重庆大学电力电子课程设计

目录
1 引言 (1)
2 电源设计的基本要求 (1)
2.1 主要技术数据 (1)
2.2 设计要求 (1)
3 电路总体方案的设计及相关原理 (1)
3.1无级调温电热毯的基本电路图及相关原理 (1)
3.2 无级调温电热毯设计方案 (3)
3.3 方案论证 (4)
4 电路参数计算 (4)
4.1 精简电路图 (4)
4.2参数计算 (4)
5 控制电路设计 (6)
5.1 触发电路的设计 (6)
5.2 触发电路设计中需注意问题 (7)
6 电路保护 (7)
6.1 过流保护 (8)
6.2 缓冲电路 (8)
7 总结 (9)
参考文献 (9)
1 引言
目前，很多电热毯的温度控制都采用手动开关，它是由一个快热档和一个慢热档进行控温的，这样电热毯内部温度较难控制在某一恒定的温度下工作，调压只有两个档位，使用起来较不方便。

本文向大家介绍一种电热毯自动控制电路，它是基于集成kj004[6]脉冲触发器，晶闸管等电力电子器件，通过改变晶闸管的触发角度来控制晶闸管的导通，竟而改变功率，达到自动控温的效果。

这种设计控温范围更广，使用更加方便。

2 电源设计的基本要求
2.1 主要技术数据
输入参数：单相交流电源：%10220±=v u i ，输入交流电频率：Hz 50 输出参数：直流输出电压：v u o 220~0=
电热毯参数：额定功率：W 50=P [2]
2.2 设计要求
总体电路的设计
主电路的设计
主要参数的计算
触发电路的设计
保护电路的设计
绘制主电路、触发电路和保护电路的电路图
加热电阻丝Rl 基本主电路图3 电路总体方案的设计及相关原理
3.1无级调温电热毯的基本电路图及相关原理
在无极调温电热毯电路的设计方案[1]中，我将电路分为四个模块：一：电源、二：交流调压电路、三：负载(电热毯)、四：触发电路。

其基本电路图如图1所示：
图1
结合图1可知，由电源输入的交流电通过交流调压电路将电能输送给负载(电热毯电阻丝)，而调压电路中的双向晶闸管又KJ004的控制。

当触发脉冲到来时，电路导通，所以，通过调节触发脉冲的相位可以调节输出电压的平均值，进而达到调节电热毯温度的效果。

触发脉冲的相位控制是通过KJ004所接的一个热敏电阻控制的，温度升高的时候，触发角 增大；电压有效值减小，发热量减小；温度降低时也一样分析。

所以我们可以不需要控制档位来达到无级调温。

3.2 无级调温电热毯设计方案
通过电热毯无极调温电路的分析，由图1可以看到，我们将基本电路模块化，方便电路的设计及修改。

这里主要说明交流调压电路和触发电路的设计方案。

交流调压电路采用使用双向晶闸管的基本交流调压电路。

触发电路采用可控硅移相触发器KJ004[3]，通过其外围电路的设计实现移相触发功能。

3.3 方案论证
以上设计的基于交流调压的电路具有合理性、安全性、经济性。

合理性：交流调压电路及触发电路的接入电压是单相220v 交流电，符合家用电源要求。

交流调压电路通过改变触发脉冲的相位来控制晶闸管的导通角，进而控制输出电压的有效值，使电热毯电阻丝的发热量得到调节。

触发脉冲通过可控硅移相触发器KJ004[6]产生，KJ004的移相范围≥170°，触发脉冲幅值≥13v ，可以满足普通双向晶闸管对触发脉冲的幅值要求，并且可以的到较大的温度调节范围。

综上所述，该方案具有合理性。

安全性：安全应永远放在第一位！在该方案中，在主电路中加入了缓冲电路，避免了功率过大而引起的危险。

经济性：该电路中元件较少，现代科技发展,芯片大量生产价格不贵。

4 电路参数计算
4.1 精简电路图
图2精简电路图
加热电阻丝
由主电路图可知，当电源电压过零时，由于电热毯电阻丝是纯电阻负载，故电流只与控制角α有关。

双向晶闸管两向的起始控制点都是电源电压每个半周的起始点。

稳态时，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同，输出电压有效值与控制角α密切相关。

假设控制角6
πα=
，当电路工作时，各器件电压电流波形[1]如图3所示：
图3 电路工作时各器件电流电压波形
4.2参数计算
从图3的波形图可以得出在控制角0≤α≤π时，其主电路输出的电路参数： 输出电压的平均值： π
απαπωωππα-+==⎰2sin 21)()sin 2(1
2i i o U t d t U U (4-1) 输出电流的平均值：
R
U I o o = (4-2) 晶闸管电流的有效值：
)22sin 1(21)sin 2(212π
πωπ
παa a R U R t U I i i VT +-==⎰ (4-3) 0=a 时，输出电压有效值最大，流过晶闸管的电流的有效值也最大，为了保证晶闸管不会过流，取0=a 时来计算流过晶闸管的有效值及晶闸管的额定电流。

