晶闸管交流调功器的设计毕业设计

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1、 本 科 毕 业 设 计 第 51 页 共 51 页1 绪论1.1 选题背景及意义1.1.1 本课题的意义在工农业生产及科学实验中，经常要对生产过程及实验环境进行温度控制。用于金属热处理的加热炉需要消耗大量的电能，而且温度控制是纯滞后的一阶大惯性环节。现有企业多采用常规仪表加接触器的断续控制，随着科技进步和生产的发展，这类设备对温度的控制要求越来越高，除控温精度外，对温度上升速度及下降速度也提出了可控要求，显而易见常规控制难以满足这些工艺要求。所以现在在对系统性能有较高要求的场合多采用晶闸管作为功率控制元件，晶闸管交流调功器也得到广泛应用1。晶闸管也叫可控硅常用的有两种控制方式，即移相触发控制

2、方式和过零触发控制方式。 移相调压是通过改变导通角的大小来调整输出电压，这种触发方式连续性好，输出电压平稳，无电压冲击，能够限制瞬时电流，适合各种类型的负载。目前变压器，电感线圈以及变阻性负载均采用这种触发方式。但是这种触发方式会对电网产生谐波污染。 变周期过零调功是在正弦波的过零点触发。过零触发方式又称调功方式，这种方式是通过改变给定周期内晶闸管导通的周波数来达到控制功率的目的。这一方式最大的特点是负载上得到的是完整的正弦波，不存在电流突变波形，所以减少了谐波干扰及对电网产生的影响，有利于功率因数的改善。电压表、电流表的表针只有轻微的抖动，多台调整器运行时避免了电流的集中。因为在正弦波的零点

3、触发所以对电网没有污染，功率因数高，但无法限制瞬时电流，故不能用于感性和变阻性负载，恒阻性负载一般都采用这种触发方式2。由于晶闸管是电力电子元件，而随着国民经济的发展，电力电子设备已在许多行业中得到广泛的应用。但是，许多设备却存在着一个不可忽视的电网污染问题，这类设备都是通过调节晶闸管的触发角来控制负载上的电压、电流等参量的。在热处理加热炉调功器的应用中也是以晶闸管为开关元件，对三相功率进行控制，从而实现对加热系统的温度进行控制。以往采用较多的是移相触发控制。采用这种控制方式，负载上得到的电压是缺角的正弦波，负载电流中包含有大量高次谐波，它不但会产生严重的射频辐射，干扰通讯，还作为谐波源引起电

4、网电压波形的畸变。随着越来越多的大功率移相调功设备的投网运行，其危害也越来越引起人们的密切关注。因为电网电压波形的非正弦化，对联网的各种用电设备都会带来很坏的影响。它在各种用电设备中产生附加损耗，造成设备效率降低乃至损坏和烧毁；它可以使自动控制和继电保护装置失灵，甚至引起电力系统中的谐振现象。对此国家有关部门已经制定和试行了严格限制大功率移相调功设备投网和限期改造的具体措施。所以研制一种既能克服移相调功污染电网、干扰通讯，又能实现对三相交流功率进行精细调节的新型调功设备是十分必要的。由于对晶闸管的过零触发方式比移相触发存在种种优势，因此对晶闸管使用过零触发控制的调功电路将被采用。它是在电网电压

5、过零时触发晶闸管导通，通过改变导通与关断的周波数之比即晶闸管的斩割比来改变负载得到的平均功率。斩割比愈高，则输出的平均功率愈高，反之愈小。负载上的电压波形总是完整的正弦波，因此不会产生波形畸变和高频干扰3。1.1.2 调功器的现实应用晶闸管交流调功器广泛应用于以下领域： 电炉工业：退火炉，烘干炉，淬火炉，烧结炉，坩埚炉，隧道炉，熔炉，箱式电炉，井式电炉，熔化电炉，滚动电炉，真空电炉，台车电炉，淬火电炉，时效电炉，罩式电炉，气氛电炉，烘箱实验电炉，热处理，电阻炉，真空炉，网带炉，高温炉，窑炉，电炉 机械设备：包装机械，注塑机械，热缩机械，挤压机械，食品机械，回火设备，塑料加工，红外加热 玻璃工业

6、：玻璃纤维，玻璃成型，玻璃融化，玻璃印制，浮法玻璃生产线，退火槽 汽车工业：喷涂烘干，热成型 节能照明：隧道照明，路灯照明，摄影照明，舞台灯光 化学工业：蒸馏蒸发，预热系统，管道加热，石油化工，温度补偿 其它行业：盐浴炉，工频感应炉，淬火炉温控，热处理炉温控，金刚石压机加热，大功率充磁/退磁设备，航空电源调压，中央空调电加热器温控，纺织机械，水晶石生产，粉末冶金机械，彩色显像管生产设备，冶金机械设备，石油化工机械，灯光平滑调节，恒压恒流恒功率控制等领域。1.2 晶闸管交流调功器的设计内容及要求1.2.1 设计内容晶闸管交流调功器采用过零触发电路、周波数控制方式，输出0100%可调节的波形呈正弦

