单相交流调压电路性能研究

单相交流调压电路性能研究 基础强化训练任务书 学生姓名: 韦晟云 专业班级: 电气1003 指导教师: 胡红明 工作单位: 自动化学院 题 目: 单相交流调压电路性能研究 初始条件: 输入为单相交流电源，有效值220V。 要求完成的主要任务: (1)掌握单相交流调压电路的原理; (2)设计出系统结构图，并采用matlab对单相交流调压电路进行仿 真; (3)采用protel设计出单相交流调压主电路及采用KJ004控制电路 时间安排: 2012年7月9日至2012年7月13日，历时一周，具体进度安排见下表 具体时间 设计内容 7.9 指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分等做 具体介绍;学生确定选题，明确设计要求 7.10 开始查阅资料，完成的初步设计 7.11 由指导老师审核系统结构图，学生修改、完善 7.12 撰写课程设计说明书 7.13 上交课程设计说明书，并进行答辩 参考文献: [1]王兆安，刘进军.《电力电子技术》第5版.北京:机械工业 出版社，2011 指导教师签名: 年 月 日 系主任(或教师)签名: 年 月 日 .. 单相交流调压电路性能研究 目录 前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.主电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 1.1.设计内容及技术要求 „„„„„„„„„„„„„4 1.2工作原理 „„„„„„„„„„ „„„„„„„„4 1.2.1主电路工作原理 1.2.2晶闸管的工作原理 1.3负载电流分析„„„„„„„„„„„„„„„„„ 8 1.4单相交流调压电路主电路和触发电路图„„„„„„10 1.5.仿真参数设置„„„„„„„„„„„„„„„„„10 2.仿真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 2.1.电阻性负载仿真波形„„„„„„„„„„„„„„13 2.1.1.波形分析„„„„„„„„„„„„„„„„„16 2.2.阻感性负载(H=0.02)„„„„„„„„„„„„„16 2.2.1.波形分析„„„„„„„„„„„„„„„„„19 2.3.实验结果分析„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3.触发电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 4(设计体会 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 .. 前言 这次基础强化训练主要究单相交流调压电路的设计。电力电子线路的基本形式之一，即交流—交流变换电路，它是将一种形式的交流电能变换成另一种形式交流电能电路。在进行交流—交流变换时，可以改变交流电的电压、电流、频率或相位等。用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以调节输出电压有效值。可用于电炉温控、灯光调节、异步电动机的启动和调速等。交流调压器与常规的交流调压变压器相比，它的体积和重量都要小得多。交流调压器的 输出仍是交流电压，它不是正弦波，其谐波分量较大，功率因数也较低其晶闸管可以利用电源自然换相，无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，系统响应速度较快，但它也存在深控时功率因数较低，易产生高次谐波等缺点。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。 .. 1(主电路的设计 1.1.设计内容及技术要 初始条件:输入为单相交流电源，有效值220V。 要求完成的主要任务: (1)掌握单相交流调压电路的原理; (2)设计出系统结构图，并采用matlab对单相交流调压电路进行仿真; (3)采用protel设计出单相交流调压主电路及采用KJ004控制电路 1.2工作原理 1.2.1主电路工作情况 单相交流调压电路带组感性负载时的电路以及工作波形如下图1-1所示。产生的滞后是因为阻感性负载时电流滞后电压一定角度，再加上移相控制所产生的滞后，使得交流调压电路在阻感性负载时的情况比较复杂，其输出电压，电流与触发角α，负载阻抗角φ都有关系。