由给定条件，交流输入电压v U i 220=，负载额定功率为：W P 50=
可确定负载电阻的大小为： Ω==9682
p
U R i (4-4) 额定电压取晶闸管所承受最大电压的3~2倍，所以额定电压为：
v v U U i AV T 2.933~2.6222)3~2()(== (4-5)
由公式(4-3)得，晶闸管的电流有效值mA I VT 8.192=，所以晶闸管的额定电流为： mA mA I I VT AV T 6.245~2.18457
.1)2~5.1()(== (4-6)
5 控制电路设计
5.1 触发电路的设计
根据电热毯无极调温电路的设计方案，要实现无级调温必需要有一个可靠的同步脉冲发生电路。

根据要求分析，采用KJ006移相触发器进行触发电路的设计。

KJ004[4]主要适用于交流供电的双向可控硅或反并联可控硅线路的交流相位控制。

能由交流电网直接供电并无需外加同步信号、输出变压器和直流工作电源，并且能直接与可控硅控制极直接耦合触发。

其封装图和引脚功能[4]如图4和表1
KJ004封装图
表1 KJ004的引脚功能
KJ004触发芯片具有锯齿波形好，移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制等优点。

我们通过热敏电阻来调节移相角度，触发脉冲从第15脚发出，传送给双向晶闸管。

5.2 触发电路设计中需注意问题
在触发电路的设计中个应该注意以下两点问题[1]：
1.要保证触发电路在热敏电阻的控制下能够准确适时地发出触发脉冲，并且触发脉冲幅值和宽度能够使双向晶闸管可靠导通。

2.触发脉冲不应超过晶闸管的额定参数。

触发电路应该有抗干扰性能好、电气隔离性能好的优点。

6 电路保护
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。

在本方案中由于主电路中没有电感存在，而过电压保护类似于du/dt保护，所以我在设计保护电路中只考虑过电流保护和du/dt保护(缓冲电路)。

6.1 过流保护
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。

过电流可能会使晶闸管烧坏，所以我用快速熔断器（和加热电阻串联）来保护电路，防止因为过电流而使晶闸管烧坏。

其工作原理是：当电流小于额定电流时，能正常流过电路；当电流大于额定电流时，熔断器会自动熔断，从而使电路断路，不会使晶闸管烧坏。

6.2 缓冲电路
为了防止电路因各种原因所造成的过电压，通常对电力电子器件采用缓冲电路来实施保护。

一般缓冲电路专指关断缓冲电路，即du/dt抑制电路[5]。

我选择反向阻断式RC电路作为缓冲电路来保护主电路中的双向晶闸管。

因为电容两边的电压不会发生突变，所以双向晶闸管两端的电压不会突变而使得晶闸管因为过电压而烧坏。

缓冲电路如图6：
缓冲电路图
7 总结
本次课程设计的我设计的是基于交流调压的电热毯的无级调温电路。

它在电热毯原有保暖功能的基础上基本实现了无级调温功能，并且经论证该方案具有合理性、安全性经济性等特点。

通过这次课程设计，我加深了对电力电子技术的相关知识的了解，在平时理论学习的基础上达到了应用。

锻炼了自己的文献检索能力，通过大量的查阅资料，搜索与题目有关的信息，我了解到了电力电子技术渗透到了电学科的每个方面。

增加了对电力电子技术的兴趣。

在课程设计的过程中我也深深的意识到自己在学科上的不足，学习不扎实。

这要求我在以后的学习生活中再提高，关注学科前沿，培养兴趣！遗憾的是由于时间以及条件的客观原因，没有实践环节。

最后感谢在设计中给我帮助的王老师和同学！谢谢你们！
参考文献
[1] 王兆安,黄俊.电力电子交流技术(第4版).机械工业出版杜.2007
[2] 陈东宁.电热毯的功率有效值与平均值.家用电器科技.1992年5期
[3]华强电子网.KJ004可控硅移相触发电路.2011年8月
[4]张涛.《电力电子技术》. 电子工业出版社. 2003年1月
[5]王云亮.《电力电子技术》.电子工业出版社.2004
[6]中国工控网《KJ004可控硅移相电路》。