单相交流调压电路设计.docx

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1、个个个个个个个个*课程设计（论文）题目：单相交流调压电路设计院（系）：专业班级：学 号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时刻：课程设计（论文）任务及评语院（系）：教研室:学号学生姓名专业班级课程设计（论文）题 目单相交流调压电路设计课程设计论文任务实现功能采用两个晶闸管反向并联后串联在单相交流电路中进行调节电压。设计任务及要求（1）确定单相交流调压电路总体设计方案及系统控制结构框图；（2）完成主电路和触发电路的分析及设计；（3）完成控制电路的设计，包括驱动电路和保护电路；（4）分析计算晶闸管的额定电压和额定电流，选择器件型号；（5）完成电压器变比的设计；计算负载阻抗角，得到控制角的移相范围；（

2、6）采用阻感负载，进行matlab软件仿真分析，设置触发角30度、60度、90 度、120；（7）撰写、打印课程设计说明书一份；字数应在4000字以上。技术参数电网电压：220V，50Hz ；阻感负载：负载电阻5 ，负载电感10mH。进度计划（1）布置任务，查阅资料，确定系统的方案（2天）（2）对系统各组成部件进行功能分析（2天）（3）系统电气电路设计及仿真调试（3天）（4）撰写、打印设计说明书（2天）（5）答辩（1天）指导教件语及成绩平时： 论文质量： 答辩：总成绩： 指导教师签字：年 月 日注：成绩：平常20%论文质量60%答辩20%以百分制计算单相交流调压电路是对单相交流电的电压进行调剂

3、的电路。用在电热操纵、交流电 动机速度操纵、灯光操纵和交流稳压器等场合。与自耦变压器调压方式相较，交流调压 电路操纵方便，调剂速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。这次设计要紧做了单相交流调压电路的触发电路与驱动电路，主电路，爱惜电路， 能较好的实现调压电路的功能。主电路用晶闸管组成。爱惜电路要紧由电压爱惜电路和 电流爱惜电路组成，触发电路用集成芯片TCA785构成。画图利用Multisim和Altium 软件，仿真软件利用Matlab/Siumlink,通过仿真分析得出单相交流调压电路电阻性负载 和阻感性负载波形的转变主若是由于电感电流不能突变引发的。关键词：交流；调压；Matla

4、b；第1章绪论11.1电力电子技术概况11.2本文研究内容1第2章课程设计的方案1概述1系统组成整体结构1第3章硬件电路设计3主电路设计3触发电路的设计4爱惜电路的设计5第4章仿真设计7仿真软件说明7仿真模型搭建7整体仿真图及器件说明8第5章仿真分析10仿真参数设置10电阻性负载10阻感性负载12第6章课程设计总结15参考文献16第1章绪论1.1电力电子技术概况电力电子线路的大体形式之一，即交流一一交流变换电路，它是将一种形式 的交流电能变换成另一种形式交流电能电路。在进行交流一一交流换流时，能够 改变交流电的电压、电流、频率或相位等。其中，只改变电压、电流，而不改变 交流频率的电路成为交流交

5、流电力操纵电路，包括交流调压电路，交流调功电路， 交流电力电子开关等；在改变电压电流的同时，不需要改变其频率的交流一一交 流变频电路成为交交变频电路，即直接把一种频率的交流变频变换成另一种频率 或可变的交流。因此，也称为直接变频电路。另外，还有一种交直交交变频电路。 先将交流整流成直流，再将直流经无缘逆变电路变换成频率可变的交流电能，这 种带有中间直流环节的变频电路也称为间接变频电路。用晶闸管组成的交流调压 操纵电路，能够方便的调剂输出电压有效值，可用于电炉控温、灯光调剂、异步 电动机的启动和调速等，也可用作调剂整流变压器一次侧电压，其二次侧为低压 大电流或高压小电流负载经常使用的这种方式。采