当两只反并联的晶闸管中的任何一个导通后，其通态压降就成为另一只的反向电压，因此只有当导通的晶闸管关断以后，另一只晶闸管才有可能承受正向电压被触发导通。由于感性负载本身滞后于电压一定角度，再加上相位控制产生的滞后，使得交流调压电路在感性负载下大的工 ,,作情况更为复杂，其输出电压、电流波形与控制角、负载阻抗角都有关系。 wL,,arctan()R其中负载阻抗角,相当于在电阻电感负载上加上纯正弦交流电压 ,时，其电流滞后于电压的角度为。为了更好的分析单相交流调压电路在感性负 ,,,,,,,,,,,载下的工作情况，此处分三种工况分别进行讨论。 .. 图1-1电路图 ,,,(1)情况 上图1-1所示为单相反并联交流调压电路带感性负载时的电路图，以及在控制角触发导通时的输出波形图，同电阻负载一样，在的正半周时，在时u,t,,i 触发Vt1,Vt1导通，输出电压=电流从0开始上升。当电压到达过零iuuioo ， 点时，由于是感性负载，电流滞后于电压，当电压达到过零点时电流不为0iuoo 电流不为零，之后继续下降，Vt1仍然导通，输出电压出现负值。直到电流下io 降到零时，Vt1自然关断，输出电压为零。正半周结束，期间电流从0开始上io ,,,升到再次下降到0这段区间称为导通角。由后面的分析可知，在工况下，,0 ,因此在脉冲来之前已关断，正负电流不连续。在电源的负半周导TTT,,180212通，工作原理与正半周相同，在断续期间，晶闸管两端电压波如下图 io .. ,,,图1-2(情况下的波形) ,,)=情况 (2 ,,当控制角=时，当正半周Vt1关断时，Vt2恰好触发导通，在一个周期内两只晶闸管轮流导通180?。此时负载电流i。临界连续，负载电流是一个滞后电 ,源电压角的正弦电流。该工况下两个晶闸管相当于两个二极管，或输入输出直接相连，输出电压及电流连续，相当于晶闸管失去控制，无调压作用。 ,,图1-3=情况下的输出波形 .. ,,,(3) 情况 ,,,,在工况下，阻抗角相对较大，相当于负载的电感作用较强，使得负 ,,,载电流严重滞后于电压，晶闸管的导通时间较长，此时式仍然适用，由于， ,,(,，,,,),180,,180公式右端小于0，只有当时左端才能小于0，因此，如 Twt,,1图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在时刻被触发导通，由于其导通角 ,wt,(,，,)TTT212大于180，在负半周时刻为发出出发脉冲时，还未关断，因 wt,(,，,)TTT112受反压不能导通,继续导通直到在时刻因电流过零关断时，的 uTTG221窄脉冲已撤除，仍然不能导通，直到下一周期再次被触发导通。这样就形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情况，这一现象称为“半相半波整流现象”负载电流i。始终为单一方向，在电路中产生较大的直流分量;因此为了避免这种情况发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。 ,,,图1-4下窄脉冲触发方式时输出波形 .. 1.2.2晶闸管的介绍 晶体闸流管简称晶闸管,也称为可控硅整流元件(SCR),是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件。在性能上,晶闸管不仅具有单向导电性,而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性,它只有导通和关断两种状态。 三、晶闸管的工作原理分析在 分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。 此时，其工作过程如下: A A IAPPNP1 V1NNIR11c2IGIGc1PPG22V2NPNNES2AIKEG KK a)b) 图1-5 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理图 a) 双晶体管模型 b) 工作原理 如果IG(门极电流)注入V2基极，V2导通，产生IC2( β2IG )。它同时为 a) 双晶体管模型 b) 工作原理 V1的基极电流，使V1导通，且IC1= β 1IC2,IC1加上IG进一步加大V2的基极电流，从而形成强烈的正反馈，使V1.V2很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通，通过SCR的电流由R确定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的饱和压降约为1V。