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单相交流调压
电力电子技术课程设计报告
单相交流调压器
姓名焦庆杰
学号201009140230
年级2010
专业电气工程及自动化
系(院)汽车学院
指导教师 王增玉
2012年12月31日
一、引言
1.1介绍
随着21世纪的到来电子信息技术的发展关于交流-交流变换电路在电力电子技术基础中所处的位置越来越来重要,它不仅是自动化类专业的一个重要部分,而且在其它类专业工程中也是不可缺少的。
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。
交流-交流变换包括交流调压和交-交变频。
交流调压电路是电力电子电路中出现较早的一种,因其体积小,成本低,易于设计,应用十分广泛。
用晶闸管组成的交流调压电路体积小、重量轻、控制灵活方便,在灯光控制、家用风扇调速、交流电机的调压调速和软启动以及交流电机的轻载节能运行中得到了广泛的应用。
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)及异步电动机的软启动也用于异步电动机调速。
在电力系统中,这种电路还常用于对无功功率的连续调节。
此外,在高电压小电流或低电压大电流直流电源中,也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。
在这些电源中如果采用晶闸管相控整流电路,高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联,低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联,十分不合理。
采用交流调压电路在变压器一次侧调压,其电压、电流值都比较适中,在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。
这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。
其分为单相和三相交流调压电路,前者是后者基础,这里只讨论单相问题。
本文介绍了单相交流调压器电路的设计,基于Matlab7.12.0/Simulin软件对该电路进行仿真和测试,并运用Protel99SE软件实现该电路的硬件仿真。
1.2选题的背景
电力电子技术是研究采用电力电子器件实现对电能的交换和控制的科学,是20实际50年代诞生,70年代迅速发展起来的一门多学科互相渗透的综合性技术学科。
这些技术包括以节约能源、提高照明质量为目的的绿色照明技术;以节约能源、提高运行可靠性并更好地满足产量要求为目的的交流变频调速技术,以提高电力系统运行的稳定性、可控制性为目的,并可有效节能的灵活(柔性)交流输电技术等等。
随着电力半导体制造技术、微电子技术、计算机技术,以及控制理论的不断进步。
电力电子技术向着大功率、高频化及智能化方向发展,应用的领域将更加广阔。
交流调压电路是电力电子电路中出现较早的一种,因其体积小,成本低,易于设计,应用十分广泛。
先当代科技发展最迅速、最直观的就是电子和信息技术,其发展的影响和现象与人民生活方式和工作方式的改变密不可分。
同样,单相交流调压调压技术的应用前景与发展日新月异。
其应用范围不仅从最初的电炉工业、玻璃工业、石化工业等传统重工业拓展到新型复合材料加工、食品工业、节能照明技术、空间技术等其他更广泛的领域。
而且电路设计思想与性能也随着电能利用的发展创新而丰富和发展。
单相交流调压技术逐渐与新材料、数字技术、信息技术、自动化技术的发展联系日益紧密,出现了许多新设计理论这种逐渐与各种学科与技术联系的趋势对单相交流调压技术今后发展影响作用非常巨大,其根本取决于交流电源技术与应用的拓展,涉及较广,不容易估测。
1.3单相交流调压器的简介
交-交变换(AC-AC)包括交流调压和交-交变频。
交流调压是指不改变交流电压的频率而只调节电压的大小的方法。
过去交流调压使用变压器,在电力电子技术出现后,采用电力电子器件的交流调压器不仅可以对电压进行连续调节,并且体积小、重量轻、控制灵活方便,在灯光控制、家用风扇调速、交流电机的调压调速和软启动以及交流电机的轻载节能运行中得到了广泛的应用。
交-交变频是通过电力电子电路的开关控制将工频三相交流电直接转换为其他频率的单项或三相交流电,也称直接变频器和周波变流器,一般交-交变频器在改变频率的同时也调节电压的大小,即实现VVVF控制。
