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1、电力电子技术课程设计单相调压电路设计姓名：学号：班级：时间：指导教师： 目 录一.仿真软件MATLAB简介2二.设计目的2三.单相交流电调压电路原理.2四.设计原理5五.MATLAB仿真.6六.当电感值和晶闸管开通角变化时的负载电压和触发脉冲波形.8七.谐波分析.19八.Protel 简介.19九.印刷电路板.24十.小结25十一.教材及参考书.25十二.附录.26 单相调压电路设计一.仿真软件MATLAB简介MATLAB是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算工具，作为强大的科学计算平台，它几乎可以满足所有的计算要求。另外，MATLAB还针对许多专门的领域开发出了功能强大的
2、模块集或工具箱，如：电力系统仿真工具箱(SimPowerSystems)等。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发出来的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的模型而不需要自己编写代码。当今社会的发展如此迅猛，高性能、低成本以及生产和更新换代周期短已经成为现代企业对产品设计的最基本要求，模型化、模块化以及动态仿真是产品设计者对设计工具的最基本要求，而MATLAB中的Simulink是其中可以完全满足此要求的几个工具软件之一。MATLAB提供的Simulink仿真软件实际上提供了一个系统级的建模与动态仿真的图形用户环境，并且凭借MATLAB在科学计算上的强大功能，建立了从设计构思到最终要求
3、的可视化桥梁，大大弥补了传统设计和开发工具的不足。Simulink是用模块组合的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型，特别对于复杂的非线性系统，效果更为明显。Simulink模型可以用来模拟线性或非线性、连续或离散或两者的混合系统。另外，Simulink还为用户提供一套图形动画的处理方法，使用户可。以方便地观察到仿真的整个过程。它还能够用MATLAB自身语言或c、c+语言、FORTRAN语言，根据s函数的标准格式写成用户自己定义的功能模块，其扩充性非常强。其中电力系统仿真工具箱功能强大，工具箱内部的元件库提供了经常使用的各种电力元件数学模型，并且提供了可以自己编程的方式创建适合
4、的元件模型。二设计目的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，综合运用所学知识进行单相调压电路和系统设计的能力。2. 了解与单相调压电路拓扑、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. 具有一定得电力电子电路及系统实验和调试的能力。三 单相交流电调压电路原理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。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。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。结构原理 交流调压电路的一般结构如图
5、1a所示。按一定的规律控制交流开关S1的通断，即可控制输出的负载电压u0。按单相交流调压电路的控制方式有周波控制调压、相位控制调压和斩波控制调压。采用前两种控制方式的单相交流调压电路如图1b所示。图1c所示。是斩波控制的单相交流调压电路，图中的双向开关S2是续流开关。(1)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。控制图1b所示。中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
6、信设备的干扰，晶闸管在电源电压过零时开始导通。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。（2）相位控制调压 利用控制触发滞后角的方法，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。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畸变。为减少对电
7、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。（3）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是斩波控制的交流调压电路的输出电压波形。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S1外，还须与负载并联一只双向开关S2。当开关 S1导通，S2关断时，输出电压等于输入电压；开关S1关断，S2导通时，输出电压为零。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 S1、S2动作的频率称斩波频率。斩波频率越高，输出电压
8、中的谐波电压频率越高，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断元件，所以成本较高。四.设计原理本设计中采用相位控制调压的方式。把两个晶闸管反并联在交流电路中，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，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。交流电源只有一相时，称为单相调压电路。主电路原理图
9、如下：图5图5是单相交流电路主电路图，两个晶闸管反并联串联在交流电路中，在每半个周波内对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出交流电压的有效值，实现交流调压。由于交流调压电路的工作情况和负载有很大关系，因此分别进行讨论。单相交流调压负载在电阻负载时，晶闸管的导通角只与控制角 有关，分别对两个晶闸管的开通角进行控制就可以调节输出电压。正负半周起始时刻( =0)均为电压过零时刻，在稳态情况下，应使正负半周的 相等。 的移相范围应为0。对触发脉冲的要求除了要保证与电源同步外，脉冲本身的宽度也要保证晶闸管能正常导通。单相交流调压负载是阻感性负载时，在电压反向过零时，由于电感产生的感应电势阻碍电流的变