6、纳这种方式，可使变压器二次 侧的整流装置幸免采纳晶闸管，只需要二极管，而且可控级仅在一侧，从而简化 结构，降低本钱。交流调压器与常规的交流调压变压器相较，它的体积和重量都 小的多，交流调压器的输出仍是交流电压，他不是正弦波，其谐波分量较大，功 率因数也较低。1.2本文研究内容单相交流调压电路是对单相交流电的电压进行调剂的电路，把两个晶闸管反 并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的操纵就能够够操纵交流电力。这种 电路不改变交流电的频率，称为交流电力操纵电路，在每半个周波内通过对晶闸 管开通相位的操纵，可方便的调剂输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电 路。本文研究的交流调压电路要紧应用在电热操

7、纵、交流电动机速度操纵、交流 稳压器等场合，要紧有灯光调剂（如调光台灯、舞台灯光操纵等）温度调剂（如 工频加热、感应加热、需操纵的家用电器等），泵及风机等异步电动机的软启动， 交流电机的调压调速（如纺织、造纸、冶金等领域的调压调速）随电动机负载大 小自动调剂（关于起动机等有较长时刻空载或轻载的负荷，自动调剂可节省电能）， 变压器低级调剂（在高压小电流或低压大电流直流电源中，如采纳晶闸管相孔整 流电路，需要很多晶闸管串联或并联，若采纳交流调压电路在变压器低级调压， 其电压电流值都比较合理，在变压器次级只要用二极管整流即可，从而达到减少 体积、降低本钱的目的）。第2章课程设计的方案概述本次设计主若

8、是综合应用所学知识，设计出单相交流调压电路，并在实践的 大体技术方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“电力电子技术” 课程中所学的大体理论和大体方式，并初步把握简易整流系统设计的大体方式。 应用处合：电热操纵、交流电动机速度操纵、灯光操纵和交流稳压器等场合。系统功能介绍：通过调剂触发角的大小，能够实现对输入的电网电压的调剂， 达到咱们所希望的电压值024V。系统组成整体结构触发电路图整体电路设计框图整个设计要紧分为主电路，触发电路，爱惜电路。触发电路由集成触发器组成， 用来触发晶闸管的导通来实现主电路的正常工作，其中的爱惜电路主若是对晶闸 管的过流及过压爱惜。晶闸管触发电路的作用是产

9、生符合要求的门极触发脉冲， 保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通，交流电源电压为220V。当接通电源时， 单相桥式全控整流电路主电路通电，同时通过同步电路连接的触发电路也通电工作，形成触发脉冲，使主电路中晶闸管触发导通工作。第3章硬件电路设计主电路设计图主电路图3-1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操纵，能够方便地调剂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形和负载有专门大关系，因此别离进行讨 论。单相交流调压负载在电阻负载时，晶闸管的导通角只与操纵角a有关,别离对 两个晶闸管的开通角进行操纵就能够够调剂输出电压。

10、正负半周起始时刻(a =0) 均为电压过零时刻,在稳态情形下，应使正负半周的a相等。a的移相范围应为0 an。对触发脉冲的要求除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转变，晶闸管不能当即关断,导电时刻延长，现在，晶闸 管的导通角不但与操纵角a有关，还与负载的阻抗角祖二arctan(wL/R)有关。当 祖an时,两个晶闸管VT1和VT2得导通角a均小于n ,且a越小，。越大。现在 能够进行正常交流调压，输出电流既不持续也非正弦。当a二祖时，。二n,电流波形 为正弦波。当0Wa祖时，假设某一