7、波群的电压和电流，使负载从电源吸取功率的平均值连续平滑可调。调功器避免了相位控制时缺角正弦波产生的无线电射频干扰，使晶闸管触发导通时的瞬态浪涌电流大为减少。它用于以镍络或铁镍铝等电阻材料为发热元件的电加热器的温度自动控制，与PID温度调节仪或计算机、温度传感器和电加热器组成闭环温控系统，温控精度可达0.5% 1%4。晶闸管交流调功器的设计主要包括主电路设计和控制电路设计两部分。主电路主要由低压断路器、交流接触器、反并联晶闸管、电流互感器和各种保护电路等组成。控制电路主要由过零检测电路、锯齿波产生电路、导通比电路、过流截止电路、“与”门电路和触发电路组成。1.2.2 设计要求 控制温度精度100

8、05。 控制电路设计中能够接收温控调节仪表输出的05V、010V、420mA的控制信号。 控制电路可以实现对010V控制信号的手动控制。 控制电路可以对温控调节仪表输出的010V、05V的模拟量，开关量控制信号实现自动控制。 控制电路可以对温控调节仪表输出的420mA的模拟量控制信号实现自动控制。 控制电路可以实现对外控触发脉冲的封锁。 控制电路应包括过流保护电路，当主电路过流时控制电路可以实现对六路触发脉冲的封锁，达到保护晶闸管的目的。 主电路中各元件的计算与选择和保护电路各元件的计算与选择。 用MATLAB软件实现对主电路的仿真，验证预期结果。1.3 晶闸管交流调功器的设计原理及方案1.3

9、.1 设计原理自动控温晶闸管交流调功器的典型框图如图1.1所示。点画线部分为调功器。图1.2为主要环节输出波形图。脉冲触发电路(6) (5)PIDFU VT TA RL (1) (4) (3)BST （2）图 1.1 晶闸管交流调功器基本原理框图 同步电源电路零位信号锯齿波控制电压导通比信号触发脉冲输出功率图 1.2 主要控制电路波形 快速熔断器FU、反并联晶闸管VT、电流互感器TA等组成调功器的主电路。零脉冲电路(1) 、锯齿波发生电路（2）、导通比电路(3) 、过流截止电路(4) 、“与”门电路(5)和脉冲触发电路(6)组成调功器的控制电路。电加热器负载RL,温度传感器BST及PID调节器

10、（温控调节仪表）通过外控开关S与调功器组成闭环控制,可自动调节温度。温控调节仪表接收来自温度传感器输出的温度信号，经与设定值比较，输出直流控制信号与锯齿波发生电路输出的锯齿波信号综合后，获得导通比信号。“与”门电路(5)接收三个信号。首先是电路（1）触发脉冲,即“零脉冲”信号；其次是电路(3)周期性输出的高电平连续可调的导通比(占空比)信号；第三是电路（4）输出的过流截止信号。后2个信号“允许”时（高电平），门电路才输出零位触发脉冲。晶闸管的导通时间（周波数）受导通比控制。平滑调节导通比信号，就能平滑调节导通周波数，达到调节功率控制温度的目的5。1.3.2 设计方案(1) 主电路主电路采用反并

11、联晶闸管对或双向晶闸管。如KP型、KS型元件或晶闸管模块。保护方式设计同一般的晶闸管变流装置。晶闸管上并联RC缓冲电路，配置快速熔断器作短路保护，金属氧化物（压敏电阻）作浪涌电压吸收器等。此外，在控制电路中设置过电流截止环节。一旦测知过流信号，迅速（至多延迟10ms）有效地使晶闸管截止，能在快速熔断器动作之前截止过电流，保护晶闸管和快速熔断器。还应指出，晶闸管即使在关断时，负载与电源仍有电的连接，因此在主电路上仍需配置接触器和断路器等带触头的开关电器。三相主电路接线方式有多种。拟采用三相四线制接线，反并联晶闸管电路6。(2) 控制电路控制电路中为达到设计要求应包括 05V/010V的转换电路。

12、 420mA/010V的转换电路。 采用由运放组成的锯齿波发生电路。 导通比电路使用由运放构成的比较器电路。 过电流保护电路中从主电路取样的电流信号经整流电路后与设定值比较使保护电路动作到达过流保护的目的。 过零触发电路采用MOC3061系列光电双向可控硅驱动器，这是一种新型的光耦合器件，它可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。用该器件触发晶闸管，具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。(3) 控制方式由于加热炉的热惯性及滞后时间都较大，温度调节过程只能是一种不断的振荡过程，温差很大，要使温度平稳下来，必须使用输出大小能连续变化的调节器，并引入比例(P)、微分(D)、积分(I)调节规律

13、来提高温度的调节质量。为此，我采用了以PID温度数字调节仪（温控调节仪表）、周波控制电路、反并联晶闸管组成的晶闸管交流调功器控温系统，较好地解决了此问题7。2 晶闸管交流调功器的主电路设计2.1 调功器主电路设计及各元件的计算和选取2.1.1 晶闸管交流调功器主电路联结形式的选择晶闸管交流调功器可以接星形负载，也可以接三角形负载。各接线方法如图2.1所示。其中星形联结电路又可分为三相三线和三相四线两种情况。ABCNa）ABCb)ABCc)图2.1 主电路各连接形式a)三相四线电路双向控制b)三相三角形电路双向控制 c)三相三线电路双向控制(1) 三相四线三个单相交流调功电路的组合，三相互相错开