10、化，晶闸管不能立即关断，导电时间延长，此时，晶闸管的导通角不但与控制角 有关，还与负载的阻抗角 =arctan（WL/R）有关。当 时，两个晶闸管VT1和VT2 得导通角均小于，且越小，越大。此时可以进行正常交流调压，输出电流既不连续也非正弦。当 = 时，=，电流波形为正弦波。当0 13V。 C最大输出能力：KJ004为lOOmA(流出脉冲电流)。KJ004A为10mA。 d输ttl反压：BVceol8V(测试条件：Iel00A)。正负半周脉冲相位不均衡度3。使用环境温度为四级： C：070 R：-5585 E：-4085 M：-55125 KJ004(KJ004A)采用双列直插l6脚封装。
11、触发脉冲电路：图21该触发电路主要由KJ004集成电路构成。同步信号由第8脚引入，第1脚和第l5脚可产生相位相差180。的2路输出脉冲，这2路脉冲经过信号驱动电路放大后，接到脉冲变压器的输入端，在脉冲变压器的输出端产生加在晶闸管门极和阴极的触发信号。加脉冲变压器是为了控制电路和主电路隔离及经过变压后产生触发晶闸管合适脉冲。调节电位器RP。可调节输出脉冲的相位，调节电位器RP：可以调节锯齿波的斜率，从而使在控制电压为零时，主电路输出电压为零。九印刷电路板：图22印刷电路板主要由焊盘、过孔、安装孔、导线、元器件、接插件、填充、电气边界等组成，各组成部分的主要功能如下： 焊盘：用于焊接元器件引脚的金
12、属孔。 过孔：用于连接各层之间元器件引脚的金属孔。安装孔：用于固定印刷电路板。 导线：用于连接元器件引脚的电气网络铜膜。 接插件：用于电路板之间连接的元器件。 填充：用于地线网络的敷铜，可以有效的减小阻抗。 电气边界：用于确定电路板的尺寸，所有电路板上的元器件都不能超过该边界。印制电路板设计中应注意的问题：1. 元件的布局要均衡，疏密有序；2. 元件布局应按照元件的关键性来进行，先布置关键元器件，然后按照地址线和数据线的走向，依照就近原则，布置其他元件；3. 高频元件引出的导线应尽量短，以减少对其他器件和电路得干扰，也可就近安装滤波电容；4. 模拟电路与数字电路尽量分开布设；5. 带强电的元件
13、与其他元器件的距离应尽量远些；6. 对发热量较大的器件要注意散热，如大面积接地、加散热片。十小结：本次课程设计，有以下几点体会。 对MATLAB仿真软件有了进一步的了解和认识，并能用其进行一些电路的仿真； 能用PROTEL软件绘出一些原理图，设计出印制电路板； 学会了一种晶闸管的脉冲触发电路，同时对KJ004芯片有一定的认识； 对单相交流调压电路的原理和功能等有了更全面的理解；总之，这次设计对个人就相关课本知识和软件有了一次较全面的认识和提升，对今后的学习和工作有借鉴和促进作用。十一.教材及参考书1. 孙树扑等.电力电子技术.第一版中国矿业大学出版社.19992. 邵丙衡.电力电子技术第一版.
14、铁道出版社.19973. 王兆安，黄俊.电力电子技术.第四版机械工业出版社.20084. 张立.现代电力电子技术.第一版.科学出版社.19955. 周明宝.电力电子技术.第一版.机械工业出版社.19976. 叶斌.电力电子技术习题集.第一版.铁道出版社.19957. 林渭勋.现代电力电子电路.第二版.浙江大学出版社.20028. 赵良炳.现代电力电子技术基础.第一版.清华大学出版社.1995十二.附录：一种单相交流调压电路板单相通用型可控硅触发板编号：Pro200732593126型号：GBC2M-1价格：交流调压与半控整流通用厂商：GBC2M-1型GBC2M-1型单相交流调压与半控整流通用型
15、可控硅触发板是移相型的电力控制器，其核心部件采用国外生产的高性能、高可靠性的军品级可控硅触发专用集成电路。输出触发脉冲具有极高的对称性及稳定性，且不随环境温度变化，使用中不需要对脉冲对称度及限位进行调整。现场调试一般不需要示波器即可完成。* 可用于220V与380V电源频率为50HZ/60HZ电网，特殊电压要求可定制 * 采用移相式触发方式、适用于阻性负载、感性负载、变压器一次侧等各种负载类型。 * 能与国内外各种控制仪表、微机的输出信号直接接口。* 可手动电位器控制也可自动信号控制 * 宽脉冲输出更可靠，采用专用芯片，脉冲输出对称度小于0.1度。 * 具有软启动功能，减少对电网的冲击干扰，使
16、主电路更加安全可靠。 * 同步电压范围宽AC5VAC2400V。 * 可驱动各种进口国产单相可控硅硅，反并联可控硅模块，单相半控桥等组成的各种可控硅主电路形式1 负载性质它可广泛的应用于工业各领域的电压电流调节，适用于电阻性负载、电感性负载、变压器一次侧及各种整流装置等，主要应用于以下负载：*以镍铬、铁铬铝、远红外发热元件及硅钼棒、硅碳棒等为加热元件的温度控制。*盐浴炉、工频感应炉、淬火炉、熔融玻璃的温度加热控制。*整流变压器、调功机（纯电感线圈）、电炉变压器一次侧、直流电机控制。*单相电焊机、电阻焊机、点焊机控制等各种调场合。*单相风机水泵调速节能控制*电压、电流、功率、灯光等无级平滑调节2
17、 技术规格额定输入电压220V或380V、50/60Hz特殊电压要求可定制输入电压范围额定输入电压的15%可触发可控硅额定电流5A10000A负载性质阻性、一般感性、纯感性、变压器一次侧、二次侧、纯电感线圈等输入控制信号420mA010mA05V15V010v手动电位器控制过流保护输出电流1.8倍额定值时，10ms内截止输出可控硅过热保护装置温度75时，截止输出响应速度半个周波之内 10ms控制电源功率10W软启动时间060S最大外型尺寸1858535mm3 主要应用领域： 盐浴炉、工频感应炉、淬火炉温控；热处理炉温控；玻璃生产过程温控；金刚石压机加热；大功率充磁/退磁设备；半导体工业舟蒸发源；航空电源调压；真空磁控溅射电源；纺织机械；水晶石生产；粉末冶金机械；隧道电窑集散温控系统；彩色显像管生产设备；冶金机械设备；交直流电机拖动；石油化工机械；电压、电流、功率、灯光等无级平滑调节，恒压恒流恒功率控制等领域。
