單相交流調壓電路W電力電子技術

1、院（系）：電氣工程學院專業(yè)班級：學號：學生姓名：指導教師：教師職稱：副教授起止時間： 0 -6-至 08- -院（系）：電氣工程學院課程設計（論文）任務及評語教研室：電氣學 號學生姓名專業(yè)班級課程設計（論文）單相交流調壓電路(2000W)題目將單相220V交流電轉換為連續(xù)可調的交流電，為1 臺電阻爐供電。設計的主要任務包括：1、 方案的經濟技術論證。2、 主電路設計。3、 通過計算選擇整流器件的具體型號。課程4、 設計合適的觸發(fā)電路。設計（論文）任務指導教師評成績：指導教師簽字：語及成年 月 日績目 錄第 1 章 課程設計目的與要求11.1 課程設計目的11.2 課程設計的預備知識11.3 課

2、程設計要求1第 2 章 課程設計內容22.1 設計方案圖及經濟論證22.2 各部分電路的作用22.3 總體電路與分析22.4 觸發(fā)電路與變壓器變比的設計42.5 單相交流調壓電路的理想模型52.6 實際實現(xiàn)電路及工作原理62.7 參數(shù)計算82.8 設計總結11第 3 章 課程設計的考核123.1 課程設計的考核要求123.2 課程性質與學分12參考文獻12第1章課程設計目的與要求1.1 課程設計目的“電力電子技術”課程設計是在教案及實驗基礎上，對課程所學理論知識的深化和提高。因此，要求學生能綜合應用所學知識，設計出具有電壓可調功能的直流電源系統(tǒng)，能夠較全面地鞏固和應用本課程中所學的基本理論和基

3、本方法，并初步掌整流電路設計的基本方法。培養(yǎng)學生獨立思考、獨立收集資料、獨立設計的能力；培養(yǎng)分析、總結及撰寫技術報告的能力。1.2 課程設計的預備知識熟悉電力電子技術課程、電機學課程的相關知識。1.3 課程設計要求按課程設計指導書提供的課題，根據(jù)第下表給出的基本要求及參數(shù)獨立完成設計，課程設計說明書應包括以下內容：1、 方案的經濟技術論證。2、 主電路設計。3、 通過計算選擇整流器件的具體型號。4、 確定變壓器變比及容量。5、 確定平波電抗器。7、觸發(fā)電路設計或選擇。8、課程設計總結。9、完成 4000 字左右說明書，有系統(tǒng)電氣原理圖，內容完整、字跡工整、圖表整齊規(guī)范、數(shù)據(jù)詳實。設計技術參數(shù)工

4、作量1、 單相交流220V 電源。1、方案的經濟技術論證。2、 交流輸出電壓Ud 在 02、主電路設計。220V 連續(xù)可調。3、通過計算選擇整流器件的具3、 交輸出電2000W。體型號。4、觸發(fā)電路設計。5、繪制主電路圖。工作計劃第一周：周一：收集資料。周二三：方案論證。周四：主電路設計。周五：理論計算。第二周：周一：選擇器件的具體型號周二三：觸發(fā)電路設計。周四五：總結并撰寫說明書。第2章課程設計內容2.1 設計方案圖及論證220V交流輸入調壓環(huán)節(jié)輸出連續(xù)可調的交流電觸發(fā)電路將一種交流電能轉換為另一種交流電能的過程稱為交流-交流變換過程，凡能實現(xiàn)這種變換的電路為交流變換電路。對單相交流電的電壓

5、進行調節(jié)的電路。用在電熱控制、交流電動機速度控制、燈光控制和交流穩(wěn)壓器等場合。與自耦變壓器調壓方法相比，交流調壓電路控制方便，調節(jié)速度快，裝置的重量輕、體積小，有色金屬消耗也少。結構原理簡單。該方案是由變壓器、觸發(fā)電路、整流器、以及一些電路構成的，為一臺電阻爐提供電源。輸入的電壓為單相交流 220V ，經電路變換后，為連續(xù)可調的交流電。2.2 各部分電路作用220V 交流輸入部分作用：為電路提供電源，主要是市電輸入。調壓環(huán)節(jié)的作用：將交流220V 電源經過變壓器、整流器等電路轉換為連續(xù)可調的交流電輸出。觸發(fā)電路部分作用：為主電路提供觸發(fā)信號。輸出連續(xù)可調的交流電源部分作用：為電阻爐提供電源。2

6、.3 總體電路與分析2.4 觸發(fā)電路與變壓器變比的設計閘管觸發(fā)電路的作用是產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：1) 觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，對感性和反電動勢負載的變流器應采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)，對變流器的起動、雙星形帶平衡電抗器電路的觸發(fā)脈沖應寬于30o，三相全控橋式電路應采用寬于60o或采用相隔60o的雙窄脈沖。2) 觸發(fā)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大為器件最大觸發(fā)電流的倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達3512A/s 。3) 所提供的觸發(fā)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

