電力電子課程設計--晶閘管交流調壓與調功電路設計

1、<p>　　信息工程課程設計報告書</p><p>　　課 程 名 稱 電力電子技術 </p><p>　　課程設計總評成績 </p><p>　　學生姓名、學 號 </p><p>　　學 生 專 業(yè)

2、班級 自動化1092 </p><p>　　指 導 教 師 姓名 </p><p>　　課程設計起止日期 2011.12.26--2011.12.30 </p><p><b>　　課程設計基本要求</b></p><p>　　課程設計是工科

3、學生十分重要的實踐教學環(huán)節(jié)，通過課程設計，培養(yǎng)學生綜合運用先修課程的理論知識和專業(yè)技能，解決工程領域某一方面實際問題的能力。課程設計報告是科學論文寫作的基礎，不僅可以培養(yǎng)和訓練學生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達能力，也是規(guī)范課程設計教學要求、反映課程設計教學水平的重要依據。為了加強課程設計教學管理，提高課程設計教學質量，特擬定如下基本要求。</p><p>　　1. 課程設計教學一般可分為設計項目的選題、

4、項目設計方案論證、項目設計結果分析、答辯等4個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都應有一定的考核要求和考核成績。</p><p>　　2. 課程設計項目的選題要符合本課程設計教學大綱的要求，該項目應能突出學生實踐能力、設計能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；該項目有一定的實用性，且學生通過努力在規(guī)定的時間內是可以完成的。課程設計項目名稱、目的及技術要求記錄于課程設計報告書一、二項中，課程設計項目的選題考核成績占10%左右。</p>

5、<p>　　3. 項目設計方案論證主要包括可行性設計方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖。項目設計方案論證內容記錄于課程設計報告書第三項中，項目設計方案論證主要考核設計方案的正確性、可行性和創(chuàng)新性，考核成績占30%左右。</p><p>　　4. 項目設計結果分析主要包括項目設計與制作結果的工藝水平，項目測試性能指標的正確性和完整性，項目測試中出現故障或

6、錯誤原因的分析和處理方法。項目設計結果分析記錄于課程設計報告書第四項中，考核成績占25%左右。</p><p>　　5. 學生在課程設計過程中應認真閱讀與本課程設計項目相關的文獻，培養(yǎng)自己的閱讀興趣和習慣，借以啟發(fā)自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻閱讀摘要記錄于課程設計報告書第五項中，考核成績占10%左右。</p><p>　　6. 答辯是課程設計中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設計指導教師向

7、答辯學生提出2～3個問題，通過答辯可進一步了解學生對課程設計中理論知識和實際技能掌握的程度，以及對問題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績占25%左右。</p><p>　　7.學生應在課程設計周內認真參加項目設計的各個環(huán)節(jié)，按時完成課程設計報告書交給課程設計指導教師評閱。課程設計指導教師應認真指導學生課程設計全過程，認真評閱學生的每一份課程設計報告，給出課程設計綜合評閱意見和每一個環(huán)節(jié)的評分成績（百分制），最后

8、將百分制評分成績轉換為五級分制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）總評成績。</p><p>　　8. 課程設計報告書是實踐教學水平評估的重要資料，應按課程、班級集成存檔交實驗室統(tǒng)一管理。</p><p>　　一、課程設計項目名稱</p><p>　　晶閘管交流調壓與調功電路設計</p><p>　　二、項目設計目的及技術要求</p>

9、;<p><b>　　設計目的</b></p><p>　　設計單相或三相交流調壓調功器的主電路及其控制保護電路。</p><p>　　技術要求及初始條件：</p><p>　　電源為工頻380/220V，阻性負載R＝4Ω,交流輸出0-220V可調。采用單相或三相交流調壓與調功主電路。</p><p>&l

