单相交流调压电路课程设计

1湖南工学院电气工程及其自动化课程设计说明书题目：单相交流调压电路设计专业班级：电气本1205学生姓名：刘泰波指导教师：肖文英完成日期：2015年5月2电气工程及其自动化课程设计任务书专业电气工程及其自动化班级电气本1205班课程名称电力电子应用技术设计题目单相交流调压电路设计指导教师肖文英起止时间2015年5月周数一个月设计地点湖南工学院设计目的：设计任务或主要技术指标：设计进度与要求：主要参考书及参考资料：3前言电力电子线路的基本形式之一，即交流—交流变换电路，它是将一种形式的交流电能变换成另一种形式交流电能电路。在进行交流—交流变换时，可以改变交流电的电压、电流、频率或相位等。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。4目录1单相交流调压电路设计任务及设计目的………………………………………41.1设计任务………………………………………………………………………41.2设计目的………………………………………………………………………42设计方案及其选择………………………………………………………………53单相交流调压电路的设计……………………………………………………63.1主电路的设计…………………………………………………………………63.2控制电路的设计………………………………………………………………84单相交流调压电路仿真结果及结果分析……………………………………104.1仿真结果……………………………………………………………………104.2结果分析……………………………………………………………………135单相交流调压电路设计总结及设计体会……………………………………156单相交流电压电路设计总电路图……………………………………………15参考文献…………………………………………………………………………16致谢………………………………………………………………………………17附录………………………………………………………………………………1851单相交流调压电路设计任务及设计目的1.1电路设计任务1进行设计方案的比较，并选定设计方案。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驱动电路的设计。5电路的仿真。1.2电路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。62设计方案及选择由于题目要求输出电压范围为0～100V，所以方案可选电阻性负载或阻感性负载。本电路采用单相交流调压器带阻感负载时的电路图如图1所示，在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管VT1，VT2相连。图1电阻负载单相交流调压电路73单相交流调压电路的设计3.1主电路的设计所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软启动，也用于异步电动机调速。此外，在高电压小电流或低电压大电流之流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。本次课程设计主要是研究单相交流调压电路的设计。由于交流调压电路的工作情况与负载的性质有很大的关系，因此下面就反电势电阻负载予以重点讨论。图1、图2分别为反电势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U2的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的移相控制角进行控制就可以调节输出电压图2单相交流电压电路波形8正、负半周起始时刻（=0），均为电压过零时刻。在t时，对VT1施加触发脉冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在t时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。在t时，对VT2施加触发脉冲，当VT2正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在2t时，电源电压过零，VT2自然关断。当电源电压反向过零时，由于反电动势负载阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点。稳态时，正负半周的相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（电源电流）和负载电压的波形相似。93.2控制电路的设计3.2.1触发信号的种类晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当正向电压、电流信号(触发信号)。门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。1直流信号：在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通。这种触发方式在实际中应用极少。因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗；在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损坏。2交流信号：在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压uc=ut时，晶闸管导通。ut是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变u。值，可改变触发延迟角α。这种触发形式也存在许多缺点，如：在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定，可通过交流电压u。值来调节，调节的变化范围较小(00≤α≤900)。3脉冲信号：在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。因此，触发信号多采用脉冲形式。103.2.2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。根据以上要求分析，采用KC05移相触发器进行触发电路的设计。KC05可控硅移相触发器适用于双向可控硅或两只反向并联可控硅的交流相位控制。KC05驱动电路如图3所示：图3KC05驱动电路114单相交流调压电路仿真结果及结果分析4.1仿真结果本单相交流调压电路仿真是在protal软件中的sim库环境下组建的电路模型，图4为单相交流调压电路的模型图，图中触发脉冲g1和触发脉冲g2分别是反向并联晶闸管模块VT1，VT2的触发脉冲电路。图4单相交流电12压电路仿真电路图图5a=0度时，单相交流调压电路波形图6a=30度时，单相交流调压电路波形13图7a=60度时，单相交流调压电路波形图8a=90度时，单相交流调压电路波形14图9a=150度时，单相交流调压电路波形图10a=180度时，单相交流调压电路波形154.2结果分析上面图5---图10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LRI的波形均为正弦波。当0时，U、LRI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2sinsin2212221UtdtUU可求得0U22021210sinUUU30U=265432621299.0)2sin(6UUU23243232126090.0)2sin(3UUUU221222129071.00)2sin(2UUUU2212125212150671.00)2sin(125UUUU000)2sin(2212180UUU观察图5-----图10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Sim库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16结果。5单相交流调压电路设计结论及设计体会通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、完成一个基本汇编程序的设计。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。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。176单相交流电压电路设计总电路图18参考文献[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M]第五版北京：机械工业出版社，2011年[2]WangZhaoan,LiuJinjun.PowerElectronics[M].FifthEditionBeijing:ChinaMachinePress,2011[3]吴晓燕，张双选.MATLAB在自动控制中的应用[M]西安：西安电子科技大学出版社，2006[4]WuXiaoyan,ZhangShuangxuan.MATLABApplication[M]Xian:XianElectronicTechnologyUniversityPress,200619致谢通过这次课程设计，我才真正发现，如果自己不亲自去做的话，是不会体会到做课程设计需要花多少心血去找资料，去学习，去思考，去请教老师或者同学。而且，在这次课程设计中让我学到了很多课堂上学不到的知识，也熟悉了课堂上学的不怎么懂的知识。比如说，WORD的应用，现在终于可以很熟练的使用这个软件了，这对我以后做课程设计是有非常大的帮助的。因为必须完成课程设计，所以必须在网上，在书上找相关的资料，这让我花了大量的时间，在这些时间里，让我体会到了学习的充实的快乐，也让我在现实中把书本上的知识学习的更完善。在这次设计中，使我了解了和学到了许多书本所没有的东西，扩充了自己的知识，开发了自己的思考能力，提高了自己在制作实物过程中的动手能力。感谢老师可以给我这样的机会去学习，去锻炼，希望以后的学习中，会有更多这样的机会。