相控式单相交流调压电路设计

集美大学

电力电子课程设计报告

题目：相控式单相交流调压电路设计

姓 名： 学 号： 学 院： 专业班级： 指导教师： 时 间：

2015年6月19日

目录：

0 概述-------------------------------------------------------------1 1 设计的目的-------------------------------------------------------1 2 设计的任务及要求-------------------------------------------------2

2.1 设计任务--------------------------------------------------- 2 2.2 设计要求--------------------------------------------------- 2 3主电路总体方案设计------------------------------------------------ 2

3.1 总体方案设计思路--------------------------------------------2 3.2 主电路工作原理----------------------------------------------3

3.2.1 主电路工作情况分析------------------------------------3 3.2.2 负载电流分析------------------------------------------4 3.3 主电路参数计算及元器件选择----------------------------------6 3.3.1 主电路参数计算----------------------------------------6 3.3.2 主电路元器件的选型------------------------------------7 3.3.3 芯片的详细介绍----------------------------------------8 4 基于MATLAB/Simulink的仿真设计-----------------------------------9 4.1 仿真模型建立------------------------------------------------9

4.2 仿真参数设置及仿真结果-------------------------------------10 4.3 仿真波形分析-----------------------------------------------12 5 实际电路设计----------------------------------------------------12

5.1 总电路设计-------------------------------------------------12 5.2 触发控制电路设计-------------------------------------------13 5.3 保护电路的设计---------------------------------------------14 设计总结-----------------------------------------------------------15 参考文献-----------------------------------------------------------15

0 概述

交流调压电路在广泛应用于生活生产当中，生活中小到调光台灯，大到舞台灯光控制，生产中异步电动机的启动与调速，电力系统中无功功率的连续调节，直流电源中调节变压器一次侧电压等。

单相交流调压电源中，调压和稳压是最基本的要求。目前基本的调压器类型有以下三种：

机械式调压器 机械式调压器是由电动机带动碳刷来实现输出调压。机械式调压器的输出波形较好，但体积、重量大，动态性能差。

磁饱和式调压器 磁饱和式调压器是通过控制主电路中电感的饱和程度，以改变电抗值以及电抗电压，从而实现输出调压。磁饱和式调压器具有一定的动态输出性能，但输出电压可调范围小，体积、重量较大。

电子式调压器 电子式调压器是采用电力电子开关器件的控制来实现输出调压。电子式调压器具有较好的输出波形及动态响应性能，体积小，重量轻等优点，是目前应用较广泛的调压方式。

1 课程设计的目的

本课程设计是电气工程及其自动化专业重要的实践教学环节之一。本课程设计的任务是培养学生综合运用《电力电子技术》、《电子技术》所学知识分析解决工程实际问题。使学生加深理解电力电子变换电路的基本原理及其在工程实际中的应用；掌握电力电子变换主电路的选型及参数计算方法；掌握电力电子器件和装置的控制电路设计方法；为今后从事与电力电子技术相关的科学研究工作打下良好的基础。

2 课程设计的任务及要求

2.1设计任务

相控式单相交流调压电路设计 2.2设计要求

（1） 输入信号为电网电压，U=220V，f=50Hz，输出负载为阻感负载，R=50感抗=35

。

，

（2）设计出系统结构图，并用MATLAB/Simulink对单相交流调压进行仿真。 （3）设计出单相交流调压主电路和控制电路、保护电路等。

3 主电路总体方案设计

3.1 总体方案设计思路

本系统设计方案基本思路是：采用两个反向并联的晶闸管作为开关器件，负载为阻感负载组成的主电路，以及控制晶闸管导通的触发电路，其系统原理方框图如图3.1。

交流输入 主电路 阻感负载输出

触发电路 图3.1 系统原理方框图

3.2 主电路工作原理 3.2.1 主电路工作情况分析

主电路如图3.2.1所示，由两个反向并联的晶闸管T1、T2，负载电感L和电阻R组成。

图3.2.1 主电路

（1）晶闸管触发控制角（延迟触发角）时

如图3.2.1（a）所示，当控制角，即t时T1开始导电，iT1isi0从零上升，T1导电180º后在t时iT1isi00，与此同时，T2被触发导通，iT2isi0从零上升，T4导电180º后在t2时iT2isi00。因此，T1、T2的触发控制角时，T1、T2依序轮流导电180º（导电角θ=180º），

