相控式交流调压电路

相控式交流调压电路

通过某种装置对交流电压的有效值进行调整叫做交流调压。交流调压的方式一般分为三种：相控式、斩波式、通断式。第一种的电路一般由晶闸管构成，通过改变控制角实现调压。第二种又叫交流斩波器，一般要用全控型器件来实现。第三种也叫功率控制器，主电路与相控电路相似，但控制规则不同。本设计采用相控式交流调压。

1 单相交流调压电路设计及说明

单相交流调压电路如图2 所示。两个晶闸管反并联与负载串联，通过改变控制角来调节晶闸管的导通时间，进而起到调节负载电压有效值的作用。与晶闸管相控整流电路类似，负载性质会对电路的工作情况有较大的影响，下面分别对纯电阻负载和电感性负载进行分析。

1.1电阻性负载

电源正半周VT1承受正向电压，在ωt=α时触发VT1导通，负载电压uo=u，由于是电阻性负载，负载电流io= u/R，到ωt=π时，正半周结束，io=0，VT1关断。此后uo=0。在电源负半周，VT2承受正向电压，ωt=π+α时VT2被触发导通，uo=u，ωt=2π时，VT2关断。负载电压的波形如图2所示。负载电压的有效值Uo为

随着控制角的增大，负载电压减小，控制角的移相范围为0<α<π。由于是

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纯电阻负载，负载电流瞬时值io与负载电压uo呈正比关系，负载电压有效值与负载电流有效值的关系为

电源侧的视在功率S为

电源输出的有功功率（即负载消耗的功率）P为

功率因数为

相控作用使电流发生滞后，并且波形也发生畸变，所以即使纯电阻负载功率因数也不为1。而且控制角越大，功率因数越低，这是相控电路普遍存在的一个缺点。

控制角的移相范围为0<α<π。由于是纯电阻负载，负载电流瞬时值io与负载电压uo呈正比关系，因此负载电压有效值与负载电流有效值的关系

2. 电感性负载

带电感性负载的单相交流调压电流如图3。

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ωt=α时VT1导通，负载电压uo=u，电流开始上升，由于电感的作用，io与uo不呈正比关系，电感的作用还使晶闸管延迟关断，在电压正半周结束后的一段时间VT1仍导通，直到负载电流下降到0 时VT1关断。ωt=π+α时触发VT2，VT2的导通时间也将持续到负半周结束io下降到零的时刻。可见晶闸管的导通角θ>π-α。电感性负载时负载电压和电流的波形如图4 所示。

要想精确地了解io的变化规律和获得导通角的精确数值，也必须通过求解电

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路的微分方程，任何一个晶闸管导通时电路的微分方程与单相半波电路一致。在 φ较大且α较小的情况下，解出的θ可能会超过π，这说明在先导通的晶闸管尚未关断时后一个晶闸管就得到了触发脉冲，但是由于两个晶闸管反并联，先导通的晶闸管的导通压降会加在另一晶闸管的两端使其承受反压，尽管这个反压数值不大，但仍使后一晶闸管不能导通。电路因此而不能正常工作。为防止这一现象的出现，常把触发脉冲设置成一个脉冲列，对于VT1，脉冲列从ωt=α开始，到ωt=π结束；对VT2，脉冲列从ωt=π+α开始，到ωt=2π结束。这样可以使得任何一个晶闸管在前一个晶闸管关断时得到正压的同时门极也得到触发信号，两个晶闸管交替导通，负载电压是一个完整的正弦波，每个晶闸管导通角为π。波形如图如下