10、t;b>　　設計任務: </b></p><p>　　1.交流調壓與調功主電路的設計。</p><p>　　2. 觸發(fā)電路的設計（如KJ004集成觸發(fā)器）。</p><p>　　3.分析系統(tǒng)不同負載下的電流、電壓波形及相控特性。</p><p>　　4.針對電阻爐負載分析系統(tǒng)的過零控制特性。</p><p

11、>　　5.提供電路圖紙一張。</p><p><b>　　設計要求: </b></p><p>　　1．對系統(tǒng)設計方案的先進性、實用性和可行性進行論證，說明系統(tǒng)工作原理。</p><p>　　2. 畫出單元電路圖，說明工作原理，給出系統(tǒng)參數計算過程。</p><p>　　3. 對項目設計結果進行分析。</p&

12、gt;<p>　　3. 畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準。</p><p>　　4.課程設計說明書應嚴格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅決杜絕抄襲，雷同現象。</p><p>　　三、項目設計方案論證(可行性方案、最佳方案、軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖)</p><p>　　1、調壓調功原理簡介</p>&l

13、t;p>　　把兩個晶閘管反并聯后串聯在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電力控制電路。</p><p>　　在每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制可以方便地調節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調壓電路。</p><p>　　交流調功電路和交流調壓電路的電路形式完全相同，只是控制方式不同。</p><p>

14、　　交流調功電路不是在每個交流電源周期都通過觸發(fā)延遲角α對輸出電壓波形進行控制，而是將負載與交流電源接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變接通周波數與斷開周波數的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率。</p><p><b>　　2、設計方案選擇 </b></p><p>　　2.1交流調壓電路的設計</p><p>　　根據項目設計的技術要求可

15、以知道，方案可選用電阻性負載或阻感性負載。</p><p>　　方案一：采用電阻性負載，電路由電阻和兩個晶閘管反并聯組成。</p><p>　　2.1.1原理分析：</p><p>　　圖1為電阻負載單相交流調壓電路圖及其波形。圖中的晶閘管VT1和VT2也可以用一個雙向晶閘管代替。在交流電源u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的開通角α進行控制就可以調節(jié)輸出電

16、壓。正負半周α起始時刻（α=0）均為電壓過零時刻，穩(wěn)態(tài)時，正負半周的α相等?？梢钥闯?，負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（也即電源電流）和負載電壓的波形相同，因此通過觸發(fā)延遲角α的變化就可實現輸出電壓的控制。</p><p>　　圖1 電阻負載單相交流調壓電路及其波形</p><p>　　2.1.2 計算與分析</p><p><b>　　負載電

17、壓有效值：</b></p><p>　　故移相范圍為0≤α≤π。α=0時，輸出電壓為最大， U0=U1。隨著α的增大，U0降低，當α=π時，U0=0。</p><p><b>　　負載電流有效值：</b></p><p><b>　　晶閘管電流有效值：</b></p><p><b

18、>　　功率因數：</b></p><p>　　α=0時, 功率因數λ=1, α增大,輸入電流滯后于電壓且畸變,λ降低。</p><p>　　方案二：采用阻感性負載，電路由電阻、電感和兩個晶閘管反并聯組成。</p><p>　　2.2.1 原理分析</p><p>　　圖2為帶阻感負載的單相交流調壓電路圖及其波形。</p

19、><p>　　設負載的阻抗角為φ=arctan(wL / R)。如果用導線把晶閘管完全短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流應是正弦波，其相位滯后于電源電壓u1的角度為φ。在用晶閘管控制時，由于只能通過出發(fā)延遲角α推遲晶閘管的導通，所以晶閘管的觸發(fā)脈沖應在電流過零點之后，使負載電流更為滯后，而無法使其超前。為了方便，把α=0的時刻仍定義在電源電壓過零的時刻，顯然，阻感負載下穩(wěn)態(tài)時α的移相范圍為φ ≤ α ≤π。但α<φ時，電路并