0、i0都是完整的正弦波。

（2）时

0vsiT122iT4tis图3.2.1（a）

如图3.2.1（a）所示，如果把T1、T2的触发信号的起点从t提前，即在t时开始触发T1，在t时开始触发T2。在t时，由于isi0仍是负电流，即T2仍在导通，故此时的触发电流并不能使T1立即导

电，直到t时，iT2isi00，如果这时T1还有触发电流，才能开通T1。

因此，RL负载、时，如果要使电压控制器能起到相控作用正常工作，触发信号必须是宽脉冲。如果0，则宽脉冲应该超过，此时虽然，但与时一样，输出电压电流波形都是完整的正弦波。 （3）时

， 如图3.2.1（b)所示，如果晶闸管的控制角α从t推迟，在t时iT2已为零，但此刻T1触发脉冲尚未到达，因此在T1被触发开通之前一段时期中isi00，电流断流。待t（）时T1才被触发开通，iT1isi0从零上升，iT1上升到最大值im后逐渐减小，并在t之前就衰减到零，即导电角。在t时，触发T2导通，在一个周期中T1、T2轮流导电θ()角，因此负载电压0为正负对称的不完整正弦波，负载电流i0iT1iT2为正负对称的非正弦电流。

3.2.2 负载电流分析

（1）时，θ=180º，即0、i0为图3.2.1（a）所示正弦波，T1、T2导电角θ=180º：

图3.2.1（b)

vOvS2VSsint

iSiO2VSsin(t)Z

22Z(L)R

arctanLR

（2）时，0为图3.2.1（b）所示的部分正弦波曲线，而i0则为断流的非正弦波，半周中的导电角θ<180º：

v0vS2VSsintRiT1LdiT1dt

1(ta)2VStgiT1[sin(t)sin(a)e]Z

/tgsin(a)sin(a)e

tan()sinetancos

（3）由（1）、（2）可求出负载阻抗角一定时导通角θ与触发控制角的关系f，如图3.2.2（a）所示：

图3.2.2(a) 导通角θ与控制角α的关系曲线 （以负载阻抗角φ为参变量）

由图3.2.2（a）可以看出： arctanLR， 时，θ=180º， 时，θ<180º。

（4）时非正弦负载电压有效值Vo 、负载电流有效值Io 、晶闸管电流有效值IT分别为：

VO1(2VSsint)2d(t)

VS1[sin2sin2()] IO2IT VS2ZVSZsincos(2)cossincos(2a)cos

tatg21IT2aa2VS2()[sin(t)sin(a)eZ]d(t)

若取晶闸管电流IT的基准值为2*ITIT/Vs，则IT的相对值为 Z2VSZ1ITZ2VS2sincos(2)22cos 可画出以为参变量，I*T与触发控制角α的函数关系，如图3.2.2（b）所示：

0.40.35*IT0.500.30.20.145607590045607590120140160180 图3.2.2（b） 晶闸管电流的标么值 I*与控制角α的关系曲线

T3.3 主电路参数计算及元器件选择 3.3.1主电路参数计算 （1）控制角范围：

minarctanLRarctan3535o50

max（2）min时，最大电流有效值0为：

0

VR2L21222022503513.6A2

（3） 最大功率（min时）：

2503.62648W PmaxRI0（4）功率因数 PFP6480.818 S2203.63535111.5mH 2f250（5）电感大小：由L2fL35

得 L

3.3.2 主电路元器件的选型 （1）开关管的选择

可选用VMOSFET开关管。它是具有输入阻抗高（≥108W）、驱动电流小（0.1uA左右）、耐高压（最高可耐压1200V）、工作电流大（1.5A~100A）、输出功率高（1~250W）、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。