14、120工作，基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线。这种方法存在的问题是：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流，=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。(2) 三相三线在电阻负载时，任一相导通须和另一相构成回路。从波形分析可知：该联结电路对晶闸管的耐压和电压上升率的要求都提高了，而且对星形负载，由于中点漂移，负载中点与接地外壳的耐压水平必须按线电压进行考虑。其特点是由两相构成回路，电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发，触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样。 谐波情况：电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)，和三相全控桥相同，谐波次数

15、越低，含量越大。和单相相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。所以大多数选择三相四线电路。2.1.2 晶闸管交流调功器的特点输出功率100%75%50%25%2%1%图2.2 定周期晶闸管交流调功器输出波形定周期晶闸管交流调功器是以晶闸管为零电压无触点开关，在固定的周期T内（例如一秒钟），改变输出的交流电周波数来达到控制输出功率的目的，即输出功率随周期内波群数的变化而变化，其输出波形如图2.2所示。 变周期晶闸管交流调功器输出的正弦波是均匀分布的，又叫间隔式调功器，其中重复周期以最小正弦波间隔安排，例如最小周期是输出功率为50%的时候，周期为40毫秒（0.04秒），即导通

16、一个周波，关断一个周波，在最大和最小输出功率时周期最大，如在输出功率为99.9%时，周期为20秒，即导通999个周波，关断1个周波，输出功率为0.1%，周期亦为20秒，即导通一个周波，关断999个周波。其输出波形如图2.3所示。输出功率100%75%(T=0.08s)50%(T=0.04s)25%(T=0.08s)10%(T=0.2s)1%(T=2s)0.5%(T=4s)0.1%(T=20s)图2.3变周期晶闸管交流调功器输出波形以上两种改变周期内周波数的连续控温方式，精度高，温度波动小，是一种新型的控温方式。本设计采用定周期晶闸管过零调功。晶闸管交流调功器采取正弦波过零触发方式，输出为完整的

17、正弦波，因而其辐射干扰、传导干扰和负载电流的瞬态浪涌也最小。晶闸管交流调功器运行时无噪音，寿命长，效率比电磁装置高（达99%），功率因数也高（），有利于节约电能8。2.1.3 主电路各元件的计算与选择晶闸管交流调功器的主电路如图2.4所示三相电源经断路器HD和交流接触器Km接到三组反并联的晶闸管上，通过晶闸管的通断来改变阻性负载上的功率。A1、B1接到控制电路JP1-1、JP1-5端子上，给控制电路提供380V电源。RS1、RS2、RS3为快速熔断器，R1、R2、R3为压敏电阻,RC为阻容吸收回路，LMa、LMb、LMc为电流互感器，通过端子JP4-3、JP4-4、JP4-5接入控制电路。图2

18、.4 晶闸管交流调功器主电路（1）调功器的额定容量 (2.1)式中：晶闸管调功器的额定输出电压； 晶闸管调功器的额定输出电流；负载的功率因数；电源相数。选型时，选取额定容量要比电阻炉功率大20%左右。因本设计中所选电阻炉为SXZ-8-10型箱式电阻炉，额定电压：380V，额定温度：1000，功率：8kW，相数：3相，重量：193Kg，炉膛尺寸：（深*宽*高）mm:400*250*160，外型尺寸（深*宽*高）mm:860*578*590因此，调功器额定容量为：(2) 晶闸管元件的选择91) 晶闸管的额定电 (2.2) = = 取2) 晶闸管的额定电流如果晶闸管导通时负载的电流有效值为,则此时流

19、过每一个晶闸管的电流有效值为/，根据晶闸管电流计算的原则，晶闸管的通态平均电流应满足： (2.3)调功器额定容量为9.6kW，由公式 ()得： 代人式(2.3)得：取 由计算所得的晶闸管的额定电压和额定电流可以选取KP20-1400的晶闸管元件。其中晶闸管的额定电压级别如表2.1所示。表2.1晶闸管额定电压级别额定电压（V）100200300400500600700级数1234567额定电压（V）80090010001200140016001800级数891012141618额定电压（V）2000220024002500260028003000级数20222425262830(3) 低压断路器

20、的选择低压断路器的选取原则：1) 低压断路器的额定电压应不低于所在线路的额定电压。2) 低压断路器的额定电流应不小于它所安装的脱扣器额定电流10。由公式()得到,因此选用DZ5-20/200型的低压断路器。额定电压:380V(AC),额定电流：20A，无脱扣，极数：2（4）交流接触器的选择交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。交流接触器的选取原则：1) 交流接触

21、器的额定电压应大于或等于所在线路的额定电压。2) 交流接触器的额定电流应大于或等于所在线路的额定电流11。由公式()得到,，所以选取CJ20-40型交流接触器。额定电压：380V，额定电流：40A(5) 温度传感器的选择1） 工业中常用温度传感器的分类温度是测量频度最高的物理参数，并且可采用各种各样的传感器来进行测量。所有这些传感器均通过检测某种物理特性的变化来推断温度。最常用的三种温度传感器是热电偶、电阻温度计(RTD)和NTC 热敏电阻,见图2.5 所示。温 度温 度温 度电 压电 阻电 阻热电偶电阻温度计（RTD）热敏电阻（NTC）图2.5 常用的三种温度传感器 热电偶由两个焊接在一起的

22、异金属导线(以形成两个结点)所组成。结点之间的温差会在两根导线之间产生热电电位(即电压)。通过将参考结点保持在已知温度上并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，而且体积极小。不过，它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺陷。 电阻温度计(RTD)是能够显示电阻值随温度变化情况的绕丝或薄膜螺旋管。虽然常用的金属是铜、镍和镍铁合金等，但采用铂制成的RTD具有最佳的线性、可重复性和稳定性。凭借其上佳的线性和无与伦比的长期稳定性，铂RTD牢固确立了自己作为温度参考传递国际标准的地位。尽管薄膜铂RTD提供了性能匹配，但标准等级线绕电阻则在成

23、本、外形尺寸和便利性方面更胜一筹。早期的薄膜铂RTD饱受漂移的困扰，原因是它们具有较高的表面积与体积之比，因而令其对污染更加敏感。后来，薄膜隔离和封装的改进消除了这些问题，使得薄膜RTD一举超越线绕电阻和NTC热敏电阻而成为温度传感器之首选。 NTC热敏电阻由金属氧化物陶瓷组成，是低成本、灵敏度最高的温度传感器。同时，它们也是线性最差的温度传感器，并具有负温度系数。热敏电阻拥有各种外形尺寸、基极电阻值以及电阻-温度(R-T)函数关系曲线，可供简化封装和输出线性化电路之用。通常将两个热敏电阻组合起来使用，以使输出具有较好的线性。常用的热敏电阻具有10%-20%的互换性。虽然可提供1%的精确互换性

24、，但花费的成本往往要高于铂RTD。普通的热敏电阻可在有限的工作温度范围内呈现出上佳的电阻稳定性，而在较宽的温度范围内工作时则表现出中等水平的稳定性(在125条件下为2%/1000 小时) 12。综上所述，并根据电阻炉的实际加热情况选择热电偶温度传感器。2） 热电偶的选取原则由于本设计中的电阻炉加热温度为1000，所以选取WRP-130型热电偶。分度号：S，测量范围（）：01300，保护管材料：高铝质。（6） 温控调节仪表的选择温度的自动控制由温控调节仪表完成,现代温控调节仪表具有下述功能:1）实测温度和设定温度的数字显示；2）温度上限和下限报警的设置；3）输出控制功率执行信号,模拟信号或逻辑信

25、号；4）使温度上升不过冲和很快稳定的P、I、D 控制参数, P、I、D参数可调范围宽。停电后无须重新设置设定点；少量的操作按钮,面板整洁。在本设计中选取XMT8008C型温控调节仪表，输出420mA控制信号并具有上述的各项功能。2.2 主电路各保护元件的计算与选取晶闸管对于热、瞬态峰值电压、瞬态峰值电流是很敏感的，所以调功器保护电路的设计应针对上述三个方面进行。2.2.1 晶闸管的热保护选择适当的散热器，利用电风扇对晶闸管强迫风冷，进行温度保护。2.2.2 晶闸管过电压保护（1）压敏电阻过电压保护压敏电阻器简称VSR，是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件。它在电路中用文字符号“RV”或

26、“R”表示，图2.6是其电路图形符号。图2.6压敏电阻器的电路图形符号压敏电阻器是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。压敏电阻器可以对IC及其它设备的电路进行保护，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流（如雷击等）而造成对它们的损坏。使用时只需将压敏电阻器并接于被保护的IC或设备电路上，当电压瞬间高于某一数值时，压敏电阻器阻值迅速下降，导通大电流，从而保护IC或电器设备；当电压低于压敏电阻器工作电压值时，压敏电阻器阻值极高，近乎开路，因而不会影响器件或电器设备的正常工作。压敏电阻具有正反向陡峭的电压特。利用该特性，将压敏电阻并联在调功器电源电压的输

27、入端，就能把电源的尖峰电压钳制在压敏电阻击穿电压值之内。选择击穿电压适当小于晶闸管反向重复峰值电压的压敏电阻，并考虑其适合的电流容量，就能使晶闸管受到保护。表2.2和图2.7可以给我们一个比较直观的说明。从中我们可以看到，型号为20D201K的压敏电阻器随着外加电压从180V上升到420V，其电阻值从18M下降为0.42，在这个过程里，电压仅上升了2.33 倍，而电阻值下降了4280 多万倍。由此可见压敏电阻器的电阻值对外加电压的变化是非常“敏感”的。表2.2 20D201K 压敏电阻器的电阻值随外加电压的变化U(V)180192200250310356420R()250313.560.421

28、00 150 200 250 300 350 400 450 外加电压（V）1.0E+081.0E+071.0E+061.0E+051.0E+041.0E+031.0E+021.0E+011.0E+001.0E-01电阻值（）图2.7 20D201K压敏电阻电阻值与外加电压的关系压敏电阻额定电压的选择 （2.4）式中：压敏电阻承受的额定电压峰值（V）压敏电阻通流容量的选择 （2.5）式中：调功器额定电流（A）因此选取MY31-1000/5型压敏电阻。（2）阻容吸收过电压保护在实际晶闸管电路中，常在其两端并联RC串联网络，该网络常称为RC阻容吸收电路。晶闸管有一个重要特性参数断态电压临界上升率。

29、它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的电压上升率的值，则会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况。因为晶闸管可以看作是由三个PN 结组成的。在晶闸管处于阻断状态下，因各层相距很近，其J2 结结面相当于一个电容C0。当晶闸管阳极电压变化时，便会有充电电流流过电容C0，并通过J3 结，这个电流起了门极触发电流作用。如果晶闸管在关断时，阳极电压上升速度太快，则C0的充电电流越大，就有可能造成门极在没有触发信号的情况下，晶闸管误导通现象，即常说的硬开通，这是不允许的。因此，对

30、加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制13。为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感)，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。RC吸收电路，在晶闸管的两个主端子之间并联RC电路如图2.8所示。图2.8 晶闸管

31、两端阻容保护电路接法由于电容两端电压不会突变，当电网出现瞬时过电压的时，RC电路可旁路过电压，又能抑制。RC的参数根据晶闸管的电流，电压参数选取。大多数情况下阻容保护的数值一般根据经验选定，如下表2.3所示。RC电路如果并联在调功器的电源输入端，对电网的瞬时过电压也有抑制（吸收）作用。表2.3 与晶闸管并联的阻容经验数据晶闸管额定电流（A）1020501002005001000电容（uF）0.10.150.220.250.515电阻（）1008040201052根据晶闸管的额定电流，查上表可知选取C=0.15uF，R=80电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.5倍。 （2.6） 因

32、此选取CJ31A型金属化纸介电容器。标称容量：0.15uF,额定电压：400V，耐压：600V。电阻功率为： （2.7） 因此选取RJ20型功率型金属膜电阻器。RJ20 70额定功率：3W，阻值范围：1390k，最大工作电压：500V。2.2.3 晶闸管过电流保护采用快速熔断器过电流保护，既对晶闸管进行热保护，也进行瞬时过电流保护。快速熔断器的选取原则14：（1）快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。（2）快速熔断器熔体的额定电流是指电流有效值，晶闸管额定电流是指通态电流平均值。选用时要求： （2.8）式中：快速容断器容体额定电流；快速容断器额定电流；（3）熔断器(安装熔体的外壳)

33、的额定电流应大于或等于熔体额定电流值。由公式()得到,，故选取RL1-15型快速熔断器，额定电压：380V，额定电流：15A，熔体额定电流：15A2.2.4 电流互感器的选择电流互感器的选取原则：（1）一次绕组的额定电压应不低于安装地点电网的额定电压。（2）一次绕组的额定电流取线路最大工作电流或变压器额定电流的1.21.5倍。因此选取TR0198B/TR2198B型电流互感器。输入：0200A，输出：（0100mA）。2.3 主电路的MATLAB仿真为了验证调功器对温度自动控制的效果，本设计中利用MATLAB软件对调功器的主电路进行了仿真，以验证调功器主电路的工作原理。2.3.1 MATLAB

34、软件在电力电子技术中的应用电力电子应用技术综合了微电子、电路、电机学、自动控制等多学科知识，是电能变换与控制的核心技术，在工业、能源、交通、国防等各个领域发挥着越来越重要的作用。然而，由于电力电子器件所固有的非线性特性，使得对电力电子电路及系统的分析十分困难。现代计算机仿真技术通过在计算机平台上模拟实际的物理系统，为电力电子电路及系统的分析提供了有效的方法，大大简化了电力电子和传动系统的分析与设计过程，成为相关专业学生和工程技术人员学习和研究电力电子应用技术的重要手段。计算机仿真需要用数学模型代替实际的电力电子装置，通过数值方法求解数学方程，获得电力电子电路及系统中各状态变量的运动规律。但是，

35、复杂的数学建模、数值计算及编程过程仍然需要耗费巨大的工作量，阻碍了计算机仿真技术在工程中的应用15。为此，出现了PSPICE、SABER、MATLAB等适用于电力电子电路及系统仿真的专用仿真软件。这些软件将各种功能子程序模块化，提供了完善的部件模型，用户只需简单的操作便可完成给定系统的仿真模型，成为广大学生和工程技术人员在学习、科研和开发过程中的必备工具。早期的MATLAB软件主要用于数值计算及控制系统的仿真和分析，经过多年不断地扩展，目前涉及通信、信号处理、电气工程、人工智能等诸多领域，已经成为风靡全球的科学计算软件。MATLAB中提供的“SimPowerSystems”,是进行电力电子系统

36、仿真的理想工具，与PSPICE和SABER等仿真软件进行器件级别的仿真分析不同，SimPowerSystems中的模型更加关注器件的外特性，易于与控制系统相连接。SimPowerSystems模型库中包含常用的电源模块、电力电子器件模块、电机模型以及相应的驱动模块、控制和测量模块，使用这些模块进行电力电子电路系统、电力系统、电力传动等的仿真，以直观易用的图形方式对电气系统进行描述16。Simulink是MATLAB的一个附加组件，为用户提供了一个建模与仿真的工作平台。由于它的许多功能都是基于MATLAB软件平台的，而且必须是在MATLAB环境下运行，有人也将Simulink称之为MATLAB的

37、一个工具箱。它能够实现动态系统建模与仿真的环境集成，且可以根据设计及使用的要求，对系统进行修改与优化，以提高系统工作的性能，实现高效开发系统的目的17。2.3.2 基于MATLAB的主电路仿真结果启动MATLAB6.1，进入SIMULINK后新建文档，绘制三相交流调功系统模型图如图2.9所示。双击各模块，在出现的对话框内设置相应的参数。设置好各模块参数后，单击仿真按钮，得到如图2.10所示的仿真结果。图2.9 用MATLAB绘制的主电路图2.10基于MATLAB的主电路仿真结果3 调功器控制电路的设计调功器可以达到精确的控温精度，其控制电路起了核心作用。调功器的控制电路包括：电源电路、锯齿波发

38、生电路、转换电路、导通比电路、过电流保护电路和过零触发电路。3.1 稳压电源电路稳压电源电路为整个控制电路提供了+15V、-15V和+10V的稳压电源，以使整个控制电路可以可靠的工作。在图3.1中变压器B、桥式整流电路D1D4、集成稳压电路7815、7915、7810分别为控制电路提供+15V、-15V和+10V电源。图3.1 稳压电源电路三端集成稳压器与分立元件组成的稳压器相比，具有体积小、性能高、工作可靠及使用方便等优点，适合在各种电子设备中作为电压稳定器。三端集成稳压器的种类主要有三端固定式稳压器和三端可调式稳压器两种。三端集成稳压器大多采用串联稳压方式。它由启动电路、基准电路、误差放大

39、器、调整管、取样电阻及保护电路等组成。它与分立元件的串联调整稳压器电路工作原理完全相同。7815系列为3端正稳压电路,TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。7915系列为3端负稳压电路,TO-220封装，有不同的固定输出电压，应用范围广。输出电流可达1A ，输出电压可为-15V，芯片内有过热保护，短路保护，输出晶体管SA补偿。同样7810提供+10V电压。三相电源中的A、B两相接入控制电路中JP1-1、JP1-5端子，经电源电路输出+15V、-15V、+10

40、V电源以使控制电路正常工作。其中+10V为调功器010V手动控制提供电源。DF1为电源指示灯。3.2 锯齿波发生电路的设计在整个控制电路中，锯齿波发生电路是控制电路的核心。电路如图3.2所示。图3.2 锯齿波发生电路它发出的锯齿波信号与温控调节仪表输出的控制信号和过电流保护电路反馈回来的过流信号相“与”然后产生导通比信号从而控制触发晶闸管的零位脉冲。电路中由LM358、LM339、晶闸管SCR1和电容C组成锯齿波发生电路，通过对电容C的充放电得到锯齿波信号。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的

41、工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358 的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为236V，双电源电压为1V18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用。取R14=10K，R15=20K，R17=10K，WR5=20K。R15从15V电源上分得10V电压给电容C13充电，取C13=10uF。电容C13上的电压线性增长

42、，同时10V电压经电压跟随器接至LM339的同相输入端，其值和电容C13上的电压一样呈线性增长并与其反相输入端的10V电压比较。当同相端的电压增加到大于10V时，LM339输出高电平使SCR1导通。电容C13上的电压迅速下降，所以C13上的电压是幅值为10V的锯齿波。3.2 转换电路的设计由于温控调节仪表输出的控制信号为05V、010V、420mA的信号，而控制电路中使用的是010V的控制信号，因此在控制电路中应当包括05V/010V、420mA/010V的转换电路。转换电路是由LM224和一些电阻构成的。电路如图3.3所示。图3.3 转换电路图控制电路的JP2-1端子输出10V电压，外接电位

43、器R接入端子JP2-1和JP2-3。调节电位器R可以改变接到端子JP2-5的电压，通过开关DIP3接入导通比电路。实现010V控制电压信号的手动调节。开关K闭合后+5V电压通过端子JP2-2使三极管T2导通由此导致三极管T1的基极接地。因此T1截止从而使MOC3061的输入端不能被导通，实现了对触发脉冲的封锁。温控调节仪表输出的010V控制信号从端子JP2-4输入，通过开关DIP3接入导通比电路。实现010V控制信号的自动调节。温控调节仪表输出的420mA控制信号从端子JP3-2(+)、JP3-1(GND)输入，经内部变换后从端子JP3-3输出010V信号，此信号又从端子JP2-4输入作为控制

44、电路的控制信号。实现了420mA信号到010V信号的转换。温控调节仪表输出的05V控制信号从端子JP3-4(+)、JP3-5（GND）接入。经内部变换后变成010V的控制信号，通过开关DIP4接入导通比电路，实现了05V信号到010V信号的转换。3.3 导通比调节电路的设计温控调节仪表输出的控制信号与锯齿波发生电路发出的锯齿波信号相比较从而产生导通比信号。导通比调节电路是由LM339构成的电压比较器。控制信号从比较器的同相端输入，锯齿波信号从反相端输入。当控制信号大于锯齿波信号时比较器输出高电平，同理，当控制信号低于锯齿波信号时比较器输出低电平。所以，从导通比调节电路输出的是一系列高低电平的导

45、通比信号。电路如图3.4所示。图3.4 导通比调节电路温控调节仪表输出的控制信号经控制电路转换成010V的信号后从开关DIP3和DIP4输入到导通比电路的同相端。锯齿波发生电路经电压跟随器LM358输入到导通比电路的反相端。比较后输出的导通比信号从开关DIP5接到T1管的基极，从而控制触发电路MOC3061的输入端实现对触发电路的控制3.4 过流保护电路的设计D9D14、运放LM224和晶闸管SCR2等元件组成过电流保护电路。电流互感器从主电路取样的电流信号经整流后与WR7的过流设定值比较，若大于过流设定值则输出高电平，SCR2导通，通过GD4使T1管的基极接地，使MOC3061的输入端截止而

46、将六路触发脉冲输出封锁，过流指示灯DF5亮。同时继电器J1线圈得电使主电路常闭触点断开，主电路与电源切断。电路如图3.5所示。过电流保护点的整定： 将交流互感器接入主电路。 将交流电流取样信号接入过电流保护电路的输入端。 把过流保护电路中的电位器WR7顺时针调至最大值。 调节给定电位器，增大负载电流增至1.1倍的额定输出电流。 逆时针缓慢调节电位器WR7使过电流保护动作，控制电路中过流指示灯DF5亮，脉冲输出指示灯DF2DF4熄灭。此时的电流值即为过电流保护的设定值。图3.5 过流保护电路3.5 过零触发电路的设计在许多电加热的温度控制系统中，经常采用晶闸管过零触发调功方式控温。这种触发方式中

47、晶闸管输出为正弦波，波形无畸变、电磁干扰少、无噪音等。但常见的晶闸管过零触发装置由同步电路（对三相电源）、检零电路、隔离电路等部分组成，结构复杂。触发电路与主回路之间由于有电的联系，易受电网电压波动和电源波形畸变的影响。而采用MOTOROLA公司生产的MOC3021MOC3081器件可以很好地解决这些问题。本设计采用MOC3061触发晶闸管过零调功。MOC3061系列光电双向可控硅驱动器是一种新型的光电耦合器件, 它可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。用该器件触发晶闸管,具有结构简单、成本低、触发可靠等优点18。3.5.1 MOC3061系列概述MOC3061系列光电双向可控硅驱动

48、器是美国摩托罗拉公司最近推出的光电新器件。该系列器件的特点是大大加强了静态 能力, 保证了电感负载稳定的开关性能。由于输入与输出采用光电隔离, 绝缘电压可达7500V 。MOC3061系列有MOC3061、MOC3062及MOC3063。它们的差别只是触发电流不同，MOC3061最大触发电流为15mA ,MOC3062为10mA ,MOC3063为5mA 。MOC3061系列可以用来驱动工作电压为220V (240V )的交流双向可控硅。当交流负载电流较小时, 如200mA 以下, 也可以直接用它带负载。MOC3061 系列产品适用于电磁阀及电磁铁控制、电机驱动、温度控制等, 也可用于固态继电

49、器、交流电源开关等场合。由于采用了光电隔离, 并且能用TTL电平驱动, 它很容易与微处理器接口, 进行各种自动控制设备的实时控制。3.5.2 内部结构与基本特性MOC3061 系列采用双列直插6引脚封装形式,如图3.6所示。器件由输入、输出两部分组成。1、2 脚为输入端,输入级是一个砷化镓红外发光二极管(LED),该二极管在515mA 正向电流作用下,发出足够的红外光,触发输出部分。3、5 脚为空脚, 4、6 脚为输出端, 输出级为具有过零检测的光控双向可控硅。当红外发光二极管发射红外光时,光控双向可控硅触发导通。该器件的极限参数如表3.1所示, 电气特性如表3.2所列。 图 3.6 MOC3

50、061引脚排列及内部电路表3.1MOC3061极限参数( = 25)参 数数 值单 位红外发射二极管反响电压6V正向连续电流60mA总功耗120mW输出驱动截止状态时的端电压600V峰值重复浪涌电流1A总功耗150mW整个器件绝缘电压7500Vac总功耗250mW结温范围-40+100工作环境温度范围-40+85贮存温度-40+150焊接温度260表3.2 电学特性电学特性最小值典型值最大值单位输入 LED反向漏电流（6V）-0.05100uA正向电压（=30mA）-1.31.5V输出检测峰值阻塞电流两个方向-60500nA静态电压变化率6001500-V uS耦合LED触发电流mAMOC30

51、61-15mAMOC3062-10mAMOC3063-5mA保持电流红外发射二极管-100-uA抑制电压-520V峰值阻塞电流两个方向-500uA绝缘电压7500-Vac3.5.3 典型应用电路MOC3061在热线开关中的应用电路如图3.7所示，在可控硅驱动中的实际电路如图3.8所示。图中R1为限流电阻，使输入的LED电流分别为15mA(MOC3061 )、10mA(MOC3062 )、5mA (MOC3063)即可。R1可按式（3.1）计算: （3.1）式中:为红外发光二极管的正向电压,可取1.21.4V；为红外发光二极管触发电流,可按表2选择, 若工作温度在25 以下，应适当增加。R2 是