交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路
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。
该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),泵及风机等一步电动机的软起动,交流电机的调压调速(如纺织、造纸、治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电荷,自动调压可以节省电能),变压器初级调压(在高压小电流货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,在变压器初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。
单相交流调压电路有采用晶闸管器件的相位控制和采用全控器件的PWM控制两种方式,在本次设计中采用的是晶闸管控制的交流调压电路。
二、设计任务
2.1电路设计任务
1方案设计
2完成主电路的原理分析,各主要元器件的选择
3触发电路的设计
4利用MATLAB仿真软件建模并仿真,获取电压电流波形,依据控制角与负载阻抗角的关系,对结果进行分析
2.2电路设计的目的
电力电子技术是我们大三下学期学的一门很重要的专业课,课本上讲了很多电路,比如各种单相整流电路,逆变电路,三相整流电路,三相逆变电路,基本斩波电路等各种电路,通过对这些电路的学习,让我们知道了如何将交流变为直流,又如何将直流变为交流。
并且通过可控整流调节输出电压的有效值,以达到我们的目的。
而本次单相交流调压电路的设计,我们需要用晶闸管的触发电路来实现调节输入电压的有效值,然后加到负载上。
本次课程设计期间,我们自己通过在网上搜索相关的资料,到图书馆查阅书籍,以及同学之间的相互帮助,让我们学到了很多知识。
通过对主电路的设计与分析,对晶闸管触发电路的设计与分析,了解了他们的工作原理,知道了该电路是如何实现所要实现的功能的,这让我们受益匪浅。
通过对设计报告的撰写,电路的设计,提高了我们的能力,为我们以后的毕业设计以及今后的工作打下了坚实的基础。
三、设计方案选择及论证
3.1设计内容
(1)通过对单相调压电路的设计。
掌握单相调压电路的工作原理。
综合运用所学的知识进行单相调压电路和系统设计的能力
(2)了解与熟悉单相调压电路拓扑、控制方法
(3)理解和掌握单相调压电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法,掌握元器件的选择计算方法
(4)具有一定的电力电子及系统实验和调试的能力
(1)理论设计:
了解掌握单相调压电路的工作原理,设计单相调压电路的主电路,包括:
主电路的设计;保护电路的设计;触发电路的设计;晶闸管电流、电压额定的选择;画出完整的主电路原理图和触发电路原理图;列出主电路所用元器件的明细表。
(2)仿真实验:
利用Matlab7.12.0仿真软件对单相交流调压器电路的调压电路、触发电路和主电路进行仿真建模,并进行仿真实验。
(3)实际制作:
利用Protel99SE软件绘出原理图,结合具体所用元器件管脚数、外型尺寸、考虑散热和抗干扰等因素,设计PCB印刷电路板。
最后完成系统电路的组装、调试。
3.2方案确立
在之前介绍的电路工作原理表明,交流调压电路原理:
把两个晶闸管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,可以方便的调节输出电压的有效值,这种电路称为交流调压电路。
以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断,改变通态周期数和断态周期数的比,可以方便的调节输出功率的平均值,这种电路称为交流调功电路。
图3给出了三种对应调节比例的常见单相交流调压调功控制方式下交流电路输出波形,第一种调相控制方式在交流调压电路中属于经典方式,后两种常用于交流调功电路。
图3 常见单相交流调压(调功)控制方式下的负载电压波形
交流调压电路有斩控式和相控式,本实验方案是以相控式实现调压。
本电路负载为阻感负载,再用晶闸管控制时,只能进行滞后控制,使负载电流更为滞后。
根据以上的比较分析,采用两个普通晶闸管反向并联设计单相交流调压电路。
四、总体电路设计
此设计电路可以明显地分为三大块:
主电路、触发电路、保护电路。
系统原理方框图如下。
图4 单相交流调压系统原理方框图
五各功能模块电路设计
5.1主电路的原理分析
