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1、11 1 概述概述 1.11.1 晶闸管交流调功器晶闸管交流调功器交流调功器：是一种以晶闸管为基础，以智能数字控制电路为核心的电源功率控制电器，简称晶闸管调功器，又称可控硅调功器，可控硅调整器，可控硅调压器，晶闸管调整器，晶闸管调压器，电力调整器，电力调压器，功率控制器。具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。 1.21.2 交流调压与调功交流调压与调功交流调功电路的主电路和交流调压电路的形式基本相同，只是控制的方式不同，它不是采用移相控制而采用通断控制方式。交流调压是在交流电源的半个周期内作移相控制，交流调功是以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断,即负载与交流电源
2、接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数和断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。如图3-21 所示，这种电路常用于电炉的温度控制，因为像电炉这样的控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的各个周期进行频繁的控制。只要大致以周波数为单位控制负载所消耗的平均功率，故称之为交流调功电路。 1.31.3 过零触发和移相触发过零触发和移相触发过零触发是在设定时间间隔内，改变晶闸管导通的周波数来实现电压或功率的控制。过零触发的主要缺点是当通断比太小时会出现低频干扰，当电网容量不够大时会出现照明闪烁、电表指针抖动等现象，通常只适用于热惯性较大的电热负载。移相触发是早期触发可控硅的触发器
3、。它是通过调速电阻值来改变电容的充放电时间再来改变单结晶管的振荡频率，实际改变控制可控硅的触发角。早期可控可是依靠这样改变阻容移相线路来控制。所为移相就是改变可控硅的触发角大小，也叫改变可控硅的初相角。故称移相触发线路。22 2 系统总体方案系统总体方案 2.12.1 交流调功电路工作原理交流调功电路工作原理单相交流调功电路方框图如图 2.1.1 所示。图图 2.1.12.1.1交流调功电路的主电路和交流调压电路的形式基本相同，只是控制的方式不同，它不是采用移相控制而采用通断控制方式。交流调压是在交流电源的半个周期内作移相控制，交流调功是以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断,即负载与交流电源接
4、通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数和断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。如图2.1.2 所示，这种电路常用于电炉的温度控制，因为像电炉这样的控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的各个周期进行频繁的控制。只要大致以周波数为单位控制负载所消耗的平均功率，故称之为交流调功电路。图图 2.1.22.1.2LOADBCR TLC336A1A2gu 3采用周波控制方式，使得负载电压电流的波形都是正弦波，不会对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。此外由于在 BCR 导通期间，负载上的电压保持为电源电压，因此若将此控制方式用于手电钻在低速下对玻璃或塑性材料进行钻孔，将非常有利。
5、2.22.2单相交流调压工作原理单相交流调压工作原理将一种形式的交流电变成另一种形式的交流电，可以通过改变电压、电流、频率和相位等参数。只改变相位而不改变交流电频率的控制,在交流电力控制中称为交流调压。单相交流调压的典型电路如图 2.2.1 所示。图图 2.2.12.2.1采用双向可控硅 BCR（Z0409MF）取代由两个单向可控硅 SCR 反并联的结构形式，并利用 RC 充放电电路和双向触发二极管 DB3 的特点，在每半个周波内，通过对双向可控硅的通断进行移相触发控制，可以方便地调节输出电压的有效值。由图 2.2.2 可见，正负半周控制角 的起始时刻均为电源电压的过零时刻,且正负半周的控制角
6、相等,可见负载两端的电压波形只是电源电压波形的一部分。在电阻性负载下,负载电流和负载电压的波形相同， 角的移相范围为 0, =0 时,相当于可控硅一直导通, 输入电压为最大值，U0=Ui灯最亮；随着 的增大，U0 逐渐降低，4灯的亮度也由亮变暗,直至 = 时，U0=0,灯熄灭。此外 =0 时，功率因数 cos=1，随着 的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，cos也逐渐降低,且对电网电压电流造成谐波污染。交流调压电路已广泛用于调光控制，图图 2.2.22.2.2(t)ui0uoug00(t)(t)(t)io053 3 电路设计电路设计 3.13.1 电感性负载设计电感性负载设计交流调压电路可以
7、带电阻性负载，也可以带电感性负载，比如感应电动机或其它电阻电感混合负载等。由于感性负载本身滞后于电压一定角度，再加上相位控制产生的滞后，使得交流调压电路在感性负载下大的工作情况更为复杂，其输出电压、电流波形与控制角、负载阻抗角都有关系。图图 3.13.1其中负载阻抗角,相当于在电阻电感负载上加上纯正)arctan(RwL弦交流电压时，其电流滞后于电压的角度为。为了更好的分析单相交流调压电路在感性负载下的工作情况，此处分为三种情况,分别进行讨论。3.23.2 工作时的设计工作时的设计图 3.1 所示为单相反并联交流调压电路带感性负载时的电路图，以及在控制角触发导通时的输出波形图，同电阻负载一样，
8、在的正半周iu角时，触发导通，输出电压等于电源电压，电流波形从 0 开始上iTouoi6升。由于是感性负载，电流滞后于电压，当电压达到过零点时电流不oiou为 0，之后继续下降，输出电压出现负值，直到电流下降到 0 时，oiou自然关断，输出 电压等于 0，正半周结束，期间电流从 0 开始上升1Toi到再次下降到 0 这段区间称为导通角。由后面的分析可知，在工0况下，因此在脉冲到来之前已关断，正负电流不连续。在电o1802T1T源的负半周导通，工作原理与正半周相同，在断续期间，晶闸管两端2Toi电压波形如图3.2 所示。图图 3.23.2 为了分析负载电流的表达式及导通角与、之间的关系，假设o