20、非不能工作，后面第三小節(jié)會分析此種情況。 </p><p>　　圖2 阻感負載單相交流調壓電路及其波形

21、</p><p>　　2.2.2 計算與分析</p><p>　　當在ωt=α時刻開通晶閘管VT1，負載電流應滿足如下微分方程式和初始條件：</p><p><b>　　解方程得：</b></p><p>　　式中，；θ為晶閘管導通角。</p><p>　　利用邊界條件：時，可求得：</p&

22、gt;<p>　　以φ為參變量，利用上式可以把α和θ的關系用圖的一簇曲線來表示，如圖3所示。VT2導通時，上述關系完同，只是io極性相反，相位差180°</p><p><b>　　負載電壓有效值：</b></p><p>　　晶閘管電流有效值為：圖3 以α為參變量的θ和α關系曲線</p><p><b&

23、gt;　　負載電流有效值： </b></p><p>　　設晶閘管電流的標么值為：</p><p>　　則可繪出和α的關系曲線，如圖4所示。</p><p>　　圖4 單相交流調壓電路φ為參變量時和α的關系曲線</p><p>　　2.2.3 α<φ的情況</p><p>　　如前圖3所示，α越小，θ

24、越大；α繼續(xù)減小到α<φ時，觸發(fā)VT1，則VT1的導通時間將超過π。因為VT1提前導通，L被過充電，放電時間延長， VT1的導通角超過π。觸發(fā)VT2時， i0尚未過零， VT1仍導通， VT2不通；i0過零后， VT2開通， VT2導通角小于π，過渡過程和帶R-L負載的單相交流電路在ωt = (α<φ)時合閘的過渡過程相同，i0由兩個分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數衰減分量。衰減過程中， VT1導通時間漸短， VT2的導通時間漸

25、長，其穩(wěn)態(tài)的工作情況和α=φ時完全相同。α<φ時工作波形如圖5所示。 </p><p>　　從方案一可以看出，隨著α角的增大，U0逐漸減少。當α=π時，U0=0。因此，單相交流調壓器對于電壓負載，其電壓可調范圍為0～U1，控制角α移相范圍為0～π。負載電流基波和各次諧波有效值是隨著諧波次數ｎ的增加，諧波含量減少。</p><p>　　從方案二可以看出，在電感負載時，要實現交流調壓的

26、目的，最小控制角α=φ（負載功率因素角），所以α的移相范圍為φ～180°。負載電流基波和各次諧波有效值是隨著諧波次數n的增加，諧波含量減少，并且阻感性負載電流諧波相對少些。</p><p>　　綜合兩種方案：電阻性負載和阻感性負載都具有調壓功能，都能調壓到設計電壓調壓范圍內，但是電阻性負載諧波電流含量要多些。當α相同時，阻感負載阻抗角增大，諧波含量也有所減少。考慮到性能指標、輸出電壓的穩(wěn)定性、對電網的影

27、響，所以選擇方案二阻感性負載。</p><p>　　3.1 主電路的設計</p><p>　　3.1.1 主電路圖</p><p>　　電路為工頻50HZ,220V交流電輸入，負載為R＝4Ω，L＝2mH的阻感負載。故主電路圖如下圖：</p><p><b>　　圖6 主電路圖</b></p><p&g

28、t;　　3.1.2 參數計算</p><p>　　此單相交流調壓電路的負載阻抗角為：</p><p>　　由圖4知，一定時，越小，越大，即越大。當時，不變，為最大值0.5。故可求出晶閘管電流有效值的最大值：</p><p>　　晶閘管的額定電流為：</p><p>　　晶閘管承受的最大反向電壓為：</p><p>　　

29、所以考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：</p><p>　　因此，依據以上參數選擇晶閘管，比如，可以選用額定電壓為800V，額定電流為200A的晶閘管。</p><p>　　3.2 觸發(fā)電路的設計</p><p>　　3.2.1 芯片介紹</p><p>　　觸發(fā)單元以前都是由分立元件構成的，它的控制精度查，可靠性低，不便于維修，因此，觸發(fā)電

