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1、第 1 章 概述在工业生产及日用电气设备中，有不少交流供电的设备采用控制交流 电压来调节设备的工作状态，如加热炉的温度、电源亮度、小型交流电机 的转速等。这样就需要设计一种交流调压电路来控制，其基本原理是把两 个晶闸管反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。在每一个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节 输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。用在电热控制、交流电 动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。采用晶闸管作为开关元件 的典型单相交流调压电路如图 1 所示。常用通断控制或相位控制方法来调 节输出电压。交流调压电路也广泛用于灯光控制（如调光台灯
2、和舞台灯光控制）及 异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。在供用电系统中，这种电 路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高压小电流或低压大电流中， 也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如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，同时，低电压大 电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压 电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，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。交流调压是指把一种交流电变成另一种同频率，不同电压交流电的变 换。按所变换的相数不同交流调压电路可分为单相交流调压
3、电路和三相交 流调压电路。前者是后者的基础。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。第2章设计总体思路2.1 系统总体方案确定交流调压的控制方式有三种：整周波通断控制；相位控制；斩 波控制。整周波控制调压适用于负载热时间常数较大的电热控制系 统。晶闸管导通时间与关断时间之比，使交流开关在某几个周波连续导通， 某几个周波连续关断，如此反复循环地运行，其输出电压的波形如图2所 示。改变导通的周波数和控制周期的周波数之比即可改变输出电压。为了 提高输出电压的分辨率，必须增加控制周期的周波数。为了减少对周围通 信设备的干扰，晶闸管在电源电压
4、过零时开始导通。在负载容量很大时， 开关的通断将引起对电网的冲击，产生由控制周期决定的分数次谐波，这 些分数次谐波引起电网电压闪变。这是其缺陷。ffi a 冏镇揑创的也压血那相位控制调压一一利用控制触发滞后角a的方法，控制输出电压。晶闸管 承受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角a。在有效移相 范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功率因 数不同而不同，电阻性负载最大，纯感性负载最小。图3是阻性负载时相 控方式的交流调压电路的输出电压波形。相控交流调压电路输出电压包含 较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐 波损耗。另外它还会引起电源电压
5、畸变。为减少对电源和负载的谐波影响， 可在电源侧和负载侧分别加滤波网络。斩波控制调压使开关在一个电源周期中多次通断，将输入电压切成几 个小段，用改变小段的宽度或开关通断的周期来调节输出电压。斩控调压 电路输出电压的质量较高,对电源的影响也较小。图4是斩波控制的交流在斩波控制的交流调压电路中，为了在感性负载下提供续流通路，除了串联的双向开关S外，还须与负载并联一只双向开关S。当开关S导通，1 2 1S关断时，输出电压等于输入电压；开关S关断，S导通时，输出电压为2 1 2零。控制开关导通时间与关断时间之比即能控制交流调压器的输出电压。开关s、S动作的频率称斩波频率。斩波频率越高,输出电压中的谐波
6、电12压频率越高,滤波较容易。当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时，输 出电压中会产生分数次谐波。当斩波频率较低时，分数次谐波较大，对负 载产生恶劣的影响。将斩波信号与电源电压锁相，可消除分数次谐波。斩波控制的交流调压电路的功率开关元件必须采用功率晶体管或其他自关斩波控制方式时，晶闸管要带有强迫关断电路或采用 IGBT、MOSFIT 等可自关断器件，在每个电压周波中，开关元件多次通断，使电压斩波成 多个脉冲，改变导通比即可实现调压。本次课程设计采用斩波控式制单相斩控式交流调压电路的原理图如图 5 所示，一般采用全控型器件作 为开关器件。其基本原理和直流斩波电路有类似之处，只是直流斩波电路 的输
7、入是直流电压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交 流电源u1的正半周，用VI进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通 道；在u1的负半周，用V2进行斩波控制，用V4给负载电流提供续流通 道。设载波器件（VI或V2）导通时间为ton，开关周期为T,则导通比 a=ton/T。和直流斩波电路一样，也可以通过改变a来调节输出电压。图5给出了电阻性负载时负载电压uo和电源电流il（也就是负载电流） 的波形。可以看出，电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移 因数为1。另外，通过傅里叶分析可知，电源电流中不含低次谐波，只含 和开关周期T有关的高次谐波。这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。
