1、1晶闸管单相交流调压与调功电路设计1 题目初始条件初始条件：电源为工频 220V，调压阻感负载，R0.5 欧姆， L2mH。调功阻性负载R4 欧姆。2 设计任务与设计要求分析通过分析题目的初始条件，可知本次课程设计有以下几个基本要求：1 单相交流调压与调功主电路的设计。2. 触发电路的设计。3.分析系统不同负载下的电流、电压波形及相控特性。4.须针对电阻炉负载分析系统的过零控制特性。5. 需要绘制单相交流调压与调功电路的原理图。3 单相交流调压电路的设计3.1 单相交流调压电路主电路的设计单相交流电压主电路的设计主要包括：1.根据负载特性，选择相应型号的晶闸管。2.根据相关理论分析、推导及计算
2、，得到电路相关参数3.1.1 单相交流调压电路主电路原理图图一 单相交流调压主电路原理图23.1.2 电路各参数推导及计算通过分析可知，当单相交流调压电路带电阻性负载时，可得以下参数表达式：负载电压、电流平均值公式112sin2(cos1)UddUA（1）公式2(cos1)dRI（2）负载电压、电流有效值公式2021sin2(sin)UUdU （3）公式02sinIR（4）公式020sin242VTUIR（5）电路功率因数：公式01sin2UI（6）当电路带阻感性负载时，可以分析得负载电流相位应落后负载电压相位一个固定的阻抗角，其大小应为 ,且相当明显，当用晶闸管控制时，会使得负载电arctn
3、()1.3LR流更为滞后，即阻感性负载稳态时，晶闸管的移相范围为 。且假设在晶闸管电流过零时开通一个晶闸管，则有负载电流应满足以下微分方程和初3始条件公式012sinIdLRUtti（7）公式（8）可以解得方程的解为：公式0 tan21sin()sin()UteZi （9）利用边界条件，可以得到，当以 为参变量时， 与 的关系可以用一簇曲线来表示。如下图所示：由以上公式可以推得：当单相交流调压电路带阻性负载时，若导通角为 60时，有负载平均电压为,负载平均电流为，负载有效电压值和有效电流值分别为，电路的功率因数为；同理可得，当导通角为 90时，相应的负载参数值分别为：电路的功率因数为当单相交流
4、调压电路带阻感性负载时，可以定性分析得，负载的平均电压值和平均电流值，负载的有效电压值和有效电流值都应有所减小。3.1.3 晶闸管型号的选择根据理论分析可知，晶闸管的额定电压应是它承受的反向重复峰值电压的（23）倍，而晶闸管的额定电流应是其通态平均电流的（1.52）倍。而晶闸管的通态平均电流的定义为：元件在阻性负载情况下、工频正弦半波、导通角不小于 170，其结温稳定且不超过额定结温所允许的最大通态平均电流。由上面推到的电路参数可知，所选的双向晶闸管的额定电压应大于 440V；晶闸管的额定电流应大于（1.52 ） *396.14=792.28A；220(1)396.5.5(cos)dUARIA
5、公式（10）所以，我在本次设计中，采用 KS500-800A0()ti4它的型号是 KS800A/500V， 控制方式为双向极数，额定正向平均电流 800（A ） ，控制极触发电压 500-1800（V） ， KS 系列平板型双向晶闸管的额定工作电流 800A 额定工作电 500V。3.2 单相交流调压触发电路的设计本次设计中，我选用可控硅移相触发器 KJ006，KJ006 主要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、输出变压器和滞留工作电源，并且能直接与可控硅控制级直接耦合触发。具有锯齿波线性好、移相范围宽、控制方式简单输出电流大等优
6、点。电参数如下：电源电压： a外接直流电压 +15V，允许波动5(10功能正常)。b自生直流电源电压：+(1215)V。电源电流：l2mA。同步电压：l0V(有效值)。同步输人端允许最大同步电流：6mA(有效值)。移相范围：l70(同步电压 220V，同步输入电阻 51k)。移相输入端偏置电流l0A 。锯齿波幅度： 78.5v 。输出脉冲： a脉冲宽度： l00s2ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。 b脉冲幅度：13V(电源电压 l5V 时)。 C最大输出能力：200mA(吸收脉冲电流)。 d输出反压：BVceol8V(测试条件：lel00A)。正负半周脉冲相位不均衡度：3。可控硅检测端最大输
7、入电流：6mA(有效值)。3.1.2 单相交流调压电路触发电路原理图图二 单相交流调压触发电路原理图5电路工作原理：KJ006 是由同步检波、锯齿波形成电路、电流综合比较放大电路、功率放大电路和失交保护电路等部分组成。外电路接线图如图二锯齿波斜率决定于R7，RP1 和 C1 的数值，由 R5、C2 的数值决定，再经过功率放大由 9 脚输出，能够得到200mA 的输出负载能力。从 2 脚也可以输出失交脉冲，将 2 脚与 12 脚相连，具有失交保护功能。对不同的电网电压，KJ006 电路的同步限流电阻 R1 的选择按下式计算：=73333110000。20113RA3.3 单相交流调压电路阻性负载
8、下的电流、电压波形和相控特性3.3.1 单相交流调压电路的 matlab 仿真原理图图三 单相调压电路 MATLAB 仿真图3.3.2 导通角为 606A B图四 导通角为 60时示波器波形图603.3.3 导通角为 90A B 图五 导通角为 90时示波器波形图3.3.4 仿真结果分析和总结图四，图五是单相交流调压电路分别在导通角为 60和 90情况时示波器的波形。图7像中第一个是输入电网电压波形；第二个是其中一个晶闸管的触发脉冲波形，脉冲是幅值为 12V，占空比为 10%的方波；第三个是负载电压的波形；第四个是负载电流的波形；第五个是第二个晶闸管的触发脉动波形。由图像可以很清楚的看到，当负