30、路集成化非常必要?？煽毓枰葡嘤|發(fā)器KJ004，與分立元件組成的觸發(fā)電路相比，具有移相線性好、移相范圍寬、溫漂小、可靠性高、相位不均衡度小等優(yōu)點。KJ004芯片其內部原理圖如下：</p><p>　　圖7 KJ004內部原理圖</p><p>　　該電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏移電壓、移電壓綜合比較放大電路和功相率放大電路四部分組成。</p><p>　　K

31、J004封裝形式：</p><p>　　該電路采用雙列直插C—16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝，外型尺寸按電子工業(yè)部部頒標準?！栋雽w集成電路外型尺寸》SJ1100—76</p><p>　　KJ004的管腳功能如表1所示。 圖8 KJ004封裝引腳圖</p><p>　　表1 KJ004的各管腳功能</p><p&

32、gt;　　3.2.2 觸發(fā)電路圖</p><p>　　由于交流調壓調功電路中只用到兩個晶閘管，而KJ004有兩個輸出口，故用一片KJ004即可。由KJ004的典型連接圖畫得此次觸發(fā)電路如下圖。</p><p>　　圖9 觸發(fā)單元接線圖</p><p>　　其中，同步串聯電阻R4的選擇按下式計算：</p><p>　　這里R4選用15KΩ。&l

33、t;/p><p><b>　　電路原理：</b></p><p>　　鋸齒波的斜率決定于外接R6、RW1流出的充電電流和積分C1的數值。對不同的移項控制V1，只有改變R1、R2的比例，調節(jié)相應的偏移VP。同時調整鋸齒波斜率電位器RW1，可以使不同的移相控制電壓獲得整個范圍。觸發(fā)電路為正極性型，即移相電壓增加，導通角增大。R8和C2形成微分電路，改變R8和C2的值，可獲得不

34、同的脈寬輸出。KJ004的同步電壓為任意值。</p><p>　　3.3 保護電路的設計</p><p><b>　　3.3.1 原理</b></p><p>　　在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適，驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護、du/dt保護和di/dt保護也是必要的。</p><p&g

35、t;　　過電壓的產生及過電壓保護：</p><p>　　電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：操作過電壓、雷擊過電壓；內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括：換相過電壓、關斷過電壓。</p><p>　　過壓保護的基本原則是：根據電路中過壓產生的不同部位，加入不同的附加電路，當達到—定過壓值時

36、，自動開通附加電路，使過壓通過附加電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上，保護了電力電子器件。保護電路形式很多。</p><p>　　這里主要考慮晶閘管在實際應用中一般會承受的換相過電壓，故可用阻容保護電路來實現保護。當電路中出現電壓尖峰時，電容兩端電壓不能突發(fā)的特性，可以有效地</p><p>　　抑制電路中的過壓。與電容串聯的電阻能消耗掉部分過壓

37、 圖10 阻容保護電路</p><p>　　能量，同時抑制電路中的電感與電容產生振蕩。阻容保護電路如圖10所示。</p><p>　　過電流的產生及過電流保護：</p><p>　　引起過流的原因：當電力電子變換器內部某一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現過載、直流側短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可

38、引起變換器內元件的電流超過正常工作電流，即出現過流。由于電力電子器件的電流過載能力比一般電氣設備差得多，因此，必須對變換器進行適當的過流保護。常見的過電流保護電路有如下一些形式。</p><p>　　圖11 過電流各種保護措施及配置位置</p><p>　　變換器的過流一般主要分為兩類：過載過流和短路過流。在晶閘管變換器中，快速熔斷器是應用最普遍的過流保護措施，可用于交流側、直流側和裝置主

39、電路中。其中交流側接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側短路起保護作用，但要求正常工作時，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對元件的短路故障所起的保護作用較差。直流側接快速熔斷器只對負載短路起保護作用，對元件無保護作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對元件的保護作用最好，因為它們流過同—個電流。因而被廣泛使用。</p><p><b>　　3.3.2 計算</b></p&g

40、t;<p><b>　　阻容保護電路參數：</b></p><p>　　RC阻容保護電路參數根據經驗值來選擇。電容C的選擇為：</p><p><b>　　電阻一般取40Ω。</b></p><p>　　快速熔斷器的選用原則：</p><p>　　和普通熔斷器一樣要考慮快速熔斷器的額定

41、電壓應大于線路正常工作電壓有效值，熔</p><p>　　斷器(安裝熔體的外殼)的額定電流應大于或等于熔體額定電流值。此外，快速熔斷器熔體的額定電流是指電流有效值，而晶閘管額定電流是指通態(tài)電流平均值，其有效值為1.57。故選用時要求：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　—晶閘管通態(tài)電流平均值，—快速熔斷器的熔體額定

42、電流。</p><p>　　算得1.57。所以選取額定電流大于等于194.4A的快速熔斷器。</p><p>　　3.3.3 保護電路圖</p><p>　　將快速熔斷器和RC阻容保護電路放入電路中：</p><p><b>　　圖12 保護電路圖</b></p><p>　　4、電阻爐負載過零控

43、制特性分析</p><p>　　當負載為電阻爐的時候，由于電爐的溫度是控制對象，其時間常數往往很大，沒有必要對交流電源的每一個周期進行頻繁的調制，只要以周波數為單位進行控制就足夠了。通?？刂凭чl管導通的時刻都是在電源電壓過零的時刻，即過零調功控制。這樣，在交流電源接通期間，負載電源電壓都是正弦波，因此不對電網電壓電流造成通常意義上的諧波污染,不會產生各種高次諧波污染電網。</p><p>

44、<b>　　原理分析：</b></p><p>　　令控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導通，后M—N個周期關斷。當M=3、N=2時的電路波形如圖13所示。</p><p>　　負載電壓和負載電流（也即電源電流）的重復周期為M倍電源周期。 </p><p>　　在負載為電阻時，負載電流波形

45、和負載電壓波形相同。以控制周期為基準，對圖13的波形進行傅里葉分析，可以得到圖14所示電流頻譜圖。圖中In為n次諧波有效值，Ion為導通時電路電流幅值。</p><p>　　從圖14的電流頻譜圖可以看出，如果以電源周期為基準，電流中不含整數倍頻率的諧波，但含有非整數倍頻率的諧波，而且在電源頻率附近，非整數倍頻率諧波的含量較大。</p><p><b>　　5、調功電路的設計<

46、;/b></p><p>　　以上的設計都是以交流調壓為基礎。交流調功電路與調壓完全相同，只是本次設計條件中調功電路帶電阻性負載R=4Ω。故電路中應將阻感性負載改為電阻性負載。</p><p>　　參數計算時，調功電路是以周期為單位控制的。故在晶閘管導通的周期內=0。又有Z=4Ω，=0，此時仍為0.5，故：</p><p>　　晶閘管的額定電流為：</p

47、><p>　　而晶閘管承受的最大反向電壓同調壓電路相同，所以考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：</p><p>　　因此，依據以上參數選擇晶閘管，比如，可以選用額定電壓為800V，額定電流為40A的晶閘管。</p><p>　　四、項目設計結果分析（分析試驗過程中獲得的數據、波形、現象或問題的正確性和必然性，分析產生不正確結果的原因和處理方法）</p>&

48、lt;p>　　仿真模型、仿真波形及其分析</p><p>　　由于proteus中不包含KJ004此元器件，故采用其它方法仿真。用MATLAB中的Simulink，不涉及具體的元器件型號的選用，仿真簡單。</p><p>　　現用Simulink仿真單相交流調壓電路。交流電源、兩個晶閘管反向并聯、阻感性負載即構成了主電路，再給兩個晶閘管分別提供觸發(fā)脈沖。為了觀察波形，在電源兩端、負載