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,本次实验对阻感负载予以重点讨论。
图中的2个晶闸管也可以用一个双向晶闸管代替。
在交流电源u1的正半周和负半周,分别对2个晶闸管的移相控制角进行控制就可以调节输出电压。
单相交流调压电路的主电路图如下图
图5-1单相交流调压主电路
5.2主电路器件的选择
主电路中所用到得器件比较少,主要是200V单相交流电源,2个反并联的晶闸管,还有一个阻感负载。
其中2反并联的晶闸管可用一个双相晶闸管代替,阻感负载可以用一个电阻和一个电感串联,也可以用一个串联谐振代替2个反并联的晶闸管。
晶闸管的选择:
1选择正反向电压
可控硅在门极无信号,控制电流Ig为0时,在阳(A)一一阴(K)极之间加(J2)处于反向偏置,所以,器件呈高阻抗状态,称为正向阻断状态,若增大UAK而达到一定值VBO,可控硅由阻断突然转为导通,这个VBO值称为正向转折电压,这种导通是非正常导通,会减短器件的寿命。
所以必须选择足够正向重复阻断峰值电压(VDRM)。
在阳一一阴极之间加上反向电压时,器件的第一和第三PN结(J1和J3)处于反向偏置,呈阻断状态。
当加大反向电压达到一定值VRB时可控硅的反向从阻断突然转变为导通状态,此时是反向击穿,器件会被损坏。
而且VBO和VRB值随电压的重复施加而变小。
在感性负载的情况下,如磁选设备的整流装置。
在关断的时候会产生很高的电压(∈=-Ldi/dt),如果电路上未有良好的吸收回路,此电压将会损坏可控硅器件。
因此,器件也必须有足够的反向耐压VRRM。
可控硅在变流器(如电机车)中工作时,必须能够以电源频率重复地经受一定的过电压而不影响其工作,所以正反向峰值电压参数VDRM、VRRM应保证在正常使用电压峰值的2-3倍以上,考虑到一些可能会出现的浪涌电压因素,在选择代用参数的时候,只能向高一档的参数选取。
2选择额定工作电流参数
可控硅的额定电流是在一定条件的最大通态平均电流IT,即在环境温度为+40℃和规定冷却条件,器件在阻性负载的单相工频正弦半波,导通角不少于l70℃的电路中,当稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。
而一般变流器工作时,各臂的可控硅有不均流因素。
可控硅在多数的情况也不可能在170℃导通角上工作,通常是少于这一角度。
这样就必须选用可控硅的额定电流稍大一些,一般应为其正常电流平均值的1.5-2.0倍。
3选择门极(控制级)参数
可控硅门极施加控制信号使它由阻断变成导通需经历一段时间,这段时问称开通时间tgt,它是由延迟时间td和上升时间tx组成,tr是从门极电流脉冲前沿的某一规定起(比如门极电流上升到终值的90%时起)到通态阳极电流IA达到终值的10%那瞬为止的时间隔,tr是阳极电流从l0%上升到90%所经历的时间。
可见开通时间tgt与可控硅门极的可触发电压、电流有关,与可控硅结温,开通前阳极电压、开通后阳极电流有关,普通可控硅的tgt10μs以下。
在外电路回路电感较大时可达几十甚至几百μs以上(阳极电流的上升慢)。
在选用可控硅时,特别是在有串并联使用时,应尽量选择门极触发特征接近的可控硅用在同一设备上,特别是用在同一臂的串或并联位置上。
这样可以提高设备运行的可靠性和使用寿命。
如果触发特性相差太大的可控硅在串联运行时将引起正向电压无法平均分配,使tgt较长的可控硅管受损,并联运行时tgt较短的可控硅管将分配更大的电流而受损,这对可控硅器件是不利的。
所以同一臂上串或并联的可控硅触发电压、触发电流要尽量一致,也就是配对使用。
在不允许可控硅有受干扰而误导通的设备中,如电机调速等,可选择门极触发电压、电流稍大一些的管子(如可触发电压VGT>2V,可触发电流IGT:
>150mA)以保证不出现误导通,在触发脉冲功率强的电路中也可选择触发电压、电流稍大一点的管。
在磁选矿设备中,特别是旧的窄脉冲触发电路中,可选择一些VG、IG低一些的管子,如VGT<1.5V、IGT在≤100mA以下。
可减少触发不通而出现缺相运行。
以上所述说明在某些情况下应对VGT和IGT参数进行选择。
(以上举例对500A的可控硅参考参数)
4选择关断时间(tg)
可控硅在阳极电流减少为0以后,如果马上就加上正向阳极电压,即使无门极信号,它也会再次导通,假如在再次加上正向阳极电压之前使器件承受一定时间的反向偏置电压,也不会误导通,这说明可控硅关断后需要一定的时间恢复其阻断能力。