此时，将IG调整为0，即UGK<0，也不能解除正反馈，G极失去控制作用。 晶闸管静态工作特性:只有当晶闸管承受正向电压并且有门极触发电流的情况下才能导通。导通后，门极失去控制作用，不论门极触发电流是否存在，都保持导通，只有通过外电路使得流过晶闸管的电流为零才能让晶闸管关断。 .. 1.3负载电流分析 为了分析负载电流的表达式及导通角与、,之间的关系，假设电压坐,i,o 标原点如图所示，在时刻晶闸管T导通，负载电流i应满足方程 1,t,,0 dio，RiL==sin 2Uu,t0iidt 其初始条件为 i|=0, ,t,,0 解该方程，可以得出负载电流i在??,，,区间内的表达式为 ,t,0 2U,(,t,,)/tan,i[sin(,t,,),sin(,,,)e] i=. 02R，(L), ,,，,当=时，i=0，代入上式得，可求出,与、之间的关系为 ,t,0 ,,/tan,,,,，,sin(-)=sin(-)e , ,,利用上式，可以把与、之间的关系用下图的一簇曲线来表示。 , ,,图1-6与、之间的关系曲线 , 0,,,,,图中以为参变量，当=0时代表电阻性负载，此时=180-;若为某, ,,,,,一特定角度，则当,时，=180 ，当>时，随着的增加而减小。 ,,, 上述电路在控制角为时，交流输出电压有效值U、负载电流有效值I、,oO晶闸管电流有效值I分别为 T ,,,,，sin2,sin(2，2)U=U oi, .. *I=2I omax0IT *= I I2TomaxIT ,式中，I为当=0时，负载电流的最大有效值，其值为 omax Ui 22R，(,l)omaxI= * IT为晶闸管有效值的标玄值，其值为 ,,,,,sincos(2，，),*2,2,cos,IT= *,,,IT由上式可以看出，是及的函数下图给出了以负载阻抗角为参变量 ,时，晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线。 ,1-7晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线 ,,、已知时，可由该曲线查出晶闸管电流标幺值，进而求出负载电流有当 T0效值I及晶闸管电流有效值I。 .. 1.4单相交流调压主电路及触发电路图如下: 1.5仿真参数设置 1(建立一个仿真模型的新文件。在 MATLAB 的菜单栏上新建一个Model文件这时出现一个空白的仿真平台，在这个平台上可以绘制电路的仿真模型。 2.在simulink菜单下面找到simpowersystems和simulink从中找出所需的晶闸管，交流电源，电压表，电流表，示波器，阻感负载等。 3.将找到的模型正确的连接起来，如下图所示 .. 4.参数设置 ? 触发脉冲参数设置如下图所示: 其中将周期(period)设置为0.02 触发脉冲宽度(pulse width)设置为5 相位滞后(phase delay)脉冲一触发角可设为A=0-0.01之间的任意数，脉冲二 的触发角为B=A+0.01，他们之间的对应关系如下 触发角α 相位滞后 换算公式 0 0 30 0.0017 60 0.0033 相位滞后=(触发角/180)×0.01 90 0.005 120 0.0067 150 0.0083 180 0.01 .. ?负载参数设置 如果负载为电阻性负载，则将电感(inductance) 设为0，电容(capacitance)设为inf,电阻设置为200Ω。如果主电路改接电阻电感负载，R可以再100~200Ω范围内调节，取R=100，确定阻抗角a为30 ?， wL由公式计算可得L=0.184H。 ,,arctan()R ?电源参数设置 电源电压设为220V，频率设为50Hz,相位角设为0，采样时间设为0。 ?仿真器设置 为便于观察波形，将仿真时间设为0.06(三个周期) 仿真算法(solver)设为ode23t，其他参数设为默认，设置好后的参数如下图所示: 2.仿真 参数设置好后，点击(start simulink)开始仿真，为便于比较，先将负载设为电阻性负载，改变触发角，观察波形变化，不同触发角时的波形如下 2.1电阻性负载仿真波形 .. R=200,触发角为0? R=200,触发角为60? .. R=20,触发角为120? R=200,触发角为180? .. 2.1.1波形分析 以上各图分别为电阻性负载触发角A为0?,60?, 120?