49、兩端加上電壓表，主電路中接入電流表，再將各表的輸出導入示波器，同時還要觀察兩個觸發(fā)脈沖的波形。</p><p><b>　　仿真連線圖如下：</b></p><p>　　圖15 MATLAB仿真連線圖</p><p>　　仿真前，要設定好元器件的參數。將題目條件中交流調壓電路阻感負載的阻抗代入，交流電源的頻率設為50HZ，觸發(fā)脈沖的頻率要和電源

50、一樣，故設其周期為0.02s，幅值設為12，脈沖寬度設為5％，這里設觸發(fā)時間一個為0.005s，一個為0.015s，即觸發(fā)角α為90°。其仿真波形如圖16所示。根據示波器輸入端口的順序，波形圖分別表示：電源電壓、負載電壓、負載電流、正相觸發(fā)脈沖、負相觸發(fā)脈沖。</p><p>　　五、參考文摘（相關文摘不少于5篇，記錄每篇文獻的作者姓名.文獻名稱.文獻發(fā)行城市：文獻出版社，出版年；文獻內容摘要, 每篇不

51、少于100字）</p><p>　　[1]《電力電子技術》王兆安，劉進軍主編。第5版，機械工業(yè)出版社，2009.5</p><p>　　內容簡介：本書是在高等教育機電類規(guī)劃教材《電力電子變流技術（第３版）》基礎上修訂而成的第4版，是“九五”國家級重點教材，也是教育部批準的“面向21世紀課程教材”。本書主要內容包括：各種電力電子器件；整流電路、直流斬波電路、交流電力控制和交交變頻電路、逆變電

52、路以及組合變流電路；PWM控制技術、軟開關技術等。本書對電力電子技術的內容進行了精選，并體現了最新發(fā)展。</p><p>　　[2]《電力電子技術》王云亮主編。第2版，電子工業(yè)出版社，2009.8</p><p>　　內容簡介：該書主要包括：電力電子器件、交流-直流變換器、交流-交流變換器、直流-直流變換器、直流-交流-交流變換器和MATLAB在電力電子技術中的仿真應用等，對讀者了解和掌握

53、變換特性，特別是設計新型變換器具有重要的作用。</p><p>　　[3]《常用晶閘管觸發(fā)器集成電路及應用》李宏編著?？茖W出版社，2011.1</p><p>　　內容簡介：本書是“高科實用電力電子技術叢書”之一。該書詳細介紹了各種常用晶閘管觸發(fā)器集成電路及其使用技術，內容包括常用晶閘管觸發(fā)器集成電路的型號、引腳排列、參數限制、內部結構和工作原理、應用舉例及典型工作波形等，列舉并細致分析了

54、多個已批量投入工程實際中應用的典型電力電子變流系統(tǒng)專用控制板實例。</p><p>　　[4]《現代電力電子技術基礎》趙良炳主編。清華大學出版社，1999</p><p>　　內容簡介：本書介紹了電力電子器件的工作原理，以自關斷器件及其電路為主，論述了AC．DC、DC—DC、DC—AC、AC—AC變換電路的工作原理，補充介紹了電力電子技術的一些最新研究成果，如軟開關技術、功率因子校正技術和

55、電路建模等，并介紹了幾種實際的應用電路。</p><p>　　[5]《MATLAB/SIMULINK實用教程》張化光主編。人民郵電出版社，2009.3</p><p>　　內容簡介：該書通過大量的實例，系統(tǒng)介紹了MATLAB的使用技巧和編程方法。全書共分9章，主要內容包括MATLAB語言基礎知識，數組、矩陣及其運算，MATLAB程序設計基礎，MATLAB求解數學問題，MATLAB的圖視化功