數(shù)據(jù)計算分析選擇 出電氣元件的具體型號，主電路設(shè)計后設(shè)計觸發(fā)電路，之后設(shè)計總體的電路圖，最后利 用matlab仿真驗證電路是否準(zhǔn)確。8第2章 影劇院白熾燈調(diào)光電路總體設(shè)計方案2.1影劇院白熾燈調(diào)光電路總體設(shè)計方案輸出電壓范圍為220V,所以方案選白熾燈代替電阻性負(fù)載或阻感性負(fù)載。在交流

7、電 源U1的正半周和附半周，分別為VT1和VT2的觸發(fā)延遲角豆進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電 壓。正半周和附半周式起始時刻過零時刻。在穩(wěn)態(tài)情況下，應(yīng)使正半周和附半周的 口相 等?？梢钥闯?，負(fù)載電流和負(fù)載電壓的波形相同，因此 1a的變化就可實現(xiàn)輸出電壓的控 制。本電路采用單相交流調(diào)壓器帶白熾燈負(fù)載時的電路圖如圖1所示，在負(fù)載和交流電源間用兩個反并聯(lián)的晶閘管VT1, VT2相連。圖1.1白熾燈負(fù)載單相交流調(diào)壓電路第3章 影劇院白熾燈調(diào)光電路設(shè)計3.1 具體電路設(shè)計3.1.1 主電路設(shè)計所謂交流調(diào)壓就是將兩個品閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，在每半個周波內(nèi)通過控制品閘管開通相位，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的有效

8、值。交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光 控制及異步電動機(jī)的軟啟動，也用于異步電動機(jī)調(diào)速。此外，在高電壓小電流或低電壓 大電流之流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。本次課程設(shè)計主要是 研究單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計。由于交流調(diào)壓電路的工作情況與負(fù)載的性質(zhì)有很大的關(guān) 系，因此下面就反電勢電阻負(fù)載予以重點討論。圖 3.1、圖3.2分別為反電勢電阻負(fù)載 單相交流調(diào)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(fù)半周，分別對VT1和VT2的移相控制角 進(jìn)行控制就可以調(diào) 節(jié)輸出電壓。圖3.1白熾燈負(fù)載單相交流調(diào)壓電路圖3.2白熾燈負(fù)載單相交流調(diào)壓電路波形

9、正、負(fù)半周a起始時刻（=0）,均為電壓過零時刻。在8t =時，對VT1施加觸 發(fā)脈沖，當(dāng)VT1正向偏置而導(dǎo)通時，負(fù)載電壓波形與電源電壓波形相同；在 時，電源 電壓過零，因電阻性負(fù)載，電流也為零，VT1自然關(guān)斷。在。t = n +小時，對VT2施力口觸 發(fā)脈沖，當(dāng)VT2正向偏置而導(dǎo)通時，負(fù)載電壓波形與電源電壓波形相同；在 0t = 2幾時, 電源電壓過零，VT2自然關(guān)斷。當(dāng)電源電壓反向過零時，由于反電動勢負(fù)載阻止電流變化，故電流不能立即為零， 此時品閘管導(dǎo)通角8的大小，不但與控制角口有關(guān)，而且與負(fù)載阻抗角,有關(guān)。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(wěn)態(tài)時，正負(fù)半周的相等

10、，負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（電源電流）和負(fù)載電壓的波形相似。3.1.2 控制電路設(shè)計品閘管由關(guān)斷到開通，必須具備兩個外部條件：第一是承受足夠的正向電壓；第 二是門極與陰極之間加一適當(dāng)正向電壓、電流信號 （觸發(fā)信號）。門極觸發(fā)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：在品閘管加適當(dāng)?shù)年枠O正向電壓的情況下，在品閘管門極與陰極間加適當(dāng)?shù)闹绷麟妷?，則晶閘管將被觸發(fā)導(dǎo)通。這種觸發(fā)方式在實際中應(yīng)用極少。因為晶閘管在其導(dǎo)通后 就不需要門極信號繼續(xù)存在。若采用直流觸發(fā)信號將使品閘管門極損耗增加，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