从电流过O到器件能阻断重加正向电压的瞬间为止的最小时闻间隔是可控硅的关断时间tg,由反向恢复时间t和门极恢复时间t构成,普通可控硅的tg约150-200μs,通常能满足一般工频下变流器的使用,但在大感性负载的情况下可作一些选择。
在中频逆转应用,如中频装置、电机车斩波器,变频调速等情况中使用,一定要对关断时间参数作选择,一般快速可控硅(即kk型晶闸管)的关断时间在10-50μs,其工作频率可达到1K-4KHZ;中速可控硅(即KPK型晶闸管)的关断时间在60-100μs,其工作频率可达几百至lKHZ,即电机车的变频频率。
5.3晶闸管触发电路的简单介绍
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。
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。
5.4晶闸管的工作原理
晶闸管T在工作过程中,它的阳极A和阴极K与电源和负载连接,组成晶闸管主电路,晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接,组成晶闸管的控制电路。
晶闸管的工作条件:
1.晶闸管承受反向阳极电压时,不管门极承受何种电压,晶闸管都处于关断状态。
2.晶闸管承受正向阳极电压时,仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。
3.晶闸管在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,不论门极电压如何,晶闸管保持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。
4.晶闸管在导通情况下,当主回路电压(或电流)减小到接近于零时,晶闸管关断。
5.5触发电路
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。
KCO5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触发芯片具有锯齿波形好,移相范围宽,控制方式简单,易于集中控制,有失交保护,输出电流大等优点,是交流调光,调压的理想电路。
KC05引脚图如下图所示
图5-5KC05引脚图
KC05电路也适用于作半控或全控桥式线路的相位控制。
同步电压由KC05的15、16脚输入,在TP1点可以观测到锯齿波,RP1电位器调节锯齿波的斜率,Rp2电位器调节移相角度,触发脉冲从第9脚,经脉冲变压器输出。
调节电位器RP1,观察锯齿波斜率是否变化,调节RP2,可以观察输出脉冲的移相范围如何变化.
集成块的电参数:
电源电压:
外接直流电压+15V,允许波动±5%(±10%功能正常)。
电源电流:
≤l2mA。
同步电压:
≥l0V。
同步输入端允许的最大同步电流:
3mA(有效值)。
移相范围:
≥l70°(同步电压30V,同步输入电阻10kΩ)。
移相输入端偏置电流≤l0µA。
锯齿波幅度:
≥7~8.5V。
输出脉冲:
a.脉冲宽度:
l00µs~2ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。
b.脉冲幅度:
>13V。
c.最大输出能力:
200mA(吸收脉冲电流)。
d.输出反压:
BVceo≥l8V(测试条件:
Ie=100µA
允许使用环境温度:
-l0~70℃。
触发电路图如图5-6
图5-6KC05移相触发器构成的触发电路
六、总体电路
本次设计的总的电路图如图6-1所示
图6-1总电路图
主电路其实是比较简单的,一个均值为200V的电压源,2个反并联的晶闸管,还有一个阻感负载。
触发电路的设计相对复杂,不过其实触发电路产生的触发信号也可以用2个脉冲波代替,脉冲的周期与电源的周期相同,但是2个脉冲要错开半个周期的时间,也就是0.01秒。
七、总结
仿真波形
测量电路用了2个电压表,一个电流表,配合示波器来测量,仿真结果中,第一个波形显示的是电压源的波形,第二个和第三个分别是两个晶闸管的触发脉冲,第四个波形是负载电流的波形,第五个是负载电压的波形。
定义触发角a:
a=0°表示VT1触发脉冲不延迟。
a=30°表示VT1触发脉冲延迟0.0017秒。
a=60°表示VT1触发脉冲延迟0.0033秒。
a=90°表示VT1触发脉冲延迟0.0050秒。
a=120°表示VT1触发脉冲延迟0.0067秒。
a=150°表示VT1触发脉冲延迟0.0083秒。
7.1触发角为0°时的仿真波形
仿真结果如下图所示