7、伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內。4) 應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。變壓器變比的計算：當 1000W 全橋軟開關電源采用 PQ50/50 芯片時先給出主功率變壓器原邊繞組的圈數(shù)計算公式和計算過程?？紤]到UC3875 的最佳工作頻率，又因為采用了高頻開關特性良好的MOSFET 功率管，所以選取開關頻率為100KHZ 。首先根據(jù)功率容量Ap 乘積公式來進行估算。為了多留些余地，可再減小主功率變壓器的最大工作磁通密度Bm=1000GS, 由計算式得到：Ap=Ae*Aq=Pt*10=5.56當最大磁通密度選用1500GS 時，功率容量降低到3.7。若開關頻率降低到50KHZ ，則功

8、率容量乘機增大一倍約11.12，余量就小了。PQ50/50 鐵氧體磁芯的有效中心柱截面積為Ae=3.1416cm它的磁芯窗口面積為Aq=4.18 cm,因此PQ50/50 的功率容量乘積為：Ap=Ae*Aq=3.1416*418=13.2可見，在開關頻率為100KHZ 時，采用PQ50/50 鐵氧體磁芯做1000W 主功率變壓器，它的功率容量是合理的。再來計算原邊繞組的匝數(shù)值：Np=單向晶閘管交流調壓電路如圖所示。負載RL 串接在交流回路中，流過它的電流受控于單向晶閘管 VS 的導通與截止。交流電壓經整流后加在VS 的 A-K 極間的電壓是單向脈動電壓UAK ，如圖所示。只要改變單向晶閘管導通

9、角的大小，就可以改變負載RL 兩端交流電壓的有效值，達到交流調壓的目的。如圖所示的是一種家用電器調壓裝置，它適用于電寵斗、電熱毯的調溫，也可用于臺燈的調光。由 VD1VD4 整流輸出的脈動直流電除供晶閘管VS 使用外，它還經穩(wěn)壓二極管VD5 削波，得到梯形波電壓供觸發(fā)電路使用。觸發(fā)電路由VT1 、 VT2 、RP、 R1R6 、 C 組成，在R5 上獲得的放電脈沖經VT1 放大后觸發(fā)晶閘管使其導通。改變RP 阻值的大小，就可使接在負載兩端的電壓發(fā)生變化，達到調壓的目的。2.5 單相交流調壓電路的理想模型電路及其波形如下工作原理：當 G=1 時， S1 合上， S2 斷開， U0=Ui當 G=0

10、 時， S1 斷開， S2 合上， U0=0 續(xù)流2.6 實際實現(xiàn)電路及工作原理前面分析了理想條件下單相調壓電路的工作原理，理想條件中假設的主電路功率器件具有理想功能，實際上這種器件是不不存在的，因此必須根據(jù)電路的特點和器件的實際性能來組構電路。U01現(xiàn)； i01是 與U0u01的基波分量， i01 不同相問題。在是 i0 的基波分量； i01 與ax 0， ， u>0,u1>0,而u01 將產生 ? 的滯后角。在過零點附近出 i<0, 電流為負值，由于 T1 恒通 T2 橫斷，u=ui無斬波。出現(xiàn)了失控現(xiàn)象，即；u01 的控制信號不能實現(xiàn)斬波。位控制調壓利用控制觸發(fā)滯后角的

11、方法 ,控制輸出電壓。晶閘管承受正向電壓開始到觸發(fā)點之間的電角度稱為觸發(fā)滯后角。在有效移相范圍內改變觸發(fā)滯后角，即能改變輸出電壓。有效移相范圍隨負載功率因數(shù)不同而不同，電阻性負載最大,純感性負載最小。圖3 是阻性負載時相控方式的交流調壓電路的輸出電壓波形。相控交流調壓電路輸出電壓包含較多的諧波分量，當負載是電動機時，會使電動機產生脈動轉矩和附加諧波損耗。另外它還會引起電源電壓畸變。為減少對電源和負載的諧波影響，可在電源側和負載側分別加濾波網絡。斬波控制調壓使開關在一個電源周期中多次通斷，將輸入電壓切成幾個小段，用改變小段的寬度或開關通斷的周期來調節(jié)輸出電壓。斬控調壓電路輸出電壓的質量較高,對電