11、，也有可能造成 品閘管的損壞。2 .交流信號：在品閘管門極與陰極間加入交流電壓， 當(dāng)交流電壓uc=ut時，晶閘管導(dǎo)通。ut是保 證品閘管可靠觸發(fā)所需的最小門極電壓值，改變 Uo值，可改變觸發(fā)延遲角a。這種觸 發(fā)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(fā)延遲角不穩(wěn)定， 可通過交流電壓Uo值來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的變化范圍較?。?0 a 900） o3 .脈沖信號：在品閘管門極觸發(fā)電路中使用脈沖信號，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時刻，降低品閘管 門極功耗，還可以通過變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實現(xiàn)信號的隔離輸出。因此，觸 發(fā)信號多采用脈沖形式。觸發(fā)電路設(shè)計：晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極

12、觸發(fā)脈沖，保證品閘管在需要要的時刻有阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。廣義上講，晶閘管觸發(fā)電路往往還包括對其觸發(fā)時刻進(jìn)行控制的相 位控制電路，但這里專指脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證品閘管可靠導(dǎo)通，對反電動勢負(fù)載的變流器應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā);2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增加為器件最 大觸發(fā)電流的3-5倍，脈沖前沿的陡度也許增加，一般需達(dá) 1-2A/us ;3）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)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(fā)區(qū)域之內(nèi)；4）應(yīng)有的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。由于交流調(diào)壓調(diào)功電路中只用

13、到兩個晶閘管，而KJ004有兩個輸出口，故用一片KJ004即可。由KJ004的典型連接圖畫得此次觸發(fā)電路如下圖。圖3.3觸發(fā)單元接線圖其中，同步用聯(lián)電阻R4的選擇按下式計算：這里R4選用15KQ。電路原理：鋸齒波的斜率決定于外接R6 RW1M出的充電電流和積分C1的數(shù)值。對不同的移 項控制V1,只有改變R1、R2的比例，調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移VP。同時調(diào)整鋸齒波斜率電位器 RW1可以使不同的移相控制電壓獲得整個范圍。觸發(fā)電路為正極性型，即移相電壓增 加，導(dǎo)通角增大。R8和C2形成微分電路，R4 =同步電壓、110000 ; 23 )30231000 = 10000 15000 1(3-1)改變R8和C

14、2的值，可獲得不同的脈寬輸出。KJ004的同步電壓為任意值3.1.3 保護(hù)電路設(shè)計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設(shè)計良好外，采用 合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必要的。1）過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)：電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電 壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：操作過電壓、雷擊過電壓；內(nèi) 因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：換相過電壓、關(guān)斷過電壓。過壓保護(hù)的基本原則是：根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的附加電路， 當(dāng)達(dá)到一定過壓值時，自動開通附加電路，使

15、過壓通過附加電路形成通路，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(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。保護(hù) 電路形式很多。這里主要考慮品閘管在實際應(yīng)用中一般會承受的換相過電壓，故可用阻容保護(hù)電路來實現(xiàn)保護(hù)。當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰時，電容兩端電壓不能突發(fā)的特性，可以有效地抑 制電路中的過壓。與電容串聯(lián)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(chǎn)生振蕩。阻容保護(hù)電路如圖 3.4所示。2）過電流的產(chǎn)生及過電流保護(hù)：引起過流的原因：當(dāng)電力電子變換器內(nèi)部某一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電 路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電 源電壓過高或過低

16、、缺相等，均可引起變換器內(nèi)元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn) 過流。由于電力電子器件的電流過載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此，必須對變換器 進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。圖3.4阻容保護(hù)電路常見的過電流保護(hù)電路有如下一些形式交流斷路器變壓器電流互感器 /G過期瀛. L hi. DQ繼省器短路器快速熔斷器,野流宮口流二產(chǎn)多公業(yè)電流檢測開美電路忖發(fā)電熱動作電流整定值電子儕攔電躇圖3.5過電流各種保護(hù)措施及配置位置變換器的過流一般主要分為兩類：過載過流和短路過流。在晶閘管變換器中，快速 熔斷器是應(yīng)用最普遍的過流保護(hù)措施，可用于交流側(cè)、直流側(cè)和裝置主電路中。其中交 流側(cè)接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側(cè)短路