9、i电压坐标原点如图所示，在时刻晶闸管 T 导通，负载电流 i 应t10满足方程L=sin0RiddtioiuiU2t其初始条件为 i |=0,0t解该方程，可以得出负载电流 i 在区间内的表达式为0t7当=时，i =0，代入上式得，可求出与、之间的关系为t0sin（-）=sin（-）etan/利用上式，可以把与、之间的关系用下图的一簇曲线来表示。图图 3.33.3 图 3.3 中以为参变量，当=0 时代表电阻性负载，此时=180 -0o；若为某一特定角度，则当 时，=180 ；当时，随o着的增加而减小。根据上述电路的控制角为时，交流输出电压有效值U 、负载电流有效值 I 、晶闸管电流有效值 I
10、 分别为OoT8 cos2)2cos(sin 2式中，I为当=0 时，负载电流的最大有效值，maxo其值为I=maxoIT*为晶闸管有效值的标玄值，其值为=IT*由上式可以看出，是及的函数，图 3.4 给出了以负载阻抗IT*角为参变量时，当、已知时，可由该曲线查出晶闸管电流标幺值，进而求出负载电流有效值 I 及晶闸管电流有效值 I 。0T图图 3.43.422)( lRUi93.33.3 = 工作时的设计工作时的设计当控制角=时，负载电流 i 的表达式中的第二项为零，相当于滞0后电源电压角的纯正弦电流，此时导通角=180 ，即当正半周晶闸管 T0关断时，1T 恰好2触发导通，负载电流i 连续，
11、0该工况下两个晶闸管相当于两个二极管，或输入输出直接相连，输出电压及电流连续，无调压作用。图图 3.53.5 3.43.4工作时的设计工作时的设计 在工况下，阻抗角相对较大，相当于负载的电感作用较强，使得负载电流严重滞后于电压，晶闸管的导通时间较长，此时式仍然适用，由于，公式右端小于 0，只有当时左端才能小于o180)(0，因此，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在时刻o180wt被触发导通，由于其导通角大于 180 ，在负半周时刻为1To)(wt发出出发脉冲时，还未关断，因受反压不能导通,继续导通直到2T1T2T1T在时刻因电流过零关断时，的窄脉冲已撤除，仍然)(wt1T2T2Gu2T不能导
12、通，直到下一周期再次被触发导通。这样就形成只有一个晶闸管1T10反复通断的不正常情况，始终为单一方向，在电路中产生较大的直流分0i量；因此为了避免这种情况发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。 4 4 电路的测试与故障分析电路的测试与故障分析选用灯泡作为实验负载，从灯泡亮、暗时段的变化，可了解交流调功电路的原理与特征。线路中双向晶闸管的触发信号由 555 组成振荡器，产生一个占空比可调的触发脉冲，并通过模拟门形成可靠的触发信号，其频率要低于市电的频率，并可在一定的范围内调节。将 DJK01 电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧，是输出线电压为 220V，用两根导线将220V 交流电压接到
13、DJK22 的“Ui”电源输入端，按下“启动”按钮。打开交流调功电路的电源开关，用万用表测量 555 的电源电压，是否接近 10V，之后，用示波器观测 555 输出端“3”的波形及 4066 的输出（即 BCR 触发信号）波形是否正常。当触发电路波形正常后关闭电源，接入负载（220V、15W 灯泡） ，并开启交流调功电路的电源开关，调节“周波控制”电位器，观察灯泡亮暗或闪烁的变化规律。在由原555集成触发电路的基础上，又增加了4066芯片，可产生三相六路互差60的双窄脉冲或三相六路后沿固定、前沿可调的宽脉冲链，供触发晶闸管使用。4066的引脚功能具体如下：每个封装内部有4个独立的模拟开关，每个
14、模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。各开关间的串扰很小，典型值为50dB。再就是用到了双向可控硅BCR（Z0409MF）取代由两个单向可控硅SCR反并联的结构形式，并利用RC充放电电路和双向触发二极管DB3的特点，在每半个周波内，通过对双向可控硅的通断进行移相触发控制，可以方便地调节输出电压的有效值。正负半周控制角的起始时刻均为电源电压的11过零时刻,且正
15、负半周的控制角相等,可见负载两端的电压波形只是电源电压波形的一部分。在电阻性负载下,负载电流和负载电压的波形相同，角的移相范围为0, =0时,相当于可控硅一直导通, 输入电压为最大值，U0=Ui灯最亮；随着的增大，U0逐渐降低，灯的亮度也由亮变暗,直至=时，U0=0,灯熄灭。此外=0时，功率因数cos=1，随着的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，cos也逐渐降低。125 5 总结总结这次电力电子课程设计，我真正感到了设计的不容易。在平时的实验中我没有体会到设计的辛苦与艰辛。在这次的课程设计中难题有很多。我的 matlab 还需更加练习和思考。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社 会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次 课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课 程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔 跑打下坚实的基础以前做实验都是按部就班的做，在以前的经历中没有这么多的错误，但这次却让我不得不静下心来一个一个的查找修改，一步一步不能马虎。体现出自己单独设计能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。 在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅
