影剧院白炽灯调光电路.doc

电力电子技术
课程设计(论文)
影剧院白炽灯调光电路

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
学生姓名
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
学生姓名
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%。

本科生课程设计（论文）
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；
目 录
第1章 绪论 1
1.1影剧院白炽灯调光电路概况 1
1.2本文设计内容 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I 18
附 录II 19

I
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本文设计内容
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。

18

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
输出电压范围为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，在每半个周波内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，调节的变化范围较小(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内；
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范围。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内因过电压两类。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；内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，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：当电力电子变换器内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，均可引起变换器内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。

输出
输入

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。其中交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：

图3.6 保护电路图

3.2 元器件型号选择
3.2.1参数计算与选择
根据要求分析，触发单元以前都是由分立元件构成的，它的控制精度查，可靠性低，不便于维修，因此，触发电路集成化非常必要。可控硅移相触发器KJ004，与分立元件组成的触发电路相比，具有移相线性好、移相范围宽、温漂小、可靠性高、相位不均衡度小等优点。

KJ004芯片其内部原理图如下：

图3.7 KJ004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。
KJ004的管脚功能如表3.1所示。
表3.1 KJ004的管脚功能表
功能
输出
空
锯齿波形成
-Vee(1kΩ)
空
地
同步输出
综合比较
空
微分阻容
封锁调制
输出
+Vcc
引线脚号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

KJ004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，外型尺寸按电子工业部部颁标准。《半导体集成电路外型尺寸》SJ1100—76。

图3.8 KJ004封装引脚图

计算
1) 阻容保护电路参数：
RC阻容保护电路参数根据经验值来选择。电容C的选择为：
(3-2)
电阻一般取40Ω。
2) 快速熔断器的选用原则：
和普通熔断器一样要考虑快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电 压有效值，熔断器(安装熔体的外壳)的额定电流应大于或等于熔体额定电流值。此外，快速熔断器熔体的额定电流是指电流有效值，而晶闸管额定电流是指通态电流平均值，其有效值为。故选用时要求：
(3-3)
式中：
—晶闸管通态电流平均值，—快速熔断器的熔体额定电流。
算得。所以选取额定电流大于等于的快速熔断器。
第4章 系统仿真
4.1Matlab仿真模型建立

图4.1 影剧院白炽灯调光电路仿真模型
影剧院白炽灯调光电路仿真是在MATLAB软件中的simulink环境下组建的电路模型，图4.1为影剧院白炽灯调光电路的模型图，图中触发脉冲g1和触发脉冲g2分别是反向并联晶闸管模块VT1，VT2的触发脉冲电路。
4.2Matlab仿真波形及数据分析

图4.2 a=0度时，影剧院白炽灯调光电路波形

图4.3 a=30度时，影剧院白炽灯调光电路波形

图4.4 a=60度时，影剧院白炽灯调光电路波形

图4.5 a=90度时，影剧院白炽灯调光电路波形

图4.6 a=150度时，影剧院白炽灯调光电路波形

图4.7 a=180度时，影剧院白炽灯调光电路波形
数据分析
上面图4.2图-4.7给出了分别为0度、 30度， 60度，90度、150度和180度时影剧院白炽灯调光电路的白炽灯负载的电压和电流的仿真波形。 当晶闸管触发控制角=0时，U=U2 ，负载两端的电压U和流过其电流的波形均为正弦波。当时，U、的波形为非正弦波，控制角从0—180度范围改变时，输出电压有效值U从U2下降到0，控制角对输出电压U的移相可控区域是0—180度。把角等于0度、 30度， 60度，90度、150度和180度分别代入下式
(4-1)
可求得
(4-2)
(4-3)

(4-4)

(4-5) (4-6)

(4-7)
观察图4.2至图4.7的仿真波形，可得到随着角增大，负载两端电压U的波形的曲线部分的宽度越来越窄，则其有效值将不断减小。 由此可知，理论分析与仿真结果是一致的。在Simulink 环境下利用电力系统模块库中的电力电子器件组建影剧院白炽灯调光电路，并对电路进行相应的理论分析和仿真实验。仿真实验结果表明，通过控制角的大小，影剧院白炽灯调光电路能够方便调节白炽灯亮度。
第5章 总结
此次课程设计的题目是影剧院白炽灯调光电路，电路图比较简单，但必须弄清楚其原理及相互间的区别及联系。本课设对交流调压和调功电路的诠释更加深入，特别是对调压电路中α的变化对波形的影响首次清楚认识，即α、θ、φ之间的变化关系，以及不同φ时，标幺值与α之间的关系。
此次电路的难点在于触发电路的设计。选用了集成触发电路KJ004，但是要应用它还需加上很多外围电路。最后通过查阅各种资料完成了设计，同时也对触发电路有了更多的了解。在画电路图时，proteus里没有KJ004这个元器件，故还需要自己画一个芯片、封装来应用，不过不能用其来进行仿真。
然后实际中要加入很多保护电路来保证电路的稳定、安全运行。这里因为其电流很大，又考虑到晶闸管的换相过电压，就加入了快速熔断器，并给晶闸管加了缓冲电路。平时设计对这些保护电路都没有怎么考虑，这次课程设计让我对各种保护电路也有了个了解和学会选择。
此次仿真让我对MATLAB的simulink仿真有了进一步的了解,对元器件的作用和选择，构成电路的大致步骤都加深了印象。仿真时出了一些问题，通过不断地努力都解决了。同时发现MATLAB的功能真是十分强大，仿真方式和普通仿真软件有较大差别，各有好处，在以后的设计中可以互补使用。

本人签字：
参考文献
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[19] 周克宁.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2009
[20] 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2011.

附 录I
总体电路图

附 录II
元器件清单
元器件名称
参数
元器件名称
参数
触发器
JK004
变压器
1P1S
电容
0.3F
晶闸管
2N1595
熔断器
FU-805
三极管
2N1132A
电阻
40
滑动变阻器
1K