8、 这时电路的功率因数接近 1。本次课程设计所用的斩控式单相交流调压电路的结构框图如图 6 所 示，首先是交流输入电压为220V，经滤波后用全控型开关器件进行斩波， 输出电压为0160 V,然后在其输出取样电流，进行过压检测保护。时 钟震荡器及脉宽 PWM 调制均由芯片形成控制部分。图 6 电路的结构框图2.2 交流斩波调压的基本原理交流斩波调压的原理波形如图 7 所示。由图可知，它是用一组频率恒 定、占空比可调的脉冲，对正弦波电压进行调制后，得到边缘为正弦波、 占空比可调的电压波形。该电压的调制频率f0,其基本谐波频率为土 50Hz。 改变占空比，即可改变输出电压。 利用具有自关断能力的电力半
9、导体器 件就可方便地构成交流斩波调压电路。谥 iih &PWXd调制图 7 交流斩波调压的原理波形图第 3 章 主电路设计与分析3.1 主要技术条件及要求要求用斩波控制的方式实现单相交流调压，功率因数好，谐波小，输 出的波形要好。输入电压是交流220V,输出电压要求是0160 V,最大 输出电流为200A,功率因数大于或等于0.7。能同时实现电压电流的检测 及过压过流等一些故障的保护。3.2 开关器件的选择由于斩波调压电路一般采用全控型器件作为开关器件,典型的全控型 开关器件有，门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效 应晶体管（MOSFET）及绝缘栅双极晶体管（IGBT）等
10、。由于MOSFET 的开关时间在 10100ns 之间,其工作频率可达 100KHz 以上,是主要电 力电子器件中最高的,而且它的驱动电路简单,需要的驱动功率小,所以 这次课程设计决定用 MOSFET 来做开关器件。3.3 主电路计算及元器件参数选型滤波器电容选择Co 一般根据放电时间常数计算,负载越大,要求纹波系数越小,电容量 也越大 .一般不作严格计算 ,多取 2000MF 以上.因系统负载不大 ,故取 Co=2200MF.耐压按 1.5Vdm=1.5*220=330V.取 350V.即选用 2200MF, 350V 电容器.为滤除高频信号，取C1=1uf,耐压350V. 选用二极管时,主
11、要应考虑其最大电流、最大反向工作电压、截止频率及 反向恢复时间等参数。二极管承受最大反向电压 :U=Sqrt（6）*U2=392V 考 虑 3 倍裕量，则 U=3*392=1176乂取 1200V 最大电流按 Idn=（1.52）Kfb*Id 来计算选择。快速熔断器的选择快速熔断器用于过电流的保护，它的断流时间在10 ms以内，快速熔断器的熔体额定电流 IN 按下式选择：ITm=IN=1.57 ITNItm2X0.577 IN=2X0.577X200A=230.8AMOSFET 保护电路选择 电容的选择 一般按布线电感磁场能量全部转化为电场的能量估算。即LbIo2 /2=Cs(Ucep-Uo)
12、2 得Cs 三 LbIo2/(Ucep-Uo)2式中Lb-是主回路布线电感mH；Io-MOSFET 关断时源极电流 A；Ucep-缓冲电容器电压稳定值；Uo-直流电源电压 V。Lb可按Lb=520 M H估算。Ucep为保证可靠，可取稍低于MOSFET耐 压值为宜，取Ucep=600V进行计算。取Io=Id、Uo=325V,得 Cs=LbIo2/(Ucep-Uo)2=0.0962M F取 Cs=0.1mF、耐压 650V。缓冲电阻Rs计算 要求MOSFET关断信号到来之前，将缓冲电容器所积蓄的电荷放完，以关断信号之前放电 90%为条件，计算公式如下：RsWl/ (6fCs)f为开关频率、MOS
13、FET最大开关频率为50KHz，则有Rs=1/ (6fCs)33Q;VDs电流定额按MOSFET通过电流的1/10选择为：0.19A。3.4 主电路结构设计在考虑到减少电路误差的情况下，我们采用了如图 8 所示的主电路， 主回路由QIQ3三个VMOS管和DlD3三个二极管组成的全控整流电 路实现对交流输入电压的斩波调压。当交流输入电压在正半周时，电流流 经VD1、Q3、VD3；当交流输入处于负半周时，电流流经VD2、Q3、VD4、； Q3始终处于正向电压作用下，当在Q3源栅极之间加入触发信号时，Q3 处于开关状态。调整加在栅极上的脉冲宽度即可调节输出电压的大小。由 于 Q3 处于开关状态，且
14、VMOS 管具有很小的关断时间，只要适当选择较 低的饱和压降，Q3的功耗可以做得很小，所以该斩波调压具有较高的效 率。考虑到负载可能为感性的，加了由QI、Q2及DI、D2组成的续流环 节。当Q3关断时，在电压处于正半周时，Q2导通，Q1关断，流经负载 的电流通过 Q2、 D1 续流。在电压负半周 ， Q1 导通， Q2 关断，流经负 载的电流通过QI、D2续流。为防止QI、Q 2、Q3同时导通而引起较大 的短路电流，对加在 Q1 和 Q2 上的触发信号有一定要求，这在过零触发 电路中讨论。图中 L1、 C1 为电源滤波网，以吸收瞬态过程中的过电压， 并减少对外线路的干扰。 L2、 C2 为输出
15、滤波环节，由于本机调制频率取 得较高，所以L2和C2只需很小值即可。其中每个VMOS管都有保护装 置如图所示。图 8 主电路图其中 Q3 的 PWM 波控制由 PWM 波发生器通过对给定的调整产生 输出占空比一定的 PWM 波。3.5 主电路保护设计为使主电路长期稳定、安全可靠地工作，必须设计各种类型的保护 电路，避免因电路出现故障、使用不当或条件发生变化而损坏电路上的零 器件。主电路的保护分为两大类：第一类是芯片内部的保护电路。上面的 主电路图设计中，在开关器件Q3的触发控制电路中将提供过流保护，在 后面的控制电路中将会介绍。第二类是外部保护电路，主要包括过流保护 装置（如保险管、自恢复保险丝、熔断电阻器等）、启动限流保护电路、 漏极钳位保护电路（或 R、C、VD 型吸收电路）、输入欠压保护电路、输 入过压保护电路。本次外部电路过压保护的设计采用接触器的方式，具体器上设定的正5伏电压相比较，如果电路出现了过电压的现象，输出电压就会高于设定值，比较器就会输出电压，使三极管导通，这样就会使 线圈KM的保护电路接通，线圈就会被通电，KM在主电路的常闭触点就A31 7-Jan -200 7G:高频交流调压斩波图DDBSheet Drawn B会断开，从而达到保护主电路的作用。 Date: File:第 4 章 单元控制电路设计4.1
