影剧院白炽灯调光电路.docx
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影剧院白炽灯调光电路
电力电子技术
课程设计(论文)
影剧院白炽灯调光电路
样张1
院(系)名称
电子与信息工程学院
专业班级
电子信息工程
学号
130404029
学生
热孜瓦姑丽.库尼都斯
指导教师
起止时间:
2015.12.21—2015.12.31
课程设计(论文)任务及评语
院(系):
电子与信息工程学院教研室:
电子信息工程
学号
130404029
学生
热孜瓦姑丽.库尼都斯
专业班级
电子131
课程设计(论文)题目
影剧院白炽灯调光电路
课程设计(论文)任务
任务要求:
影剧院在入场、退场及中间时刻对照明的亮度有不同的要求,利用晶闸管调节交流电压,从而改变白炽灯的亮度,满足观众的视觉要求。
要求完成主电路设计、通过计算选择器件的具体型号、若采用隔离变压器确定变压器变比及容量、触发电路设计或选择。
技术要求:
1、交流电源:
单相220V。
2、输出交流电压Ud在0~220V连续可调。
3、输出电流最大值10A。
4、电阻阻负载,即20只100W白炽灯。
5、根据实际工作情况,最小控制角取200~300左右。
指导教师评语及成绩
平时成绩:
答辩成绩:
论文成绩:
总成绩:
指导教师签字:
年月日
注:
平时成绩占20%,答辩成绩占40%,论文成绩占40%。
摘要
影剧院白炽灯调光电路是单相交流调压电路的一种,单相交流调压电路是对单相交流电的电压进行调节的电路。
用在电热制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等合。
与自耦变压器调压方法相比,交流调压电路控制便,调节速度快,装置的重量轻、体积小,有色金属耗也少。
在电路中只具有单一的交流电压,在电路中产生的电流,电压都以一定的频率随时间变化。
比如在单个线圈的发电机中(即只有一个线圈在磁场中转动)。
单相交流调压电路是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,可以方便的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,也可用作调节整流变压器一次侧电压,其二次侧为低压大电流或高压小电流负载常用这种方法。
采用这种方法,可使变压器二次侧的整流装置避免采用晶闸管,只需要二极管,而且可控级仅在一侧,从而简化结构,降低成本。
关键词:
单相交流调压电路;灯光调节;交流—交流变换电路货物;
第1章绪论1
1.1影剧院白炽灯调光电路概况1
1.2本文设计容1
第2章影剧院白炽灯调光电路总体设计方案2
2.1影剧院白炽灯调光电路总体设计方案2
第3章影剧院白炽灯调光电路设计3
3.1具体电路设计3
3.1.1主电路设计3
3.1.2控制电路设计4
3.1.3保护电路设计6
3.2元器件型号选择8
3.2.1参数计算与选择8
第4章系统仿真11
4.1Matlab仿真模型建立11
4.2Matlab仿真波形及数据分析12
第5章总结16
参考文献17
附录I18
附录II19
第1章绪论
1.1影剧院白炽灯调光电路概况
影剧院白炽灯调光电路是交流—交流变换电路的一种,是电力电子线路的基本形式之一,即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,可以方便的调节输出电压有效值。
影剧院即采用这种方法调节灯光。
采用这种方法,可使变压器二次侧的整流装置避免采用晶闸管,只需要二极管,而且可控级仅在一侧,从而简化结构,降低成本。
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。
1.2本文设计容
本文是基于单相交流调压电路来研究影剧院白炽灯调光电路,通过网络和书籍收集资料提出了本文的经济技术论证,并设计了主电路,通过方案给定的数据计算分析选择出电气元件的具体型号,主电路设计后设计触发电路,之后设计总体的电路图,最后利用matlab仿真验证电路是否准确。
第2章影剧院白炽灯调光电路总体设计方案
2.1影剧院白炽灯调光电路总体设计方案
输出电压围为220V,所以方案选白炽灯代替电阻性负载或阻感性负载。
在交流电源的正半周和附半周,分别为VT1和VT2的触发延迟角进行控制就可以调节输出电压。
正半周和附半周起始时刻过零时刻。
在稳态情况下,应使正半周和附半周的相等。
可以看出,负载电流和负载电压的波形相同,因此的变化就可实现输出电压的控制。
本电路采用单相交流调压器带白炽灯负载时的电路图如图1所示,在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管VT1,VT2相连。
图1.1白炽灯负载单相交流调压电路
第3章影剧院白炽灯调光电路设计
3.1具体电路设计
3.1.1主电路设计
所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中,在每半个周波通过控制晶闸管开通相位,可以方便的调节输出电压的有效值。
交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软启动,也用于异步电动机调速。
此外,在高电压小电流或低电压大电流之流电源中,也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。
本次课程设计主要是研究单相交流调压电路的设计。
由于交流调压电路的工作情况与负载的性质有很大的关系,因此下面就反电势电阻负载予以重点讨论。
图3.1、图3.2分别为反电势电阻负载单相交流调压电路图及其波形。
图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。
在交流电源U2的正半周和负半周,分别对VT1和VT2的移相控制角进行控制就可以调节输出电压。
图3.1白炽灯负载单相交流调压电路
图3.2白炽灯负载单相交流调压电路波形
正、负半周起始时刻(=0),均为电压过零时刻。
在时,对VT1施加触发脉冲,当VT1正向偏置而导通时,负载电压波形与电源电压波形相同;在时,电源电压过零,因电阻性负载,电流也为零,VT1自然关断。
在时,对VT2施加触发脉冲,当VT2正向偏置而导通时,负载电压波形与电源电压波形相同;在时,电源电压过零,VT2自然关断。
