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1、1 设计方案及选择由于题目要求输出电压范围为0100V，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。2 单相交流调压电路的设计2.1 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
2、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 1 电阻负载单相交流调压电路图 2 单相交流电压电路波形正、负半周Q起始时刻（Q =0）,均为电压过零时刻。在时，对VT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；在二兀时，电源电 压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。在二兀+Q时，对VT2
3、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t = 2兀时，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0的大小，不但与控制角a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。2.2 控制电路的设计2.2.1 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
4、(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u二u时，晶闸管导通。u是保证晶c t t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a。这种触发形式 也存在许
5、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(OoWa W90。)。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。2.2.2 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
6、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 引脚图如图3 所示：KC05触发芯片具有锯齿波形好，移相范围宽，控制方式简单，
7、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 范围如何变化单相交流调压触发电路原理图如图4所示：G1VD2-1AT1R6G2R3R1C1tpT相交流调压触T电路原理图图4AC30VVD3KC053 保护电路设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，
8、采用合 适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。3.1 过电压的产生及过电压保护电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内应过电压两类。外应过电压 主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切断等 经常性操作中的电磁过程引起的过压。2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：1）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能 立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断 能力时，反向电流急剧减
9、小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续 流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。2）关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正向电流的 迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到定电 压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量， 从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路 中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。 与电容串联的电阻
10、能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电 压保护电路如图 5 所示。图 5 RC 阻容过电压保护电路图3.2 过电流保护 当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、 触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失 败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过 载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。采用快速熔断器是电力电子装置中 最有效、应用最广的一种的过流保护措施。开关电路交流断路器直流快速熔断器聖籃电流互感器快速熔断辭变流器触发电路电子保护电路动作电流 整定值甸
11、-短路器电流检测图 6 过电流保护电路图过电流保护电路如图 6 所示，其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧 短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这 样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作 用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为 它们流过同个电流因而被广泛使用。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时 的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整 定在过载时动作。4 单相交流调压电路参数设定与计算1）单相交流调压变流器参数设定：要求
12、触发角为 45 度，输入交流 U2=210 伏。2）单相交流调压变流器电路分析：在单相交流调压电路原理图中，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 触发延迟角a进行控制就可以调节输出电压。正负半周a起始时刻（a =0）均为电压过零 时刻。在稳态情况下，应使正负半周的a相等。可以看出，负载电压波形是电源电压波形 的一部分，负载电流和负载电压的波形相同。3）输出平均电压、电流及输出有功功率的计算首先设定电阻值R=100欧姆。设上述电路在开通角a时，负载电压的有效值为U0、负载电流有效值为10、晶闸管 电流有效值为IVT和电路功率因数
13、为。根据公式计算得出如下结果：九=201.87V(1)丄严(*2U sin)2d()兀 a2U(2)(3)(4)0 =2.02A:1 n+a 2U sin wtW莎:)2 d(wt)=1.43A,P UI久=tt0 J0 =0.961S UI205 总结通过设计可以总结出，a的移相范围为OWaWn a=0时，相当于晶闸管一直导通，输出 电压为最大值，U。=U1。随着a的增大，U。逐渐减小。知道a=n时，U。=0。此外，a=0时, 功率因数=1，随着a的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，也逐渐降低。6 体会这次电力电子技术课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。 并通过对知识
14、的综合利用，进行必要的分析，比较。从而进一步验证了所学的理论知识。 同时，这次课程设计也为我们以后的学习打下基础。指导我们在以后的学习，多动脑的同 时，要善于自己去发现并解决问题。这次的课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在 你拿到题目时会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。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
15、 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。参考文献1 王云亮.电力电子技术.北京：电子工业出版社，20042 赵良炳.现代电力电子技术基础.北京：清华大学出版社，19993 黄俊,王兆安.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，20014 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2000.5 周克宁.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2004
