單相交流調(diào)壓

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告單相交流電壓調(diào)節(jié)器姓焦慶杰0號(hào)學(xué)生2010年專業(yè)電氣工程和自動(dòng)化汽車學(xué)院系(所)指導(dǎo)員汪曾玉2012年12月31日一.導(dǎo)言1.1導(dǎo)言隨著21世紀(jì)的到來(lái)，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，通信交流轉(zhuǎn)換電路在電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。它不僅是自動(dòng)化專業(yè)的重要組成部分，在其他專業(yè)項(xiàng)目中也是不可或缺的。電力電子電路的基本形式之一，即交流-交流轉(zhuǎn)換電路。它是一種將一種交流電源轉(zhuǎn)換成另一種交流電源的電路。交-交轉(zhuǎn)換包括交流電壓調(diào)節(jié)和交-交頻率轉(zhuǎn)換。交流調(diào)壓電路是最早的電力電子電路之一，因其體積小、成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而得到廣泛應(yīng)用。晶閘管組成的交流調(diào)壓電路體積小、重量輕、控制靈

2、活方便，已廣泛應(yīng)用于照明控制、家用風(fēng)機(jī)調(diào)速、交流電機(jī)調(diào)壓軟啟動(dòng)、交流電機(jī)輕載節(jié)能運(yùn)行等領(lǐng)域。交流調(diào)壓電路廣泛應(yīng)用于照明控制(如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)照明控制)，異步電機(jī)軟啟動(dòng)也用于異步電機(jī)調(diào)速。在電力系統(tǒng)中，該電路經(jīng)常用于無(wú)功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，在高電壓、小電流或低電壓、大電流的DC電源中，經(jīng)常使用交流調(diào)壓電路來(lái)調(diào)節(jié)變壓器的一次電壓。如果在這些電源中使用晶閘管相控整流電路，高壓小電流可控DC電源需要多個(gè)晶閘管串聯(lián)，而低壓大電流DC電源需要多個(gè)晶閘管并聯(lián)，這是不合理的。交流調(diào)壓電路用于調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)的電壓，其電壓和電流值適中，變壓器二次側(cè)二極管整流足夠。該電路體積小，成本低，易于設(shè)計(jì)和制造。它分為單

3、相和三相交流調(diào)壓電路，前者是后者的基礎(chǔ)，這里只討論單相問(wèn)題。摘要：介紹了單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)，基于Matlab 7.12.0/Simulin軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真和測(cè)試，并利用Protel 99 SE軟件實(shí)現(xiàn)了電路的硬件仿真。1.2課題的背景電力電子技術(shù)是利用電力電子器件研究電能交換和控制的科學(xué)。它誕生于20世紀(jì)50年代，70年代發(fā)展迅速。這些技術(shù)包括以節(jié)能和提高照明質(zhì)量為目的的綠色照明技術(shù)；以節(jié)能、提高運(yùn)行可靠性和更好地滿足生產(chǎn)要求為目標(biāo)的交流變頻調(diào)速技術(shù)，以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可控性、有效節(jié)能為目標(biāo)的靈活交流輸電技術(shù)等。隨著功率半導(dǎo)體制造技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論的發(fā)展。

4、電力電子技術(shù)正朝著高功率、高頻率和智能化方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。交流調(diào)壓電路是最早的電力電子電路之一，因其體積小、成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅速、最直觀的是電子信息技術(shù)，其影響和現(xiàn)象與人們生活方式和工作方式的變化密切相關(guān)。同樣，單相交流調(diào)壓技術(shù)的應(yīng)用前景和發(fā)展也日新月異。其應(yīng)用范圍不僅從電爐工業(yè)、玻璃工業(yè)和石油化工等傳統(tǒng)重工業(yè)擴(kuò)展到新復(fù)合材料加工、食品工業(yè)、節(jié)能照明技術(shù)和空間技術(shù)等更廣泛的領(lǐng)域。此外，電路設(shè)計(jì)思想和性能隨著電能利用的發(fā)展和創(chuàng)新而豐富和發(fā)展。單相交流調(diào)壓技術(shù)是隨著新材料、數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來(lái)的。出現(xiàn)了許多新的設(shè)計(jì)理論，

5、這些理論對(duì)單相交流調(diào)壓技術(shù)的未來(lái)發(fā)展有很大的影響。它依賴于交流電源技術(shù)和應(yīng)用的擴(kuò)展，涉及范圍廣，不易估計(jì)。1.3單相交流調(diào)壓器介紹交-交轉(zhuǎn)換包括交流電壓調(diào)節(jié)和交-交頻率轉(zhuǎn)換。交流電壓調(diào)節(jié)是指只調(diào)節(jié)電壓而不改變交流電壓頻率的方法。過(guò)去，變壓器用于交流電壓調(diào)節(jié)。電力電子技術(shù)出現(xiàn)后，利用電力電子器件的交流調(diào)壓器不僅可以連續(xù)調(diào)節(jié)電壓，而且體積小、重量輕、控制靈活方便。它們已廣泛應(yīng)用于照明控制、家用風(fēng)機(jī)調(diào)速、交流電機(jī)調(diào)速和軟啟動(dòng)以及交流電機(jī)輕載節(jié)能運(yùn)行。交-交變頻是通過(guò)電力電子電路的開(kāi)關(guān)控制，將工頻三相交流電直接轉(zhuǎn)換成其他頻率的單相或三相交流電，也稱為直接變頻器和變頻器。通常，交-交變頻器可以在改變頻率

6、的同時(shí)調(diào)節(jié)電壓，即實(shí)現(xiàn)VVVF控制。交流調(diào)壓電路可分為單相交流調(diào)壓電路和三相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路是調(diào)節(jié)單相交流電壓的電路。該電路主要用于電加熱控制、交流電機(jī)調(diào)速、交流穩(wěn)壓器等場(chǎng)合，主要包括照明調(diào)節(jié)(如調(diào)光臺(tái)燈、舞臺(tái)燈光控制等)。)、溫度調(diào)節(jié)(如工頻加熱、感應(yīng)加熱、待控家用電器等。)、泵、風(fēng)機(jī)等一步電機(jī)的軟起動(dòng)、交流電機(jī)(如紡織、造紙、冶金等領(lǐng)域的電機(jī))的調(diào)壓調(diào)速、帶電機(jī)負(fù)載的自動(dòng)調(diào)壓(自動(dòng)調(diào)壓可長(zhǎng)期空載或輕載為起動(dòng)器及其他充電節(jié)省電能)、變壓器一次調(diào)壓(高壓小電流貨物、低壓大電流DC電源，若采用晶閘管相孔整流電路， 許多晶閘管需要串聯(lián)或并聯(lián)，如果采用交流調(diào)壓電路，將進(jìn)行變壓器一次調(diào)壓。

7、 電壓和電流值合理，變壓器初級(jí)只需二極管整流，從而達(dá)到減小體積和降低成本的目的。與自耦變壓器調(diào)壓方法相比，交流調(diào)壓電路具有控制方便、調(diào)節(jié)速度快、重量輕、體積小、有色金屬消耗少的優(yōu)點(diǎn)。單相交流調(diào)壓電路有兩種方式：晶閘管相控和全控脈寬調(diào)制。本設(shè)計(jì)采用晶閘管控制的交流調(diào)壓電路。二、設(shè)計(jì)任務(wù)2.1電路設(shè)計(jì)任務(wù)1方案設(shè)計(jì)完成主電路的原理分析和主要元器件的選擇3觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)4.利用MATLAB仿真軟件進(jìn)行建模和仿真，獲得電壓和電流波形，并根據(jù)控制角與負(fù)負(fù)載阻抗角的關(guān)系對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析2.2電路設(shè)計(jì)的目的電力電子技術(shù)是我們大三學(xué)生下學(xué)期一門非常重要的專業(yè)課。教材中有很多電路，如各種單相整流電路、逆變電路、三

8、相整流電路、三相逆變電路、基本斬波電路等。通過(guò)研究這些電路，我們知道如何將交流電轉(zhuǎn)換成DC，以及如何將DC轉(zhuǎn)換成交流電。通過(guò)可控整流來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，從而達(dá)到我們的目的。在單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)中，需要使用晶閘管觸發(fā)電路來(lái)調(diào)節(jié)輸入電壓的有效值，然后將其施加到負(fù)載上。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們通過(guò)在網(wǎng)上搜索相關(guān)信息，在圖書(shū)館查閱書(shū)籍，在同學(xué)之間互相幫助，學(xué)到了很多知識(shí)。通過(guò)對(duì)主電路和晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)和分析，我們了解了它們的工作原理以及電路是如何實(shí)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)的功能的，這對(duì)我們很有好處。通過(guò)寫設(shè)計(jì)報(bào)告和設(shè)計(jì)電路，我們提高了自己的能力，為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)和工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。三.設(shè)計(jì)方案的選擇和

9、論證3.1設(shè)計(jì)內(nèi)容(1)通過(guò)單相調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)。掌握單相調(diào)壓電路的工作原理。綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)單相調(diào)壓電路和系統(tǒng)的能力(2)了解并熟悉單相調(diào)壓電路的拓?fù)浜涂刂品椒?3)了解和掌握系統(tǒng)單相調(diào)壓電路和主電路、控制電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，掌握元器件的選擇和計(jì)算方法(4)具有一定的電力電子及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和調(diào)試能力(1)理論設(shè)計(jì)：了解和掌握單相調(diào)壓電路的工作原理，設(shè)計(jì)單相調(diào)壓電路的主電路，包括：主電路設(shè)計(jì)；保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)；晶閘管電流和額定電壓的選擇；繪制完整的主電路原理圖和觸發(fā)電路原理圖；列出主電路中使用的元件列表。(2)仿真實(shí)驗(yàn)：利用Matlab 7.12.0仿真軟件對(duì)單相交流調(diào)壓電路

10、的調(diào)壓電路、觸發(fā)電路和主電路進(jìn)行建模，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。(3)實(shí)際生產(chǎn)：利用Protel99SE軟件繪制原理圖，結(jié)合具體元器件的引腳數(shù)、尺寸，考慮散熱和抗干擾等因素，設(shè)計(jì)了印刷電路板。最后，對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行了組裝和調(diào)試。3.2方案的制定前面介紹的電路工作原理表明，交流調(diào)壓電路的原理是兩個(gè)晶閘管并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過(guò)控制晶閘管來(lái)控制交流電源。這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電功率控制電路。通過(guò)控制晶閘管每半個(gè)周期的導(dǎo)通相位，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。這個(gè)電路叫做交流調(diào)壓電路。通過(guò)以交流周期為單位控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷以及改變導(dǎo)通狀態(tài)周期與關(guān)斷狀態(tài)周期的比率，可以方便地調(diào)節(jié)輸出功率的

11、平均值。圖3示出了對(duì)應(yīng)于調(diào)節(jié)比的三種常見(jiàn)單相交流電壓調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)控制模式下交流電路的輸出波形。第一種相位調(diào)節(jié)控制模式是交流調(diào)壓電路中的經(jīng)典模式，后兩種模式是交流功率調(diào)節(jié)電路中常用的模式。圖3常見(jiàn)單相交流調(diào)壓(功率調(diào)節(jié))控制模式下的負(fù)載電壓波形交流調(diào)壓電路有兩種類型：斬波控制和相位控制。實(shí)驗(yàn)方案是通過(guò)相位控制實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。該電路的負(fù)載為阻性負(fù)載，當(dāng)由晶閘管控制時(shí)，只能由遲滯控制，這使得負(fù)載電流更加滯后。根據(jù)以上對(duì)比分析，采用兩個(gè)常用晶閘管反向并聯(lián)設(shè)計(jì)單相交流調(diào)壓電路。四.整體電路設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)電路可明顯分為三個(gè)模塊：主電路、觸發(fā)電路和保護(hù)電路。系統(tǒng)原理框圖如下。觸發(fā)電路主電路保護(hù)電路輸出所謂交流調(diào)

12、壓是指兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在一個(gè)交流電路中，通過(guò)控制晶閘管每半個(gè)周期的導(dǎo)通相位，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。交流調(diào)壓電路廣泛應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)的照明控制和軟啟動(dòng)，以及異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。另外，交流調(diào)壓電路常用于調(diào)節(jié)高壓小電流或低壓大電流電源中變壓器的一次電壓。本課程設(shè)計(jì)主要研究單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)。由于交流調(diào)壓電路的工作條件與負(fù)載的性質(zhì)有很大的關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)著重討論電阻性負(fù)載。圖中的兩個(gè)晶閘管也可以用雙向晶閘管代替。在交流電源u1的正半周和負(fù)半周中，可以通過(guò)分別控制兩個(gè)晶閘管的相移控制角來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。單相交流調(diào)壓電路的主電路圖如下圖5-1單相交流調(diào)壓主電路5.2主電路設(shè)備的選擇主電路中使用

13、的器件很少，主要是200伏單相交流電源、兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管和一個(gè)阻性負(fù)載。其中，兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管可以用一個(gè)兩相晶閘管代替，阻性負(fù)載可以與一個(gè)電阻和一個(gè)電感串聯(lián)，或者用串聯(lián)諧振代替兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管。晶閘管的選擇：1選擇正向和反向電壓晶閘管的柵極沒(méi)有信號(hào)，當(dāng)控制電流ig為0時(shí)，反向偏置時(shí)，在陽(yáng)極(a)和陰極(k)之間施加(J2)，因此器件處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，這稱為正向阻斷狀態(tài)。如果UAK增加到某個(gè)值VBO，晶閘管將從阻塞突然接通，這個(gè)VBO值稱為正向?qū)妷?，這是不正常的導(dǎo)通，將縮短設(shè)備的壽命。因此，必須選擇足夠的正向重復(fù)阻斷峰值電壓。當(dāng)在陽(yáng)極和陰極之間施加反向電壓時(shí)，器件的第一和第三PN結(jié)(J1和JB