当电源电压反向过零时,由于反电动势负载阻止电流变化,故电流不能立即为零,此时晶闸管导通角的大小,不但与控制角有关,而且与负载阻抗角有关。
两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点。
稳态时,正负半周的相等,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似。
3.1.2控制电路设计
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。
1.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。
2.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,调节的变化围较小(00≤α≤900)。
3.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。
触发电路设计:
晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲,保证晶闸管在需要要的时刻有阻断转为导通。
广义上讲,晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路,但这里专指脉冲的放大和输出环节。
晶闸管触发电路应满足下列要求:
1)触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通,对反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发;
2)触发脉冲应有足够的幅度,对户外寒冷场合,脉冲电流的幅度应增加为器件最大触发电流的3-5倍,脉冲前沿的陡度也许增加,一般需达1-2A/us;
3)所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额,且在门极伏安特性的可靠触发区域之;
4)应有的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
由于交流调压调功电路中只用到两个晶闸管,而KJ004有两个输出口,故用一片KJ004即可。
由KJ004的典型连接图画得此次触发电路如下图。
图3.3触发单元接线图
其中,同步串联电阻R4的选择按下式计算:
这里R4选用15KΩ。
电路原理:
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围。
触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。
R8和C2形成微分电路,
(3-1)
改变R8和C2的值,可获得不同的脉宽输出。
KJ004的同步电压为任意值。
3.1.3保护电路设计
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,采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。
1)过电压的产生及过电压保护:
电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和因过电压两类。
外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因,包括:
操作过电压、雷击过电压;因过电压主要来自电力电子装置部器件的开关过程,包括:
换相过电压、关断过电压。
过压保护的基本原则是:
根据电路中过压产生的不同部位,加入不同的附加电路,当达到—定过压值时,自动开通附加电路,使过压通过附加电路形成通路,消耗过压储存的电磁能量,从而使过压的能量不会加到主开关器件上,保护了电力电子器件。
保护电路形式很多。
这里主要考虑晶闸管在实际应用中一般会承受的换相过电压,故可用阻容保护电路来实现保护。
当电路中出现电压尖峰时,电容两端电压不能突发的特性,可以有效地抑制电路中的过压。
与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量,同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。
阻容保护电路如图3.4所示。
2)过电流的产生及过电流保护:
引起过流的原因:
当电力电子变换器部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败,以及交流电源电压过高或过低、缺相等,均可引起变换器元件的电流超过正常工作电流,即出现过流。
由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多,因此,必须对变换器进行适当的过流保护。
图3.4阻容保护电路
常见的过电流保护电路有如下一些形式。
图3.5过电流各种保护措施及配置位置
变换器的过流一般主要分为两类:
过载过流和短路过流。
在晶闸管变换器中,快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施,可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。
其流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用,但要求正常工作时,快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额,这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。
直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用,对元件无保护作用。
只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好,因为它们流过同—个电流。
因而被广泛使用。
保护电路图
将快速熔断器和RC阻容保护电路放入电路中:
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