17、起保護(hù)作用，但要求正常工作時， 快速熔斷器電流定額要大于品閘管的電流定額， 這樣對元件的短路故障所起的保護(hù)作用 較差。直流側(cè)接快速熔斷器只對負(fù)載短路起保護(hù)作用，對元件無保護(hù)作用。只有品閘管 直接申接快速熔斷器才對元件的保護(hù)作用最好，因為它們流過同一個電流。因而被廣泛 使用。保護(hù)電路圖將快速熔斷器和RC阻容保護(hù)電路放入電路中:圖3.6保護(hù)電路圖3.2 元器件型號選擇3.2.1 參數(shù)計算與選擇根據(jù)要求分析，觸發(fā)單元以前都是由分立元件構(gòu)成的，它的控制精度查，可靠性低, 不便于維修，因此，觸發(fā)電路集成化非常必要?？煽毓枰葡嘤|發(fā)器KJ004,與分立元件組成的觸發(fā)電路相比，具有移相線性好、移相范圍寬、溫漂

18、小、可靠性高、相位不均衡 度小等優(yōu)點。4第/本乂孝本科生課程設(shè)計（論文）KJ004芯片其內(nèi)部原理圖如下:圖3.7 KJ004內(nèi)部原理圖該電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏移電壓、移電壓綜合比較放大電路和 功相率放大電路四部分組成。KJ004的管腳功能如表3.1所示。表3.1 KJ004的管腳功能表ru 匕匕I同綜四輸空波-Vee（1k空步合微分封鎖輸+Vc出Q）輸比阻容 調(diào)制出 cR出較成引 線 腳 號123 4 5678910 111115 161234KJ004封裝形式：該電路采用雙列直插C16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝，外型尺寸按電子工業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)。半導(dǎo)體集成電路外型尺寸SJ1100-

19、76。9本科生課程設(shè)計（論文）網(wǎng)問網(wǎng)問回口“ rwiznznzTWEznEr圖3.8 KJ004封裝引腳圖計算1）阻容保護(hù)電路參數(shù)：RC阻容保護(hù)電路參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗值來選擇。電容C的選擇為：c=24- .10* =0.248 0.496F以4Av）(3-2)電阻一般取40Q。2）快速熔斷器的選用原則：和普通熔斷器一樣要考慮快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓有效值，熔斷器（安裝熔體的外殼）的額定電流應(yīng)大于或等于熔體額定電流值。止匕外，快速熔 斷器熔體的額定電流 卜是指電流有效值，而品閘管額定電流是指通態(tài)電流平均值It（av）,其有效值為1.571（av）。故選用時要求：KR -1.57 T

20、（AV）(3-3)式中：IT（AV）一晶閘管通態(tài)電流平均值，I控一快速熔斷器的熔體額定電流。算得1.57 （av）= Itv =194.4A 。所以選取額定電流大于等于194.4&的快速熔斷器。12第4章系統(tǒng)仿真4.1Matlab 仿真模型建立圖4.1影劇院白熾燈調(diào)光電路仿真模型影劇院白熾燈調(diào)光電路仿真是在 MATLA啾件中的simulink環(huán)境下組建的電路模 型，圖4.1為影劇院白熾燈調(diào)光電路的模型圖，圖中觸發(fā)脈沖 g1和觸發(fā)脈沖g2分別是 反向并聯(lián)晶閘管模塊VT1, VT2的觸發(fā)脈沖電路。4焦/號乂孝本科生課程設(shè)計（論文）4.2Matlab仿真波形及數(shù)據(jù)分析圖4.2 a=0度時，影劇院白熾