时晶闸管电流最大有效值IT为：

12 IT2VsZ2t--Itgsint--sin-edt02.55A

22因为输入电压为220V的交流电，根据计算结果，故可以选用14A/500V的N沟道开关管IRFP450LC。 （2）触发控制芯片的选择

选用芯片KJ004产生触发控制信号，来驱动MOSFET实现触发控制，KJ004可控硅移相触发电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡

性好、移相范围宽、对同步电压要求低、有脉冲列调制控制输出端等功能与特点，可输出两路相差180º的移相脉冲，具有广泛的应用。 3.3.3 芯片的详细介绍

（1）晶闸管也成为可控硅整流元件（SCR），是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件。具有单向导电性和可控性。其内部电路可等效为两个晶体管V1和V2串接而成，如图3.3.3所示，只有在其阳极A和阴极K之间加正向电压，并且在触发级G加一定大小电流的触发脉冲，才能使晶闸管导通；当其电流IA减小到维持电流IH一下时才能关断。

图3.3.3 a）晶闸管结构模型 b）晶闸管等值电路

（2）KJ004触发电路电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。 电路内部原理如图3.3.3（c）所示：

图3.3.3（c） KJ004内部原理图

各引脚功能及连接： 2、6、10引脚：为空脚。

1、15同相、反相脉冲输出端：分别接脉冲功放晶体管及脉冲变压器。 3为锯齿波电容连接端：通过电容接引脚4，并通过一个电阻与可调电位器接负电源，可调节锯齿波的斜率。

4为同步锯齿波电压输出端：通过一个电阻接移相综合端（引脚9）。 5为工作负电源输入端：接-15V电源。 7为底端：芯片公共地。

8为同步电源信号输入端：接同步变压器二次侧，同步电压30V。 9为移相、偏置及同步信号综合端：分别通过一个等值电阻接移相控制端、偏置控制端及引脚4.

11为方波脉冲输出端：通过一只电容接引脚12，电容的大小决定输出脉冲的宽度。

12为脉冲信号输入端：通过一只电容接引脚11，另外通过一个电阻接正电源。

13为负脉冲调制及封锁控制端：通过该端输入信号的不同，可对负载输出脉冲进行调制或封锁。

16为工作正电源输入端：接+15V电源。

4 基于MATLAB/Simulink的仿真设计

4.1 仿真模型建立

建立一个仿真模型，在Simulink中找到所需的交流电源、电压表、电流表、示波器、电感电阻负载、触发源等。将找到的各个模型按电路正确连接起来，如图4.1所示：

注：为了方便观察，示波器通道所测波形由上到下分别为电压源、T1触发脉冲、T2触发脉冲、输出电压、输出电流。 4.2 仿真参数设置及仿真结果

按前面要求设置好仿真参数，电阻R=50Ω，电感L=111.5mH，观察不同触发角时的仿真波形。

（1）时的仿真波形如图4.2（a）所示：

图4.2（a）35o

（2）窄脉冲触发信号，时的仿真波形如图4.2（b）所示：

（3）宽脉冲触发信号，时的仿真波形如图4.2（c）所示：

（4）时的仿真波形如图4.2（d）所示：

图4.2（c）5o35o 宽脉冲触发

4.3 仿真波形分析

由仿真波形可知，示波器通道所测波形由上到下分别为电压源、T1触发脉冲、T2触发脉冲、输出电压、输出电流。此时的负载是电阻电感性负载，当触发控制角等于阻抗角时，即时，输出电压、电流均为连续的正弦波；当触发控制角小于阻抗角时，即时，若触发脉冲为窄脉冲时，输出电压、电流均为不连续波形；若触发脉冲为宽脉冲时，输出电压、电流均为连续的正弦波；当触发控制角大于阻抗角时，即时，输出电压为不连续的正弦波，输出电流则为不连续的对称的非正弦波。