11、时刻触发VT1,则VT1的导通时刻将超过。到 wt=n + a时刻触发VT2时，由于电感的作用，负载电流尚未过零，VT1仍在导通, VT2可不能当即开通。直到负载电流过零后，若是VT2的触发脉冲有足够的宽度而 尚未消失，VT2开通,但其导通时刻将小于n。但如果是触发脉冲宽度不够，负载 电流过零时触发脉冲已经消失VT2将无法开通，造成每一个周期VT1导通一次而 VT2始终无法导通，负载电流中有半周。这会产生专门大的直流分量而危及负载， 同时对电网也带来不利阻碍，为保证单项交流调压电路在阻感负载时能正常工作， 其触发脉冲的宽度必需大于。-祖，因此所采纳的触发电路必需输出宽脉冲或脉冲 列。触发电路的

12、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 的时刻由阻断转为导通，广义上讲，晶闸管触发电路往往还会包括对其触发时刻 进行操纵的相位操纵电路，但那个地址专指脉冲的放大和输出环节，晶闸管触发 电路应知足以下环节：1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管靠得住导通，对反电动势 负载的变流器应采纳宽脉冲或脉冲列触发；2）脉冲触发应有足够的幅度，对户外 严寒场合，脉冲电流的幅度应增加为器件最大触发电路的35倍，脉冲前沿的陡 度也会增加，一样需达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、和额定功率，且在门极伏安特性的靠得住触发区域之内；4）应有抗干 扰性能、

13、温度稳固性及与主电路的电气隔离。依照以上要求分析，采纳TCA785移相触发器进行触发电路的设计。电路图如 下图所示：图触发电路TCA785是西门子公司开发的第三代单片移向触发，与其它芯片相较TCA785 具有温度适用范围宽，对过零点时识别加倍靠得住，输出脉冲的整齐度更好，移 向范围更宽等优势。另外，由于它输出的脉冲的宽度可手动自由调剂，因此适用 范围更普遍。TCA的大体设计特点有：能靠得住地对同步交流电源的过零点进行 识别，因此可方便地用作过零触发而组成零点开关；它具有宽的应用范围，可用 来触发一般晶闸管Z快速晶闸管Z双向晶闸管及作为功率晶体管的操纵脉冲，故 可用于由这些电力电子器件组成的单管

14、斩波Z单相半波Z半控桥Z全控桥或三相 半控Z全控整流电路及单相或三相逆变系统或其它拓扑结构电路的变流系统；它 的输入、输出与CMOS及TTL电平兼容，具有较宽的应用电压范围和较大的负载 驱动能力，每路可直接输出250mA的驱动电流；其电路结构决定了自身锯齿波电 压的范围较宽，对环境温度的适应性较强，可应用于较宽的环境温度范围。爱惜电路的设计在设计电路中，除电力电子器件参数选择适合，驱动电路设计良好外，采纳 适合的过电压爱惜，过电流爱惜du / dt爱惜和di/ dt的爱惜也是必要的。过电压爱惜电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外过 电压要紧来自雷击和系统中的操作进程

15、等外部缘故： 操作过电压：由分闸，合 闸等开关操作引发的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合， 或由变压器绕组之间存在的散布电容静电感应耦合过来。 雷击过电压：由雷击 引发的过电压。爱惜电路如图所示。图 过电压爱惜电路设计内因过电压要紧来自电力电子装置内部器件的开关进程，包括： 换相过电 压：由于晶闸管或与全控型器件反并联的续流二极管在换相终止后不能立刻恢复 阻断能力，因此有较大的反向电流流过，使其残余的载流子恢复，当恢复了阻断 能力时，反向电流急剧减小，如此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头产生过电压。 关断过电压：全控型 器件在

16、较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电压在 器件两头感应出的过电压。过电流爱惜电路运行不正常或发生障碍时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两 种情形。图中给出了爱惜方法，其中快速熔断器，直流快速熔断器和过电容继电 器是经常使用方法，我采纳的是快速熔断器爱惜方法。在选择快速熔断器时应考 虑：（1）电压品级应依照熔断后快熔实际经受的电压来确信。 电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确信。快熔一 样与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串联与阀侧交流母线或直流 母线中快熔的I2t值应小于被爱惜器件的许诺I2t值。为保证熔体在正常过载情形下不熔化，应考虑其

