电力电子课程设计---单相交流调压电路

课程设计说明书课程设计名称：电力电子技术课程设计题目：单相交流调压电路班级：电气0902班姓名：学号：指导教师：时间：2011年06 月目录第一章前言 (2)第二章单相调压电路设计任务及要求 (3)2．1 设计任务及要求 (3)2．2 设计方案选择 (3)第三章单向调压电路单元电路的设计和主要元器件说明 (5)3. 1 单元电路的设计 (5)3.1.1主电路的设计 (5)3. 2 主要元器件说明及功能模块 (5)第四章驱动电路的设计 (6)4. 1 晶闸管对触发电路的要求 (6)4.1.1触发信号的种类 (6)4.1.2触发电路的要求 (6)4. 2 触发电路 (7)4.2.1单结晶体管的工作原理 (7)4.2.2单结晶体管触发电路 (9)4.2.3单结晶体管自激震荡电路 (9)4.2.4同步电源 (10)第五章保护电路的设计 (11)5.1过电压保护 (12)5.2过电流保护 (13)第六章单相调压电路主电路的原理分析和各主要元器件的选择 (14)6．1 主电路原理分析 (14)6．2 各主要元器件的选择 (17)6.3元器列表 (18)第七章仿真软件7.1仿真软件的介绍 (19)7.2仿真模型、仿真波形及其分析 (20)第八章心得体会 (23)附录参考文献 (24)第一章前言交流变换电路是指把交流电能的参数（幅值、频率、相位）加以转变的电路。

根据变换参数的不同，交流变换电路可分为交流电力控制电路和交-交变频电路。

通过控制晶闸管在每一个电源周期内导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小，可实现交流调压。

它主要由调压电路、控制电路组成。

根据结构的不同，交流调压电路有单相电压控制器和三相电压控制器两种。

单相交流调压电路根据负载性质的不同分为电阻性负载和阻感性负载，电阻性负载的控制角的移向范围为0～π，阻感性负载的控制角的移向范围为φ～1800。

随着电力电子的飞速发展，交流调压电路广泛应用于电炉的温度控制、灯光调节、异步电动机软起动和调速等场合，也可以用作调节整流变压器一次电压。

对调压输出波形质量主要是谐波含量要低。

第二章 单相调压电路设计任务及要求2.1 设计任务及要求（1）设计任务：1、根据课题正确选择电路形式；2、绘制完整电气原理图（包括主要电气控制部分）；3、详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元器件值；（2）设计要求：1 负载要求：负载为感性负载,L=700mH,R=500欧姆。

2 技术要求：(1) 电网供电电压为单相220V 。

(2) 电网电压波动为+5%－-10%。

(3) 输出电压为0～100V 。

2.2 设计方案选择由于题目要求输出电压范围为0～100V ，所以方案可选用电阻性负载或阻感性负载。

方案一：采用电阻性负载，电路由电阻和两个晶闸管反并联组成，负载电压有效值 式中，U 1为输入交流电压的有效值。

可以看出，随着α角的增大，U 0逐渐减少。

当α=π时，U 0=0。

因此，单相交流调压器对于电压负载，其电压可调范围为0～U 1，控制角α移相范围为0～π。

负载电流基波和各次谐波有效值是随着谐波次数n 的增加，谐波含量减少。

方案二：采用阻感性负载，电路由电阻、电感和两个晶闸管反并联组成，负载电压有效值πθααθ)sin(2sin 0+-+=U U 随α角的增大，U 0逐渐增大。

在电0U U ==感负载时，要实现交流调压的目的，则最小控制角α=φ（负载功率因素角），所以α的移相范围为φ～1800。

负载电流基波和各次谐波有效值是随着谐波次数n的增加，谐波含量减少，并且阻感性负载电流谐波相对少些。

综合两种方案：电阻性负载和阻感性负载都具有调压功能，都能调压到设计电压调压范围内，但是电阻性负载谐波电流含量要多些，当α相同时，阻感负载阻抗角增大，谐波含量也有所减少。

