单相交流调压电路设计.docx
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单相交流调压电路设计
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单相交流调压电路设计（总22页）
********大学
*********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）
起止时间：
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；
（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）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
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。
这次设计主要做了单相交流调压电路的触发电路与驱动电路，主电路，保护电路，能较好的实现调压电路的功能。
主电路用晶闸管组成。
保护电路主要由电压保护电路和电流保护电路组成，触发电路用集成芯片TCA785构成。
画图使用Multisim和Altium软件，仿真软件使用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变化主要是由于电感电流不能突变引起的。
关键词：
交流；调压；Matlab；
第1章绪论
电力电子技术概况
电力电子线路的基本形式之一，即交流——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——交流换流时，可以改变交流电的电压、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流电力控制电路，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——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控制电路，可以方便的调节输出电压有效值，可用于电炉控温、灯光调节、异步电动机的启动和调速等，也可用作调节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常用的这种方法。
采用这种方法，可使变压器二次侧的整流装置避免采用晶闸管，只需要二极管，而且可控级仅在一侧，从而简化结构，降低成本。
交流调压器与常规的交流调压变压器相比，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。
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节的电路，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，可方便的调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。
本文研究的交流调压电路主要应用在电热控制、交流电动机速度控制、交流稳压器等场合，主要有灯光调节（如调光台灯、舞台灯光控制等），温度调节（如工频加热、感应加热、需控制的家用电器等），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节（对于起动机等有较长时间空载或轻载的负荷，自动调节可节省电能），变压器初级调节（在高压小电流或低压大电流直流电源中，如采用晶闸管相孔整流电路，需要很多晶闸管串联或并联，若采用交流调压电路在变压器初级调压，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、降低成本的目的）。
第2章课程设计的方案
概述
本次设计主要是综合应用所学知识，设计出单相交流调压电路，并在实践的基本技能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”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握简易整流系统设计的基本方法。
应用场合:
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。
系统功能介绍:
通过调节触发角的大小，可以实现对输入的电网电压的调节，达到我们所希望的电压值0~24V。
系统组成总体结构
图总体电路设计框图
整个设计主要分为主电路，触发电路，保护电路。
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，其中的保护电路主要是对晶闸管的过流及过压保护。
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，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α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（α=0）均为电压过零时刻,在稳态情况下,应使正负半周的α相等。
α的移相范围应为0<α<π。
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α有关,还与负载的阻抗角ф=arctan（wL/R）有关。
当ф<α<π时,两个晶闸管VT1和VT2得导通角α均小于π,且ɑ越小,θ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ɑ=ф时,θ=π,电流波形为正弦波。
当0≤ɑ<ф时,假设某一时刻触发VT1,则VT1的导通时间将超过。
到wt=π+α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不会立即开通。
直到负载电流过零后,如果VT2的触发脉冲有足够的宽度而尚未消失,VT2开通,但其导通时间将小于π。
但如果触发脉冲宽度不够，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。
这会产生很大的直流分量而危及负载，同时对电网也带来不利影响，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须大于θ-ф，因此所采用的触发电路必须输出宽脉冲或脉冲列。
触发电路的设计
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以下环节：
1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，对反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发；2）脉冲触发应有足够的幅度，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路的3—5倍，脉冲前沿的陡度也会增加，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、和额定功率，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；4）应有抗干扰性能、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是德国西门子公司开发的第三代晶闸管单片移向触发集成电路，与其它芯片相比TCA785具有温度适用范围宽，对过零点时识别更加可靠，输出脉冲的整齐度更好，移向范围更宽等优点。
另外，由于它输出的脉冲的宽度可手动自由调节，所以适用范围更广泛。
TCA的基本设计特点有：