14、OY3樂(lè)隊(duì))處于反向偏置并處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)反向電壓達(dá)到一定值VRB時(shí)，晶閘管的反向突然從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，這是反向擊穿，器件將被損壞。VBO值和VRB值隨著重復(fù)施加電壓而降低。在感性負(fù)載的情況下，如磁分離設(shè)備的整流裝置。當(dāng)電路關(guān)閉時(shí)，將產(chǎn)生非常高的電壓(=-Ldi/dt)。如果電路上沒(méi)有良好的吸收電路，該電壓將損壞晶閘管裝置。因此，該器件還必須有足夠的反向耐壓VRRM。當(dāng)晶閘管在轉(zhuǎn)換器(如電力機(jī)車)中工作時(shí)，它必須能夠在不影響其運(yùn)行的情況下，在工頻下反復(fù)承受一定的過(guò)電壓。因此，正向和反向峰值電壓參數(shù)VDRM和VRRM應(yīng)保證大于正常使用電壓峰值的2-3倍?？紤]到一些可能的浪涌電壓因素，在選擇

15、替代參數(shù)時(shí)，只能選擇較高的一個(gè)。2選擇額定工作電流參數(shù)晶閘管的額定電流是在一定條件下的最大導(dǎo)通狀態(tài)平均電流IT，即在規(guī)定的冷卻條件下，單相工頻正弦半波阻性負(fù)載，導(dǎo)通角不小于170的電路中，額定結(jié)溫穩(wěn)定時(shí)允許的最大導(dǎo)通狀態(tài)平均電流。當(dāng)通用變換器工作時(shí)，每個(gè)支路的晶閘管都有不均勻的電流因數(shù)。在大多數(shù)情況下，可控硅不能在170的導(dǎo)通角下工作，導(dǎo)通角通常小于這個(gè)角度。這樣，晶閘管的額定電流必須選擇得稍大一些，一般應(yīng)是其正常電流平均值的1.5-2.0倍。3選擇柵極(控制級(jí))參數(shù)晶閘管門極需要一段時(shí)間來(lái)施加控制信號(hào)，使其從阻塞變?yōu)閷?dǎo)通。這段時(shí)間稱為導(dǎo)通時(shí)間tgt，由延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tx組成。tr是從

16、柵極電流脈沖的前沿(例如，當(dāng)柵極電流上升到最終值的90%時(shí))到導(dǎo)通狀態(tài)陽(yáng)極電流IA達(dá)到最終值的10%的瞬間的時(shí)間間隔?？梢钥闯觯瑢?dǎo)通時(shí)間tgt與晶閘管門極的可觸發(fā)電壓和電流、晶閘管的結(jié)溫、導(dǎo)通前的陽(yáng)極電壓和導(dǎo)通后的陽(yáng)極電流有關(guān)，普通晶閘管的TGT小于10 s，當(dāng)外部電路的回路電感較大時(shí)，可以達(dá)到幾十甚至幾百 s(陽(yáng)極電流緩慢上升)。當(dāng)選擇晶閘管時(shí)，特別是當(dāng)它們串聯(lián)和并聯(lián)使用時(shí)，應(yīng)盡可能選擇具有閉合門極觸發(fā)特性的晶閘管用于同一設(shè)備，尤其是在同一臂的串聯(lián)或并聯(lián)位置。這可以提高設(shè)備的可靠性和使用壽命。如果觸發(fā)特性相差太大的晶閘管串聯(lián)運(yùn)行，直流電壓將不會(huì)均勻分布，tgt較長(zhǎng)的晶閘管將會(huì)損壞，而tgt較短的晶閘管并聯(lián)運(yùn)行時(shí)會(huì)分布更多的電流而損壞，這對(duì)晶閘管是不利的。因此，同一臂上串聯(lián)或并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應(yīng)盡可能一致，即應(yīng)成對(duì)使用。在不允許可控硅因干擾而產(chǎn)生誤導(dǎo)的設(shè)備中，如電機(jī)調(diào)速，可以選擇柵極觸發(fā)電壓和電流稍大的管(如可觸發(fā)電壓VGT2V，可觸發(fā)電流IGT:150mA)，以保證不發(fā)生誤引，在觸發(fā)脈沖功率較強(qiáng)的電路中也可以選擇觸發(fā)電壓和電流稍大的管。在磁選礦設(shè)備中，特別是在舊的窄脈沖觸發(fā)電路中，可以選擇一些較低的VG和IGT管，如VGT1.5V和100毫安以下的IGT管。它可以減少因觸發(fā)失