1、1 交流调压主电路设计及分析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大电流之流电源中，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
2、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 反电势电阻负载单相交流调压电路图图 2 输入输出电压及电流波形图正、负半周 起始时刻（ =0），均为电压过零时刻。在 时，对 tVT1 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 时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1 自然关t断。在 时，对 VT2 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 时，电源电压过零，VT2 自然关断。2t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 的大
3、小，不但与控制角 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 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
4、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。KCO5 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：图 3 KC05 引脚图KC05 触发芯片具有锯齿波形好，移相范围宽，控制方式简单，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
5、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：图 4 单相交流调压触发电路原理图3 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，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
6、压和内因过电压两类。3.1.1 外因过电压外因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。3.1.2 内因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
7、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
8、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。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
9、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10R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 交流调压电路参数设定与计算4.1 交流调压变流器参数设定：要求触发角为 45 度，反电势负载 E=40 伏，输入交流 U2=210 伏。分有 LB和没有 LB 两种情况分析，L 足够大，C 足够大。4.2 交流调压变流器电路分析：在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
10、 U2 的正半周和负半周，分别对 VT1 和 VT2 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。在稳态情况下应是正负半周的相等，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。4.3 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 ，分有 LB 和没有 LB 两种情况分析。当没有漏感 LB 时，设上述电路在开通角为 时，负载电压的有效值为U0、负载电流有效值为 I0、晶闸管电流有效值为 IVT 和电路功率因数为 。根据公式计算得出如下结果：(1)201.87V)(sin2(120 tdtUU=2.02A (2)RI0
11、=IVT= 1.43A (3)=)(sin2(1+2wtdt=0.961 (4)02=IUSP当考虑漏感 LB 时，实际上变压器绕组总有漏感。由于电感对电流变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因而换相过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间。下面分析漏感 LB 在换相过程中对相关参数的影响。换相过程中，输出电压瞬时值为(5)由此可知，在换相过程中，整流电压 U d 为同时的两个晶闸管随对应的两个相电压的平均值。与不考虑变压器漏感时相比，每次换相 U d 减少了一块，导致 U d 平均是减低，降低多少用 U d 表示，称为换相压降。(6)其中 XB=w LB。XB 为漏感 LB 的变压器折算到二次项的
12、漏电抗。同时我们可以得到换相重叠角 ，通过下式可得到。(7)换相重叠角 随其它参数变化的规律如下：当 Id 越大时则 越大；当 XB 越 大时 越大；当 =90时， 越小则 越大。漏感对电路影响结果分析如下： （1） 出现换相重叠角 ，整流输出电压平均值 Ud 降低。2cos()dBIXUBXI2kkdBBiiabaLbLdtt（2） 整流电路的工作状态增多（3） 晶闸管的 di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的 di/d t。（4） 换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的 du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。（5） 换相使电网电压出现缺口，
13、成为干扰源。4.4 单相交流调压电路的谐波分析：单相交流调压电路的负载电压和负载电流均不是正弦波，含有大量谐波。下面以电阻负载为例，对负载电压 U0 进行谐波分析。由于波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波。5 应用举例现代生活中交流调压电路应用已经比较广泛,涉及到很多方面。 交流调压电路简单,调节方便,缺点是输出电压和负载电流脉动大。主要用于电热控制、交流电动机速度控制、灯光调节和交流稳压器场合。与自耦变压器调压方法相比,交流调压电路控制方便,调节具有速度快,质量轻、体积小等特点。5.1 交流调压在矿山牙轮钻上的应用在进口牙轮钻上用启动转矩大的绕线式异步电动机(无调速)取代原损坏的交流
14、双定子电机调速。此种电机采用转速、电流双闭环的交流调压调速系统,其应用的触发器集成度高、可靠性强,通过现场使用表明:牙轮钻工作可靠、维护方便,提高了生产率,深受现场工程技术人员和工人师傅的好评。5.2 交流调压在低速风洞中的应用交流调压调速是把晶闸管反并连结，通过调节晶闸管的触发角，改变异步电动机端电压实现调速，适用于中、小型低速风洞的动力系统。风机、水泵应用调压调速自动控制，可取得明显的节能效果，是适合当前国情的节能技术之一。6 设计小结与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
15、。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
16、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。7 参考文献1 王云亮.电力电子技术.北京：电子工业出版社，2004 2 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