21、燈調(diào)光電路波形圖4.3 a=30 度時，影劇院白熾燈調(diào)光電路波形13本科生課程設(shè)計（論文）圖4.5 a=90度時，影劇院白熾燈調(diào)光電路波形20圖4.6 a=150度時，影劇院白熾燈調(diào)光電路波形圖4.7 a=180度時，影劇院白熾燈調(diào)光電路波形 數(shù)據(jù)分析上面圖4.2圖-4.7給出了 1M分別為0度、30度，60度，90度、150度和180度 時影劇院白熾燈調(diào)光電路的白熾燈負(fù)載的電壓和電流的仿真波形。當(dāng)晶閘管觸發(fā)控制角支=0時，U=U2 ,負(fù)載兩端的電壓U和流過其電流IRL的波形均為正弦波。當(dāng)口下0時， U、IRL的波形為非正弦波，控制角1a從0180度范圍改變時，輸出電壓有效值 U從U2下降到0

22、,控制角a對輸出電壓U的移相可控區(qū)域是0180度。把6角等于0度、30度，60度，90度、150度和180度分別代入下式1-21立一不U = 2U 2 sin t d t =U 2. sin 2a 二；,：2二二可求得(4-1)Uo =U2. sin0 =U2J1 =U22 二(4-2)ji 1( 6/3 5U30 =U2sin 2M- i+-6 =U2V+- =0.99U212n 6 J 冗V 4兀6(4-3)31,11cy肉2U60 =U2J sin 2K | + 3 =U2V+- =0.90U212nI3 J n14n3(4-4)U 90=U 2= 0.71U2(4-5)1二-二U180

23、=U2；2二 si2 二二=U2 0 0 = 0(4-7)5 二,115 5C一石 rj(4-6)U150 =U2127 s1n 2M12J 12 =U2：0+ =0.671U2觀察圖4.2至圖4.7的仿真波形，可得到隨著口角增大，負(fù)載兩端電壓U的波形的 曲線部分的寬度越來越窄，則其有效值將不斷減小。由此可知，理論分析與仿真結(jié)果是一致的。在Simulink環(huán)境下利用電力系統(tǒng)模塊庫中的電力電子器件組建影劇院白熾 燈調(diào)光電路，并對電路進(jìn)行相應(yīng)的理論分析和仿真實驗。仿真實驗結(jié)果表明，通過控制 6角的大小，影劇院白熾燈調(diào)光電路能夠方便調(diào)節(jié)白熾燈亮度。第5章總結(jié)此次課程設(shè)計的題目是影劇院白熾燈調(diào)光電路，

24、電路圖比較簡單，但必須弄清楚 其原理及相互間的區(qū)別及聯(lián)系。 本課設(shè)對交流調(diào)壓和調(diào)功電路的詮釋更加深入，特別是對調(diào)壓電路中a的變化對波形的影響首次清楚認(rèn)識，即 a、8、小之間的變化關(guān)系，以 及不同小時，標(biāo)幺值IVTN與a之間的關(guān)系。此次電路的難點在于觸發(fā)電路的設(shè)計。 選用了集成觸發(fā)電路KJ004,但是要應(yīng)用它 還需加上很多外圍電路。最后通過查閱各種資料完成了設(shè)計， 同時也對觸發(fā)電路有了更 多的了解。在畫電路圖時，proteus里沒有KJ004這個元器件，故還需要自己畫一個芯 片、封裝來應(yīng)用，不過不能用其來進(jìn)行仿真。然后實際中要加入很多保護(hù)電路來保證電路的穩(wěn)定、安全運行。這里因為其電流 很大，又考慮到品閘管的換相過電壓，就加入了快速熔斷器，并給晶閘管加了緩沖電路。 平時設(shè)計對這些保護(hù)電路都沒有怎么考慮， 這次課程設(shè)計讓我對各種保護(hù)電路也有了個 了解和學(xué)會選擇。此次仿真讓我對MATLAB勺simulink仿真有了進(jìn)一步的了解，對元器件的作用和選 擇，構(gòu)成電路的大致步驟都加深了印象。仿真時出了一些問題，通過不斷地努力都解決 了。同時發(fā)現(xiàn)MATLAB勺功能真是