9、载为阻感性时，负载电流的相位滞后负载电压一个固定的角度，通过计算应该可得这个角度即是阻感角 11.31。而且通过相同触发角、不同性质负载下负载电流波形可以看出，电感对电流有抗拒作用。但是负载电压波形与理论分析不一致，这是因为理论分析时，是假设负载电感值为无穷大的，但是实际电路中，电感值为2mH.。而且可以从不同触发角下负载电压波形可以分析出，当导通角越大时，负载电压波形畸变越严重，平均值越小，这与电路参数分析得到的结论一致。4 单相交流调功电路的设计4.1 单相交流调功电路的主电路设计单相交流调功电路和单相交流调压电路形式完全相同，只是控制方式不同。交流调功电路不是在每个交流电源周期都对输出电
10、压波形进行调制，而是将负载与交流电源接通几个整周期，然后再断开几个整周期，通过改变接通周期数和断开周期数的比值来控制负载所消耗的平均功率。可知，交流调功电路适合控制时间常数大（电炉）这样的负载。4.1.1 单相交流调功电路主电路原理图8图六 交流调功主电路原理图4.1.2 晶闸管的选型经过分析可知，单相交流调功电路所用的晶闸管可以采用与单相交流调压电路所用的晶闸管一样的型号。可以完全满足单相交流调功电路的设计要求。4.1.3 电路各参数推导及计算4.2 单相交流调功电路的触发电路的设计单相交流调功电路的触发电路选择使用可控硅过零触发器 KJ007。可控硅过零触发器KJ007 能使双向可控硅的开
11、关过程在电源电压为零或者电流为零的瞬间进行触发。这样，负载的瞬态浪涌电流和射频干扰最小，可控硅的使用寿命就可以提高。电路内部有自生直流稳压电源，可以直接接交流电网电压使用。该电路具有零电压触发、零电流触发、输出电流大等特点。电参数如下： 电源电压： a外接直流电压+(1216)V。 b自生直流电源电压：+(12l4)V 。 电源电流：l2 mA。 零检测输入端最大峰值电流： 8mA。 输出脉冲： a脉冲幅度： 13V。 b最大输出能力：50mA(脉冲宽度 400s 以内)，可扩展。 C输出反压： BVceo18V(测试条件： Iel00A)。 输入控制电压灵敏度：l00mV、300mV、500
12、mV。 零电流检测输出幅度：8V。 使用环境温度为四级： C：0 70 R：-55 85 E：-4085 M：-55125 KJ007 采用双列直插 l4 脚封装。4.2.1 单相交流调功电路触发电路原理图KJ007 工作原理：KJ007 是 KJ006 的一种特例，该电路或者是零电流触发、或者是零电压触发，且只能是其中之一。零电压触发应用中，同步电压通过 R2 加到 1 脚和 14 脚之间，内部电路进行过零检测。9内部电路的差分比较端（4 脚）接基准电压。当来自于 2 脚的电压小于基准电压时，5 脚再同步电压过零时触发脉冲。当 2 脚电压大于基准电压时，5 脚没有触发脉冲输出。图七 交流调功
13、电路触发电路原理图4.3 单相交流调功电路的过零控制特性分析图 5-8 为过零触发单相交流调功电路。交流电源电压 u 以及 V1 和 V2 的触发脉冲ug1、ug2 的波形分别如图 5-9 所示。由于各晶闸管都是在电压 u 过零时加触发脉冲的，因此就有电压 uo 输出。如果不触发 V1 和 V2，则输出电压 uo0。由于是电阻性负载，因此当交流电源电压过零时，原来导通的晶闸管因其电流下降到维持电流以下而自行关断，这样使负载得到完整的正弦波电压和电流。由于晶闸管是在电源电压过零的瞬时被触发导通的，这就可以保证大大减小瞬态负载浪涌电流和触发导通时的电流变化率di/dt，从而使晶闸管由于 di/dt
14、 过大而失效或换相失败的几率大大减少。 105 晶闸管保护电路的设计5.1 晶闸管过电压保护电路的设计正常工作时，晶闸管承受的最大峰值电压为 ，超过此峰值电压的就算过电压。在mU整流装置中，任何偶然出现的过电压均不应超过元件的不重复峰值电压 ，而任何周dsmU期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压 。这两种过电压都是经常发生和不rs可避免的。因此，在变流过程中，必须采用各种有效保护措施，以抑制各种暂态过电压，保护晶闸管元件不受损坏。抑制暂态过电压的方法一般有三种：用电阻消耗过电压的能量；用非线性元件限制过电压的幅值；用储能元件吸收过电压的能量。若以过电压保护装设的部位来分，有交流保护，直流保护，直流侧保护和元器件保护 3 种。一、交流侧过电压保护交流侧过电压一般都是外因过电压，在抑制外因过电压的措施中，采用 RC 过电压抑制电路是最为常见的。通常是在变压器次级(元件侧)并联 RC 电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转化为电容器的电场能而储存起来。串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制 LC 回路可能产生的振荡。当整流器容量较大时，RC 电路也可以接在变压器电源侧。其电路图如图八所示。图八 晶闸管过电压保护电路原理图 5.2 晶闸管过电流保护电路的设计