从图5 中可看出，晶闸管交替导通时，负载电压和负载电流均为完整的正弦波，两者的相位差即为阻抗角φ，电路与线性正弦电路相同，电流为

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2 触发电路设计说明

2.1 触发电路必须满足以下要求。

触发脉冲信号应有足够的功率和宽度

为了使所有的元件在各种可能的工作条件下均能可靠的触发，触发电路所送出的触发电压和电流，必须大于元件门极规定的触发电压UGT与触发电流IGT的最大值，并且留有足够的余量。另外，由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间，不是一触即通，只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的擎住电流IL以上时，管子才能导通，所以触发脉冲信号应有一定的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠导通。例如：一般晶闸管的导通时间在6μs左右，故触发脉冲的宽度至少在6μs以上，一般取20～50μs，对于大电感负载，由于电流上升较慢，触发脉冲宽度还应加大，否则脉冲终止时主回路电流还未上升到晶闸管的擎任电流以上，则晶闸管又重新关断，所以脉冲宽度下应小于300μs，通常取1ms，相当广50Hz正弦波的18°电角度。

触发脉冲的型式要有助于是晶闸管导通时间的一致性

对于晶闸管串并联电路，要求并联或者串联的元件要同一时刻导通，使两个管子中流过的电流及 或承受的电压及 相同。否则，由于元件特性的分散性，在并联电路中使导通较早的元件 超出允许范围，在串联电路中使导通较晚的元件 超出允许范围而被损坏，所以，针对上述问题，通常采取强触发措施，使并联或者串联的晶闸管尽量在同一时间内导通。

触发脉冲要有足够的移相范围并且要与主回路电源同步

为了保证晶闸管变流装置能在给定的控制范围内工作，必须使触发脉冲能在相应的范围内进行移相。

同时，无论是在可控整流、有源逆变还是在交流调压的触发电路中，为了使每—周波重复在相同位置上触发晶闸管，触发信号必须与电源同步，即触发信号要与主回路电源保持固定的相位关系。否则，触发电路就不能对主回路的输出电压Ud进行准确的控制。逆变运行时甚至会造成短路事故，而同步是由相主回路接在同一个电源上的同步变压器输出的同步信号来实现的。

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所以你提供3V电流，而没有提到电流，不能确保一定可以，但是如果你提供5V电压，再加上400mA左右的电流，一般的可控硅都可以可靠导通了！

2.2 正负半周可控硅触发电路原理

电路主要由一个同步变压套器B1 、两个脉冲变压器B2 、B3 ,两个双电压比较器LM393 (或一个四电压比较器LM339) 和两个三极管( T1 、T2) 组成,如图6 所示.

同步变压器B1 副边的同名端和异名端分别接电压比较器IC1 、IC2 的同相输入端. 副边的中性点接电压比较器IC1 、IC2 反相输入端,电压如图2 (Va) . 因而,两电压比较器分别在正、负半周输入正向电压,电压比较器LM393的特性是,当V+ - V- > 0. 5mv 时,输出端即为高电平,因此,每当电源电压过零后以微秒计的时间内,输出端电位由低电平跃变为高电平. 两电压比较器IC1 、IC2 的输出端分别经电阻R1 、R2 与电容器C1 、C2 相联接,并通过R3 、R4 与9V 电源相联接,当b 点电位为低电平时,电容器C1 通过R1 和电压比较器IC1 放电(LM393可吸入< 16mA 的电流) . 当b 点电位为高电平时,电源通过R3 对电容C1 充电. b 点b′电容器C1 与电压比较器IC3 的正端相接、IC3 的负端与随温度变化的电压控制器相接. 当电容器C1上的电压低于温控电压Vt 时, IC3 输出低电平,当电容器C1 上的电压高于温控电压Vt 时, IC3 输出高电平. 即IC3 输出的矩形波宽度随温度变化而变化,温度越高矩形波越窄,或说温度越高IC3 输

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出高电平时间越推迟,矩形波如图2 (Vd) .电压比较器IC3 输出端通过R7 接三极管T1 的基极,当IC3 输出为低电平时,三极管的基极电位不能使三极管导通,T1 处于截止状态,当IC3 输出为高电平时,T1 的基极电位提高,使T1 由截止状态变为导通状态,Ve 波形如图2 (Ve) . T1 导通后,电容器C3 通过T1 集电极放电;并与经R8 的电源电流共同组成集电极一发射极电流,这一电流通过脉冲变压器B2 初级,在B2 次级产生感应电势,Vg 波形如图2 (Vg) . 此感应电势使可控硅触发导通,达到控温目的. 同理,在电源负半周三极管T2 导通,电容器C4 通过T2 集电极放电;并与经R11的电源电流共同组成集电极一发射极电流,这一电流通过脉冲变压器B3 初级,在B3 次级产生感应电势,从而可达到与B2 工作相同的效果。