考虑到性能指标、输出电压的稳定性、对电网的影响，所以选择方案二阻感性负载。

第三章单相调压电路单元电路的设计和主要元器件说明3.1 单元电路的设计3.1.1 主电路的设计电路采用单相交流调压器带阻感负载时的电路图如图3.1所示，在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管T1、T2相连。

图3.1 带阻感负载单相交流调压电路3.2 主要元器件说明及功能模块电路采用交流电源供电，T1、T2为两个反并联的晶闸管，R为电阻，L为电感。

输入电网电压，通过主电路的控制交流输出，驱动电路控制电力电子器件的通断。

原理框图如图2—1所示。

本次设计中，总体电路由驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路构成，由负载输出。

主电路主要是两个反并联的晶闸管串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制根据方案分析结果，电路采用阻感性负载图2—1 原理框图第四章驱动电路的设计4.1 晶闸管对触发电路的要求4.1.1 触发信号的种类：晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当正向电压、电流信号(触发信号)。

门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。

(a) 直流信号：在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通。

这种触发方式在实际中应用极少。

因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。

若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗；在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损坏。

(b) 交流信号：在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压uc =ut时，晶闸管导通。

ut是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变u。

值，可改变触发延迟角α。

这种触发形式也存在许多缺点，如：在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定，可通过交流电压u。

值来调节，调节的变化范围较小(00≤α≤900)。

(c)脉冲信号：在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。

因此，触发信号多采用脉冲形式。

4.1.2 触发电路的要求：晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等；所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻—电感性负载、反电势负载等。

仅管不同的情况对触发电路的要求也不同，但其基本要求却是相同的，具体如下：(a)触发信号应有足够的功率(触发电压、触发电流)这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流值受温度影响会发生变化。

例如元件温度为100℃时触发电流、电压值比在室温时低2-3倍；元件温度为-400c时，触发电流、电压值比在室温时高2-3倍。

为了使元件在各种工作条件下都能可靠地触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录，设计触发电路的输出电压、电流值，并留有一定的裕量。

一般可取两倍左右的触发电流裕量，而触发电压按触发电流大小来决定，但应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。

(b)触发脉冲信号应有一定的宽度：普通晶闸管的导通时间一般为6μs，故触发脉冲的宽度至少应有6 μs以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5～1ms，否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的掣住电流时，此时将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。

4.2 触发电路4.2.1单结晶体管的工作原理：单结晶体管原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有PN 结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。

在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。

其结构，符号和等效电路如图4.1所示。

图4.1 单结晶体管结构、符号、等效电路（1）单结晶体管的特性：从图4.1（c）中可以看出，两基极b1和b2之间的电阻称为基极电阻。

Rbb =rb1+rb2································（4.1）式中：Rb 1——第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流i e 而变化，rb 2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与i e 无关；发射结是PN 结，与二极管等效。

若在两面三刀基极b 2，b 1间加上正电压Vb b ，则A 点电压为：V A =[rb 1/（rb 1+rb 2）]vb b =（rb 1/rb b ）vb b =ηVb b ·················（4.2）式中：η——称为分压比，其值一般在0.3—0.85之间，如果发射极电压V E 由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图4.2图4.2 单结晶体管的伏安特性（a ）当V e 〈ηVb b 时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流I ceo 。

（b ）当V e ≥ηVb b +VD VD 为二极管正向压降（约为0.7V ），PN 结正向导通，I e 显著增加，rb 1阻值迅速减小，V e 相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。

管子由截止区进入负阻区的临界P 称为峰点，与其对应的发射极电压和电流，分别称为峰点电压I p 和峰点电流I p 。

I p 是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然V p =ηVb b 。

（c ）随着发射极电流I e 的不断上升，V e 不断下降，降到V 点后，V e 不再下降了，这点V 称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压V v 和谷点电流I v 。

（d ）过了V 后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以u c 继续增加时，i e 便缓慢的上升，显然V v 是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果V e 〈V v ，管子重新截止。

(2)单结晶体管的主要参数：（a ）基极间电阻Rb b 发射极开路时，基极b 1，b 2之间的电阻，一般为2-10千欧，其数值随温度的上升而增大。

（b）分压比η由管子内部结构决定的参数，一般为0.3--0.85。

（c）eb1间反向电压Vcb1b2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。