12、源的影響也較小。圖4 是斬波控制的交流調壓電路的輸出電壓波形。在斬波控制的交流調壓電路中，為了在感性負載下提供續(xù)流通路，除了串聯(lián)的雙向開關S1 外，還須與負載并聯(lián)一只雙向開關S2。當開關S1 導通， S2 關斷時，輸出電壓等于輸入電壓；開關S1 關斷， S2 導通時 ,輸出電壓為零?？刂崎_關導通時間與關斷時間之比即能控制交流調壓器的輸出電壓。開關S1、 S2 動作的頻率稱斬波頻率。斬波頻率越高,輸出電壓中的諧波電壓頻率越高, 濾波較容易。當斬波頻率不是輸入電源頻率的整數(shù)倍時，輸出電壓中會產生分數(shù)次諧波。當斬波頻率較低時，分數(shù)次諧波較大，對負載產生惡劣的影響。將斬波信號與電源電壓鎖相，可消除分數(shù)

13、次諧波。斬波控制的交流調壓電路的功率開關元件必須采用功率晶體管或其他自關斷元件，所以成本較高。2.7 參數(shù)計算負載電壓有效值(4-1)負載電流有效值(4-2)晶閘管電流有效值(4-3)功率因數(shù)。(4-4)輸出電壓與的關系：移相范圍為。時 Uo=U1 ，最大，的增大， Uo 降低，時， Uo=0與的關系：時， =1，增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低一、電阻性負載在電源u 的正半周內，晶閘管V1 承受正向電壓，當t 時，觸發(fā)V1 使其導通，則負載上得到缺角的正弦半波電壓，當電源電壓過零時，V1 管電流下降為零而關斷。在電源電壓u 的負半周， V2晶閘管承受正向電壓，當t 時，觸發(fā)V2 使其導通

14、，則負載上又得到缺角的正弦負半波電壓。持續(xù)這樣的控制，大小，便改變了輸出電壓有效值的大小。在負載電阻上便得到每半波缺 角的正弦電壓。改變設 , 則負載電壓的有效值為角的從上式中可以看出，隨著 角的增大，器對于電阻性負載， 其電壓的輸出調節(jié)范圍為Uo逐漸減小。 當 時， Uo 0。因此，單相交流調壓0U ， 控制角 的移相范圍為 0 。二、電感性負載晶閘管的導通角 的大小，不但與控制角有關，而且與負載阻抗角有關。一個晶閘管導通時，其負載電流 io 的表達式為當 t 時， io 0。將此條件代入可求得導通角與控制角、負載阻抗角之間的定量關系表達式為 針對交流調壓器，其導通角 180，°再

15、根據(jù)上式可繪出 f （ ， ）曲線，單相交流調壓電路以 為參變量時 與 的關系。下面分別就 、 、三種情況來討論調壓電路的工作情況。以判斷出導通角 180°, 正負半波電流斷續(xù)。越大， 越小，波形斷續(xù)愈嚴重。當 時， 由式可(2) 當 時， 由式可以計算出每個晶閘管的導通角 180 °。此時，每個晶閘管輪流導通180 °，相當于兩個晶閘管輪流被短接，負載電流處于連續(xù)狀態(tài)，輸出完整的正弦波。圖 6-5 感性負載窄脈沖觸發(fā)時的工作波形(3) 當 時， 電源接通后，在電源的正半周，如果先觸發(fā)V1 ， 則可判斷出它的導通角180 °。 如果采用窄脈沖觸發(fā)，當V1

16、 的電流下降為零而關斷時，V2 的門極脈沖已經消失， V2 無法導通。到了下一周期，V1 又被觸發(fā)導通重復上一周期的工作，結果形成單向半波整流現(xiàn)象，如圖 6-5 所示，回路中出現(xiàn)很大的直流電流分量，無法維持電路的正常工作。解決上述失控現(xiàn)象的辦法是：采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)，以保證 V1 管電流下降到零時，V2 管的觸發(fā)脈沖信號還未消失，V2 可在 V1 電流為零關斷后接著導通。但 V2 的初始觸發(fā)控制角 - ，即 V2 的導通角 180°。從第二周開始，由于V2 的關斷時刻向后移，因此V1 的導通角逐漸減小，V2 的導通角逐漸增大，直到兩個晶閘管的導通角 180°時達到平衡。

17、根據(jù)以上分析，當并采用寬脈沖觸發(fā)時，負載電壓、電流總是完整的正弦波，改變控制角，負載電壓、電流的有效值不變，即電路失去交流調壓作用。在感性負載時，要實現(xiàn)交流調壓的目的，則最小控制角 （負載的功率因素角），所以 的移相范圍為 180°。2.8 設計總結通過本次課程設計讓我對電力電子的理論知識得到了深化和理解，不但提高了自己的力，同時也提高了獨立思考、獨立收集資料、獨立設計的能力。通過課設使我能夠較全面地鞏固和應用本課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌握單相交流調壓電路設計以及相關的知識。本課設主要利用晶閘管觸發(fā)電路、變壓器等電路，達到輸出交流電壓可調的目的。查找資料能第 3 章 課程設計的考核3.1課程設計的考核要求課程設計采用五級(優(yōu)、良、中、及格、不及格)