图7-1触发角为0°时的仿真波形
7.2触发角为30°时的仿真波形
仿真结果如下图所示
图7-2触发角为30°时的仿真波形
从图中可以发现,当触发脉冲延迟0.0017秒来的时候,也就是当触发角为30°的时候,输出电压也就是负载的电压也会延迟一定的时间出现,触发电路产生的触发脉冲的延迟角度跟负载阻抗有一定的关系,可以将他们之间的关系对比结果进行分析,看理论是实际是否吻合。
7.3触发角为60°时的仿真波形
仿真结果如下图所示
图7-3触发角为60°时的仿真波形
从图中可以发现,当触发脉冲延迟0.0033秒来的时候,也就是当触发角为60°的时候,输出电压也就是负载的电压也会延迟一定的时间出现,触发电路产生的触发脉冲的延迟角度跟负载阻抗有一定的关系,可以将他们之间的关系对比结果进行分析,看理论是实际是否吻合。
7.4触发角为90°时的仿真波形
仿真结果如下图所示
图7-4触发角为90°时的仿真波形
从图中可以发现,当触发脉冲延迟0.0050秒来的时候,也就是当触发角为90°的时候,输出电压也就是负载的电压也会延迟一定的时间出现,触发电路产生的触发脉冲的延迟角度跟负载阻抗有一定的关系,可以将他们之间的关系对比结果进行分析,看理论是实际是否吻合。
7.5触发角为120°时的仿真波形
仿真结果如下图所示
图7-5触发角为120°时的仿真波形
从图中可以发现,当触发脉冲延迟0.0067秒来的时候,也就是当触发角为120°的时候,输出电压也就是负载的电压也会延迟一定的时间出现,触发电路产生的触发脉冲的延迟角度跟负载阻抗有一定的关系,可以将他们之间的关系对比结果进行分析,看理论是实际是否吻合。
7.6触发角为150°时的仿真波形
仿真结果如下图所示
图7-6触发角为150°时的仿真波形
从图中可以发现,当触发脉冲延迟0.0083秒来的时候,也就是当触发角为150°的时候,输出电压也就是负载的电压也会延迟一定的时间出现,触发电路产生的触发脉冲的延迟角度跟负载阻抗有一定的关系,可以将他们之间的关系对比结果进行分析,看理论是实际是否吻合。
结果分析
在用晶闸管控制时,由于只能通过触发延迟角a推迟晶闸管的导通,所以晶闸管的触发脉冲应在电流过零点之后,使负载电流更为滞后,而无法使其超前。
阻感负载下稳态时a的移向范围为
。
但
时,并非电路不路不能工作,当
,VT1和VT2的导通角
均小于
,a越小,
愈大,
时,
=
,当a继续减小,例如在
的某一时刻触发VT1,则VT1的导通时间将超过
。
到
时刻触发VT2时,负载电流i0尚未过零,VT1仍在导通,VT2不会开通,知道i0过零后,如VT2的触发脉冲有足够的宽度二尚未消失,VT2就会导通。
因为
,VT1提前开通,负载L被过充电,其放电时间也将延长,使得VT1结束导电时刻大于
,并使VT2推迟开通,VT2的导通角当然小于
。
心得体会
本次电力电子课程设计,我所做的题目是单相交流调压电路的设计。
一开始拿到这个题目,感觉自己根本无从下手,不知道该如何去做,心里一点头绪都没有,感觉很茫然。
不过这个东西不做又不行,所以开始网上查资料,翻书本,到图书馆去借书,向同学请教,通过各种途径去尽量了解有关我的题目的信息。
在网上其实搜索到得有类似的课程设计,我把它作为一种参考,进行了深入的研究,希望从中能知道的课程设计该如何些。
从中还是有些收获的,慢慢的,我终于知道了该如何些,心里总算有了个大概的思路。
于是开始着手写起来。
其实想想也的确不是那么复杂,书本上有有关的章节,而且给了具体的解释以及原理说明。
首先得设计好主电路,而主电路的设计其实很简单,就一个有效值为200V的电压表,两个反并联的晶闸管,以及一个阻感负载,当然负载也可以用一个串联谐振代替。
比较麻烦的是触发电路的设计,有关触发电路的设计,我查了很多资料,一开始也是毫无头绪,直到深入的研究,透彻的分析后才大致了解了该如何下手。
本次课设,是要通过调节触发电路产生的脉冲信号的延迟角度来对晶闸管进行控制,不同的触发角会得到不同的输出电压电流的波形。
我们需要借助MATLAB这一个功能强大的软件,在MATLAB中找到所有的原件并连接好电路图,用示波器结合电压表,电流表去观察输出电压输出电流的波形,也就是负载电压负载电流的波形。
这种方法很直观,很方便,让我们对结果的把握更加准确。
本次课设我学到了很多,这个考验我们自主动手能力的设计报告,锻炼了我们的能力,让我们将课堂所学的理论知识学以致用,对我们将来的发展起到了很好的帮助作用。
八、参考文献
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