，150?时所得的仿真波波形，，图中第一个波形为触发脉冲的波形，第二个为晶闸管两端电压的波形，第三个波形为负载电流的波形，第四个波形为负载电压的波形。此时负载 ,,==0时，负载电流时连续为电阻性负载时，阻抗角为零，当触发角为零时即 ,,,>0=的，当触发时，电流不连续。说明为电流连续的临界条件。负载电压和负载电流波形一致，随着触发角的增大，波形的占空比减小，当触发角为度时180?时，负载电压.电流波形为一条直线，由此可以说明单相交流调压电路带电阻性负载时的触发角α的取值范围为0?-180?。 2.2阻感性负载(H=0.184) (1)将负载设为阻感性，电阻取100Ω,电感值设为0.184H,阻抗角为30?改变触发角，观察仿真波形。用脉冲宽度为10的宽脉冲触发。 R=100欧姆,L=0.184H,触发角为0? .. R=100Ω，L=0.184H,触发角为30? R=100Ω,L=0.184H,触发角为150? (2)负载依然是阻感性，电阻取100Ω，电感取0.551H，此时阻抗角为60?，改变触发角，观察仿真波形，用脉冲宽度为1的窄脉冲触发。 .. R=100Ω，L=0.551H，触发角为0? R=100Ω，L=0.551H，触发角为60? .. R=100Ω，L=0.551H，触发角为120? 2.2.1波形分析 以上(1)中阻抗角为30?，图为触发角α为0?,30?,150?时所得的仿真波波形，(2)中阻抗角为60?，图为触发角α为0?，60?，120?所得的仿真波形。第一个波形为触发脉冲的波形，第二个晶闸管两端电压的波形，第三个波形为负 ,,,,=>载电流的波形，第四个波形为负载电压的波形。时电流是连续的，时 ,,<电流都不连续，在的时候，如果触发脉冲为宽脉冲(如1中)，则电流是连 ,,=续的，如果触发脉冲为窄脉冲，则电流不连续。由此说明是电流连续的条 ,,<件，并且在宽脉冲的触发的时候也可以得到连续的电流，其他情况下的电流都是不连续的。 随着触发角的增大，负载两端电流和电压波形的占空比逐渐减小。电流和电压有效值减小，由于电感的影响电流波形滞后于电压波形，这是因为电感的储能作用。当触发脉冲到来时，正向晶闸管导通，电压发生跳变，由于电感的作用，电流只能从零开始变化，同时电感开始储能。当电源电压变为负时正向晶闸管并不能关断，直到电感中的储能释放完，这就是负载两端电压和电流波形不一致的原因。并且可以知道触发角的取值为0-180?。 .. 2.3.实验结果分析 (1)在主电路负载R=200Ω，L=0H的电阻性负载时，触发角为零的时候晶闸管两端电压的波形在在正负半周都是一条靠近X轴的直线，是因为电阻性负载在触发角为零的时候两个晶闸管是轮流导通的，其两端电压就是晶闸管的临界导通电压。 (2)在主电路负载R=100Ω，L=0.551的阻感性负载时(此时阻抗角为60?)，在触发角为零的时候，在窄脉冲的触发下，晶闸管两端电压在正半周时基本为零， ,,<电流电压不连续，基本上没有负值，说明在的时候，在窄脉冲的触发下，只有晶闸管VT1导通，晶闸管VT2基本上是一直处于截止状态的。说明晶闸管只有在正向电压下加门极电流触发才能导通。 (3)由以上的工作波形可得晶闸管不仅具有单向导电性,并且晶闸管的导通电压比较小，控制特性好，可以很好的充当开关。 3(触发电路的设计 在单相交流调压电路中，触发电路很重要，所以我们必须的对器件KJ004 作一个深入的了解 KJ004可控硅移项触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移项脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。该电路具有输出负载能力大，移项性好，正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。 下面我们看一下KJ004的内部原理图 .. 该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。 电路原理见下图:锯齿波的斜率决定于外接R6、RW1流出的充电电流和积分C1的数值。对不同的移项控制V1，只有改变R1、R2的比例，调节相应的偏移VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个范围。触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。