5 实际电路设计

5.1 总电路设计

如图5.1所示，总电路主要包括主电路、触发控制电路、和保护电路三部分：

5.2 触发控制电路设计

如图5.2所示，由KJ004设计成的可控硅移相控制电路，主要由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电路、移相电路及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路组成。锯齿波的斜率由外接电阻R6、RW1流出的充电电流和积分电容C1的大小决定。对不同移相控制电压Uy由改变电阻R1、R2的比例调节响应的偏移电压Up。同时RW1可以使不同移相控制电压获得整个移相范围。R7、C2形成微分电路，改变其值得大小可以获得不同的脉宽输出。

图5.2 触发电路接线图

5.3保护电路的设计

在电路中，由于过压、过流等容易造成整个电路或者元器件的损坏，造成损失甚至产生危险，因此必须添加一定的保护措施，保护电路的设计成了在电路设计中不可缺少的一部分。在电力电子中最主要的保护电路可分为过压保护电路、过流保护电路和缓冲电路三种。 （1）过电压保护

电力电子设备中过电压的产生可分为外因过电压和内因过电压两种。外因过电压有操作过电压与雷击过电压；内因过电压有二极管反向恢复过电压和开关管关断过电压。过电压的常用保护措施是采用RC过电压抑制电路，如图5.3（a）。 （2）过电流保护

电力电子线路中常采用的过电流保护措施有快速熔断器、直流快速熔断器和过电流继电器三种。其中快速熔断器是电力电子电路中最有效、应用最广泛的一种过电流保护措施，如图5.3（b）。 （3）缓冲电路

缓冲电路又称吸收电路。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、或者过电流，减少器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，又可称为复合缓冲电路。如图5.3（c）为关断缓冲电路

通过分析可知在此交流调压电路中，只需对晶闸管进行过电压保护及过电流保护即可，因此我们采用RC过电压抑制电路进行过压保护，采用快速熔断器进行过流保护 。

图5.3（a）过压保护电路 图5.3（b）过流保护电路

图5.3（c）关断缓冲电路

设计总结

通过本次电力电子课程设计，加深了对电力电子专业知识的理解，通过广泛的查阅资料，一步一步的完成了本次课程设计。在本次的课程设计中，我深入了解了相控式单相调压电路的工作原理，以及触发电路的设计。掌握电力电子变换主电路的选型及参数计算方法等。与此同时，还掌握了MATLAB/Simulink在电力电子仿真中的应用，掌握了如何使用Altium_designer绘制电路原理图等。

当然，在整个课程设计过程中也遇到了一些问题，如在Simulink中找不到元器件，仿真参数不会设置等问题，但通过大量查阅相关书籍，最终将问题逐一解决，并在最后取得了理想的结果，得到了正确的仿真结果，顺利的完成了本次课程设计。

经过本次电力电子课程设计，我不仅值理论知识上得到了巩固，更学会了如何查阅资料，如何总结经验，在问题面前学会如何正确分析问题的方法，并利用自己所掌握的知识，以及如何利用现成的资料去解决问题。为今后从事与电力电子技术相关的科学研究工作打下良好的基础。

参考文献

[1]陈坚、康永，电力电子学—电力电子变换和控制技术(第三版)[M]，高等教育出版社； [2]张占松、蔡宣三，开关电源的原理与设计（修订版）[M]，电子工业出版社； [3]洪乃刚，电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M]，机械工业出版社； [4]王兆安，电力电子技术[M]，机械工业出版社；

[5]王莉，浅谈单相交流调压电路的建模及matlab仿真[J],2012-6-15； [6]KJ004可控硅移相触发电路[J]，2009-7-27；