能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，因而可方便地用作过零触发而构成零点开关；它具有宽的应用范围，可用来触发普通晶闸管Z快速晶闸管Z双向晶闸管及作为功率晶体管的控制脉冲，故可用于由这些电力电子器件组成的单管斩波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。
保护电路的设计
在设计电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护du／dt保护和di／dt的保护也是必要的。
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因过电压两类。
外过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因：
操作过电压：
由分闸，合闸等开关操作引起的过电压，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分布电容静电感应耦合过来。
雷击过电压：
由雷击引起的过电压。
保护电路如图所示。
图过电压保护电路设计
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：
换相过电压：
由于晶闸管或者与全控型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，使其残存的载流子恢复，当恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，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。
关断过电压：
全控型器件在较高频率下工作，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端感应出的过电压。
过电流保护
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况。
图中给出了保护措施，其中快速熔断器，直流快速熔断器和过电容继电器是常用措施，我采用的是快速熔断器保护措施。
在选择快速熔断器时应考虑：
电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。
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定。
快熔一般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值应小于被保护器件的允许I2t值。
为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。
图过流保护措施及配置位置
熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护。
全保护是指不论过载还是短路均由快熔进行保护。
短路保护是指快熔只在短路电流较大的区域内起保护作用。
对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高，很难用快熔熔断保护的全控型器件，需要采用电子电路进行保护。
第4章仿真设计
仿真软件说明
Matlab是当今最流行的软件,良好的开放性使它能紧跟科技发展的前沿,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、便捷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个阶段,具体流程见图1
图仿真过程流程图
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系统后打开模块库浏览窗口,用鼠标左键双击其中的PowerSystemBlocks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（ElectricalSources）,基本元件库（Elements）,其它元件库（ExtraLibrary）,电机元件库（Machines）,测量元件库（Lvbasurements）和电力电子元件库（PowerElectronics）。
这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。
利用这些库模块及其它库模块,用户可方便、直观地建立各种系统模型。
用户参数设计
在Simulation/Paeameters选项中,可设置仿真时间范围、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、调试异常处理方式等。
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,使框图优美清晰,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,可将一些共同功能的模块合成1个,为以后的仿真提供便利。
可以利用Edit/CreateSubsystem菜单项来组合功能模块,用Connection标准库中的Subsystem模块来创建新模块,然后利用Edit/MarjSubsystem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,以备进一步设计时使用。
整体仿真图及器件说明
根据原理图用Matalab软件画出正确的仿真电路图如图图所示
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
元器件（模块名）
用途
1
ACVoltage
交流电压源
2
Thyristor
晶闸管，用于调压
3
SeriesofRLCbranch
串联RLC支路，设置负载类型
4
PulseGenerator
脉冲发生器，产生触发脉冲
5
Voltagemeasurement
电压表
6
Currentmeasurement
电流表
7
Scope
示波器
第5章仿真分析
仿真参数设置
设置触发脉冲分别为30°、60°、120°。
对应的PulseGenerator的延迟时间计算公式为Time=
，这里之所以是而不是是因为在晶闸管的承受正压的半个周期就应该有一个触发脉冲。
SeriesofRLCbranch设置为5Ω，10mH，inf。
仿真起始时间，结束时间。
电阻性负载
SeriesofRLCbranch设置为5Ω，0，inf。
仿真起始时间，结束时间。
分别计算出触发角为30°，60°，90°，120°，的PulseGenerator的延迟时间之后开始仿真，得到的波形如图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。
在触点两端将获得一电压Uo。
若正负半周以同样的移相角α触发VT,和VTz,则负载电压Ud的有效值将随α角改变而改变,实现交流调压。
因为是电阻性负载，所以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）
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
SeriesofRLCbranch设置为5Ω，10mH，inf。
仿真起始时间，结束时间。
分别计算出触发角为30°，60°，90°，120°，的PulseGenerator的延迟时间之后开始仿真，得到的波形如图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。
在触点两端将获得一电压Uo。
若正负半周以同样的移相角α触发VT,和VTz,则负载电压Ud的有效值将随α角改变而改变,实现交流调压。
因为是阻感性负载，所以电流波形和电压波形不一样，主要是因为有电感的存在，电流不能突变引起的。
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。
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