52、双向可控硅的门极电阻,当可控硅灵敏度较高时, 门极阻抗也很高, 并上R2可提高抗干扰能力。R3是触发功率双向可控硅的限流电阻,其值由交流电网电压峰值及触发器输出端允许重复冲击电流峰值决定,可按式（3.2）选取: （3.2）式中:为交流电路中的峰值电压；为峰值重复浪涌电流(一般可取1A)。另外39电阻和0.01uF电容组成浪涌吸收电路,防止浪涌电压损坏双向可控硅。建议用该电路驱动两个反并联(背对背)的可控硅开关(元件) ,图中稳压管可选用1N4001 ,电阻R2和R3可选择300。图3.7 热线开关应用电路图3.8 可控硅驱动电路在本设计中用MOC3061触发反并联晶闸管的电路如图3.9所示。导

53、通比信号通过开关DIP5接到T1管的基极。当导通比信号为高电平时T1管导通从而使MOC3061的输入端导通，发光二极管发出红外光。输出部分受到红外光照射，同时输出端电压接近零时才导通。实现了对晶闸管的触发19。图3.9 基于MOC3061的晶闸管触发电路4 控温系统的整体分析调功器可以实现对温度的手动和自动控制。电阻炉、热电偶、温控调节仪表、控制电路和主电路组成了闭环温度自动控制系统。4.1 控温电路的分析（1）手动温控调节模式：010V 的控制信号从外接电位器R中点经端子JP2-5（+）/JP2-3（GND）接入控制电路。调节电位器即可改变晶闸管在设定周期内控制主电路输出正弦波周波数的多少，

54、达到调节负载或电加热功率的目的。（2）自动温控调节模式：调功器的控制电路与温控调节仪表及相应的温度检测传感器可以组成自动控温系统。1）010V/05V 模拟量调节自动控温系统温控调节仪表输出的010V 模拟量控制信号从控制电路端子JP2-4（+）/JP2-3（GND）接入。05V 模拟量控制信号从控制电路端子JP3-4（+）/JP3-5（GND）接入。温控仪表输出的模拟量调节电压大小，即可改变调功器输出的正弦周波的数量，通过改变负载功率达到自动控温的目的。2）010V/05V 开关量交流开关系统调节仪表输出的010V 开关量控制信号从控制电路端子JP2-4（+）/JP2-3（GND）接入。05

55、V 开关量控制信号从控制电路端子JP3-4（+）/JP3-5（GND）接入。当调节仪表输出的开关量为低电平(0V)时，可控硅处于关断状态；当调节仪表输出的开关量为高电平(10V 或5V)时，可控硅处于全导通状态。3）420mA 模拟量调节自动控温系统温控调节仪表输出的420mA 模拟量控制信号从控制电路端子JP3-2（+）/JP3-1（GND）接入。经内部变换后输出后，从端子JP3-3 输出010V 的控制信号；此信号又从端子JP2-4接回控制电路内，温控仪表输出的模拟量调节电流的大小即可改变调功器输出正弦周波的数量，达到改变负载功率实现自动控温的目的。(3) DIP 开关控制功能DIP1：当

56、开关置on 位，010V 自动调节输入端JP2-4 接入输入电路；当开关置off 位，JP2-4 与输入回路断开。DIP2：当开关置on 位，010V 手动调节输入端JP2-5 接入输入电路；当开关置off 位，JP2-5 与输入回路断开。DIP3：当开关置on 位，010V 输入信号接入导通比调节电路；当开关置off 位，010V输入信号与导通比调节电路断开。DIP4：当开关置on 位，05V 输入信号接入导通比调节电路；当开关置off 位，05V输入信号与导通比调节电路断开。DIP5：当开关置on 位，导通比信号控制输出回路导通比；当开关置off 位，导通比信号禁止输出。（4）过流保护与外

57、脉冲封锁：电流互感器取样的电信号经整流后，与WR7的过流设定值比较后输出高电平，SCR2 导通，将六路触发脉冲输出封锁，过流指示灯DF5 亮。外加+5V 的直流脉冲电压于JP2-2、JP2-3(GND)端子即可直接封锁6路触发脉冲输出。4.2 功率调节与控温精度调功器的输出功率与导通比关系为 （4.1）式中：调功器额定输出容量(晶闸管连续导通时获得的全功率)；定运行周期内的导通周波数；源频率Hz。在设定运行周期后，调功器输出功率与成线性关系。设计良好的调功器，其PID输出电流与周波数成线性关系，则可以得到，输出功率与控制电流成线性关系。调功器用于阻性负载，以半周波为控制单位。设运行周期为1s(

58、远小于电炉的热时间常数)。当工频电源供电时，调功器的最“细”输出功率。晶闸管调功器能线性平滑地调节功率、快速响应的优良调功性能是传统的控温方法难以做到的。调功器、温度传感器和电炉构成的闭环控制系统中，控制对象是温度。当电炉温度大大低于设定值时，PID输出信号大。在本设计中由于温控调节仪表输出的是010V的控制信号，而锯齿波发生电路输出的锯齿波幅值为10V，当温差很大时温控调节仪表输出的PID控制信号为10V。此时，控制信号与锯齿波信号没有交点，导通比信号是幅值为10V的高电平。，调功器连续全输出。随着温度上升，PID进入比例带工作，输出直流控制信号按PID规律变化，逐渐减少，调功器向电炉供给功率相应减少。温度向设定值逼近