17、时刻-电流特性。变压器电子保护电路图过流爱惜方法及配置位置熔对器件的爱惜方式可分为全爱惜和短路爱惜。全爱惜是指不论过载仍是短路均 由快熔进行爱惜。短路爱惜是指快熔只在短路电流较大的区域内起爱惜作用。对 一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或工作频率较高，很难用快熔熔断爱惜 的全控型器件，需要采纳电子电路进行爱惜。第4章仿真设计仿真软件说明Matlab是现今最流行的软件，良好的开放性使它能紧跟科技进展的前沿，成 为科技开发的有力工具。Simulink软件包是Matlab环境下的仿真工具，其形象、 便利的建模与仿真功能深受用户欢迎。仿真模型搭建仿真流程图针对要完成的工作任务，把仿真设计为4个时期，

18、具体流程见图1图仿真进程流程图仿真图设计(系统建模)可视化图形仿真功能是在Simulink环境下进行的。进入Matlab系统后打开 模块库阅读窗口，用鼠标左键双击其中的Power System Blocks即可弹出电力系统 工具箱模块库，它包括连接元件库(Connectors),电源库(Electrical Sources), 大体元件库(Elements),其它元件库(Extra Library),电机元件库(Machines),测 量元件库(Lvbasure ments)和电力电子元件库(Power Electronics)。这些模块库 包括了大多数经常使用电力系统元件的模块。利用这些库模

19、块及其它库模块，用户 可方便、直观地成立各类系统模型。用户参数设计在Simulation/Paeameters选项中，可设置仿真时刻范围、仿真步长模式、仿 真精度、仿真的输出选项、工作空间输入输出、调试异样处置方式等。模型图的优化配置绘制较复杂的系统框图时，可通过模块的翻转、走线的布置、模块和连线的标 注、显示模块阴影、给模块图增加颜色、改变模型图中的字体等操作使框图优美 清楚,增强系统模型图的可读性。模块的合成、创建与封装进行复杂的Simulink仿真时，可将一些一起功能的模块合成1个，为以后的仿 真提供便利。能够利用Edit/Create Subsystem菜单项来组合功能模块，用Conn

20、ection 标准库中的Subsystem模块来创建新模块，然后利用Edit/Marj Subsystem菜单项来 进行模块的封装,并把封装好的模块放入模块库中，以备进一步设计时利用。整体仿真图及器件说明依照原理图用Matalab软件画出正确的仿真电路图如图图所示LJ:诂二IU1-FuLv一孑图仿真电路图在仿真中要用到的仿真器件名称及用途如下所示序号兀器件（模块名）用途1AC Voltage交流电压源2Thyristor晶闸管，用于调压3Series of RLC branch串联RLC支路，设置负载 类型4Pulse Generator脉冲发生器，产生触发脉 冲5Voltage measur

21、ement电压表6Current measurement电流表7Scope示波器第5章仿真分析仿真参数设置设置触发脉冲别离为30、60、120。对应的Pulse Generator的延迟时刻计算公式为Time二工* 0.01，那个地址之因此是而不是是因为在晶闸管的经 180受正压的半个周期就应该有一个触发脉冲。Series of RLC branch设置为5Q,10mH, inf。仿真起始时刻，终止时刻。电阻性负载Series of RLC branch设置为5Q, 0, inf。仿真起始时刻，终止时刻。别离计 算出触发角为30, 60, 90, 120，的Pulse Generator的延迟

22、时刻以后开 始仿真，取得的波形如图5-1,图5-2,图5-3，图5-4所示。在每一张图的上面 为负载电压波形图，下面为负载电流波形图。电源电压U2、正半周开始时触发 VT1,负半周开始时触发VT2,形成一个无触点开关。在触点两头将取得一电压Uo。 若正负半周以一样的移相角a触发VT,和 VTz，则负载电压Ud的有效值将随a角 改变而改变,实现交流调压。因为是电阻性负载，因此电流波形和电压波形完全一 致。图5-1串联RLC在30度调压角时的电压电流波形（电阻负载）Tiirik offsst G图5-2串联RLC在60度调压角时的电压电流波形（电阻负载）图5-3串联RLC在90度调压角时的电压电流