R7和C2形成微分电路，改变R7和C2的值，可获得不同的脉宽输出。KJ004的同步电压为任意值。 封装形式: 该电路采用双列直插C—16白瓷和黑瓷两种外壳封装，外型尺 76 寸按电子工业部部颁标准。《半导体集成电路外型尺寸》SJ1100—典型接线图及各点波形 同步串联电阻R4的选择按下式计算:R4=(同步电压/2,,)X1000Ω 电参数: , 电源电压:直流+15V、-15V，允许波动?5%(?10%时功能正常)。 , 电源电流:正电流?15mA，负电源?10Ma。 , 同步电压:任意值。 , 同步输入端允许最大同步电流:6mA(有效值)。 .. , 移相范围?170?(同步电压30V，同步输入电阻15KΩ)。 , 锯齿波幅度?10V(幅度以锯齿波平顶为准)。 , 输出脉冲:(1)宽度:400μs~2ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。 (2)幅度:?13V。 (3)KJ004最大输出能力100mA(流出脉冲电流)。 (4)输出管反压:BV?18V(测试条件Ie?100μA)。 CEO , 正负半周脉冲相位不均衡??3?。 , 使用环境温度为四级:C:0~70? R:-55~85? E: -40~85? M:-55~12? 下面我们看一下KJ004的引脚图以及其功能图 引脚号 功能 1 输出 2 空 3.4 形成距齿波 5 —Vee 6 空 7 地 8 同步输入 9 综合比较 10 空 11.12 微分阻容 13.14 封锁调制 15 输出 16 +Vcc Kj004 引脚功能图 .. 4(设计体会 这次基础强化训练，刚开始拿到题目的时候没什么感觉，因为完全没有接触过这个内容，当时在准备考试和课程设计也没有开始准备做这个基础强化训练，一号的时候才开始准备这个题目，因为之前没有学电力电子技术这门课，上网看有关调压电路的资料时候完全懵懵懂懂的，一知半解，本来主电路是非常简单的，但是加上触发电路之后还是花了我蛮多时间才把调压电路的基本工作原理搞清楚，接下来就是要进行系统结构图的绘制了，以前没有接触过这个matlab的软件，也没有同学会用，没办法只能自己慢慢摸索，一步一步学习怎么调用元件，怎么设置参数，费了挺大功夫才把这个简单的电路画成了，但是在设置触发角的时候着实把我“难”倒了，因为在查找资料的时候，资料上往往只用示波器监测脉冲一或者脉冲二单一一个脉冲，所以在设置触发角时候我一直以为是脉冲二滞后于脉冲一的角度就是触发角，然后在仿真的时候怎么也得不到所需要的波形，但是当时并不知道是什么原因，在和一个同组的同学不断修改电路参数仍然无法得到结果，在有次仿真得到一个负载电压只有正半周波形给了我们启示(这个时候应该是只有一个晶闸管导通的，而另一个晶闸管是一直截止的,说明可能是两个脉冲只有一个工作，而脉冲二和脉冲一应该是一直保持半个周期的差距的)我们才想到脉冲一和脉冲二是同步延迟的，而且脉冲二滞后脉冲一180?，经过仿真证实了我们的想法，当时我们的激动绝对是语言无法的表达的。一颗悬着的心落下了。虽然在后来看来这个真的只是一个很小很小的问题，但是它确实给我们带来不小麻烦。通过这次基础强化训练，我觉得很大的收获之一就是自己信息检索的能力有了很大的提高，拿到一个很陌生的题目，需要用一个完全没用过的软件区绘制电路难度确实实不小，但是只要有心，只要肯努力，一定是可以克服这些困难的。做了这次训练对于调压电路也有了一个比较清晰的了解。最重要的是自己更懂得怎么去学习新的知识，这个我觉得才是最重要的。 .. 参考文献 [1].王云亮，电力电子技术，第二版，电子工业出版社2009 [2].张润和，电力电子技术及应用，北京大学出版社，2008 [3].王兆安.刘进军，电力电子技术，第五版，机械工业出版社2009 [4].周明宝，电力电子技术，第一版，机械工业出版社，1997 .. 本科生能力拓展训练成绩评定表 姓 名 性 别 专业、班级 课程设计题目: 课程设计答辩或质疑记录: 成绩评定依据: 序号 评定项目 评分成绩 选题合理、目的明确(10分) 1 设计方案正确，具有可行性、创新性(20分) 2 设计结果(例如:硬件成果、软件程序)(25分) 3 态度认真、学习刻苦、遵守纪律(15分) 4 设计报告的规范化、参考文献充分(不少于5篇)(10分) 5 答辩(20分) 6 总分 最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定) 指导教师签字: 2012 年7月6日 .. ..