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3 保护电路

3.1 过电流保护

电流过大会引起导线过热,损坏绝缘甚至烧断导线、设备,利用熔断器或者电流继电器在电流过大时可以断开电流来保护电路。

3.2 过电压保护

一般来讲，瞬时过电压主要指雷电感应过电压和操作过电压，当感应雷击及雷电电磁脉冲通过电源线侵入电子系统时就会产生感应电动势，感应电动势叠加在电源线路上，就会产生瞬时高压脉冲，在线路上重叠的瞬态脉冲电压，通常远远高于一般电子设备所能承受的耐压水平，从而击毁各类用电设备，使设备遭受永久性的损坏。为了保护电子设备不受过电压的侵害。目前，预防瞬态骚扰的最有效的办法是采用浪涌吸收器件，常用的浪涌吸收器件就有压敏电阻，TvS管等等。它的基本用法是将该吸收器直接与被保护的用电设备并联。通常用一种或几种特殊脉冲波形的峰值电流来考核这些器件的浪涌吸收能力。目前国际和国内防护级产品标准中经常见到的是用8／20 冲击电流脉冲波形(电流脉冲的前沿是8 s，半峰波持续的时间是20 s)考核设备抗干扰性能。它是IEC801—5中规定的标准电流脉冲波。而通信系统中常用10／1000 Ms的冲击电流来考核。通常，供电电网中有时会出现高幅值(如1 kV左右)的瞬态脉冲电压，但电子镇流器由于受成本的限制，功率变换器件的参数余量不大，为使电子镇流器可靠工作，应对这种高幅值的瞬态干扰加以抑制。

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4 心得体会

这次课设给我的最大感受就是自己的知识太贫乏。拿到这个题目后却不知道如何下手了。平时学的知识都很零碎的存在脑袋里。用的时候去不能系统的组织起来。设计这电路费了很大的劲。刚开始对电路不很懂。不过通过这些实习。我理解了交流调压电路的原理,功能,作用。还有许多参数,每一步都不好走。终于把它给弄明白了。

通过这次实习让我学会了查资料。以前都没怎么进图书馆。开始设时,为了一个参数的选择,不得不在图书馆翻一本又一本的厚厚的书。真的快达到废寝忘食的地步了。

其次，我学会了使用CAD软件绘制电路图，虽说是自动化专业的学生，但也只解除了Pispice 这一电路绘制课程，对于绘制数字电路和模拟电路相结合的电路图，这次对CAD的运用，让我长了不少这方面的知识，从而也激发了我对相关知识的兴趣，有助于在以后的学习中有更好的进步。

最后，这次课程设计中给我留下的一点遗憾就是，开始的时候没能完全克服自己的惰性，秉着得过且过的心理对待课设的态度不够认真。课设让我明白了平常都是眼高手低。很多东西决的自己会,其实知道的只是一些皮毛。我想学任何东西都是要深入进去的,而不是只学到表面的。我对自己的专业知识也有了一个新的认识,我知道还有很多东西需要自己去努力,认真的学习。希望以后能够做到

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5 参考文献

[1] 陈伯时． 电力拖动自动控制系统一运动控制系统[M]，北京： 机械工业出版社， 2003

[2]陈超英.PWM型斩波式三相交流电压调节器.福建电力与电工，2001，21(3) [3]黄俊，王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006

[4]房绪鹏．斩控式交流调压器的几种新型拓扑[J] 电力电子技术，2002（2） [5]刘汉繁等.高性能交流电胝润节技术的发展概况[J]电工技术杂志，2000，(6) [6]孙云莲，陈允平，付立军.利用IGBT对间断负荷异步电动机进行P WM交流调压的研究.武汉水利电力大学学报，1999，32(2)

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