23、波形（电阻负载）图5-4串联RLC在120度调压角时的电压电流波形（电阻负载）阻感性负载Series of RLC branch设置为5Q, 10mH, inf。仿真起始时刻，终止时刻。别离计算出触发角为30，60，90，120，的Pulse Generator的延迟时 刻以后开始仿真，取得的波形如图5-5,图5-6,图5-7,图5-8所示。在每一张 图的上面为负载电压波形图，下面为负载电流波形图。电源电压。二、正半周开 始时触发VT1,负半周开始时触发VT2,形成一个无触点开关。在触点两头将取得一 电压Uo。若正负半周以一样的移相角a触发VT，和VTz,则负载电压Ud的有效值 将随a角改变而

24、改变，实现交流调压。因为是阻感性负载，因此电流波形和电压 波形不一样，主若是因为有电感的存在，电流不能突变引发的。图5-5串联RLC在30度调压角时的电压电流波形（阻感负载）图5-6串联RLC在60度调压角时的电压电流波形（阻感负载）图5-7串联RLC在90度调压角时的电压电流波形（阻感负载）图5-8串联RLC在120度调压角时的电压电流波形（阻感负载）第6章课程设计总结通过电力电子技术课程设计我加深了对讲义专业知识的明白得平常都是理论 知识的学习在这次课程设计中真正做到了自己查阅资料完成一个大体汇编程序的 设计。在这次的设计进程中我更进一步地熟悉了单相交流调压电路的原理和触发 电路的设计。固

25、然，在那个进程中我也碰到了困难，通过查阅资料，彼此讨论， 我准确地找犯错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收成，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 使我知道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试探的能力。在设 计的进程中不免会碰到过各类各样的问题，同时在设计的进程中发觉了自己的不 足的地方对以前所学过的知识明白得得不够深刻，把握得不够牢固，通过这次课 程设计，把以前所学过的知识从头温故，巩固了所学的知识。参考文献1 王兆安，刘进军.电力电子技术(第5版).北京

26、：机械工业出版社.2 陈桂明.利用MATLAB建模与仿真M.北京:科学出版社,2001.3 华亮，沈申生，胡香龄.Matlab/Simulink在单相交流调压电路仿真中的应用电力学报：20053 罗文军，何玉林.单相交流调压电路的MTLB仿真，昆明冶金高等专科学校学 报：20054 陈楠楠.触发电路的性能分析及比较，电子工业专用设备：20135 黄东强，孙新民，刘学东单相单脉冲触发电路设计.河北理工学院学报，20076 张红勇，周永清，单相交流调压电路触发角与负载的关系.电子工业专用设 备，20127 白雪峰，李 沛，单相交流调压电路实验装置的研制.实验技术与管理，20078 江智军，赵江球，

27、伍怡兴，一种改良的晶闸管触发电路研究.通信电源技术， 20079 陈强.三相桥式全控整流及单相交流调压实验装置的研制J.实验技术与 治理,2002,19(6):35-38.10 罗朝显，等.数字模拟集成触发器TCA785的要紧功能及应用方式J.基础自 动化，1997:3538.11 尹克宁.电力工程.中国电力出版社2008.12 林渭勋.现代电力电子技术.机械工业出版社2006.13 杨佳许强.操纵系统MATLAB.清华大学出版社2002.14 莫正康.电力电子技术.机械工业出版社2000.15 耿大勇，贾丹，李振刚编基于SIMULINK异步电动机软起动操纵系统的仿 真J 辽宁工学院学报2006 26(3): 141-144