單相調(diào)壓電路設(shè)計.doc

電力電子技術(shù)課程設(shè)計單相調(diào)壓電路設(shè)計姓名：學(xué)號：班級：時間：指導(dǎo)教師：目錄1一.仿真軟件MATLAB簡介2二.設(shè)計目的2三.單相交流電調(diào)壓電路原理.2四.設(shè)計原理5五.MATLAB仿真.6六.當(dāng)電感值和晶閘管開通角變化時的負(fù)載電壓和觸發(fā)脈沖波形.8七.諧波分析.19八.Protel簡介.19九.印刷電路板.24十.小結(jié)25十一.教材及參考書.25十二.附錄.26單相調(diào)壓電路設(shè)計2一.仿真軟件MATLAB簡介MATLAB是集數(shù)值計算、符號運算及圖形處理等強大功能于一體的科學(xué)計算工具，作為強大的科學(xué)計算平臺，它幾乎可以滿足所有的計算要求。另外，MATLAB還針對許多專門的領(lǐng)域開發(fā)出了功能強大的模塊集或工具箱，如：電力系統(tǒng)仿真工具箱(SimPowerSystems)等。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)出來的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的模型而不需要自己編寫代碼。當(dāng)今社會的發(fā)展如此迅猛，高性能、低成本以及生產(chǎn)和更新?lián)Q代周期短已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)對產(chǎn)品設(shè)計的最基本要求，模型化、模塊化以及動態(tài)仿真是產(chǎn)品設(shè)計者對設(shè)計工具的最基本要求，而MATLAB中的Simulink是其中可以完全滿足此要求的幾個工具軟件之一。MATLAB提供的Simulink仿真軟件實際上提供了一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真的圖形用戶環(huán)境，并且憑借MATLAB在科學(xué)計算上的強大功能，建立了從設(shè)計構(gòu)思到最終要求的可視化橋梁，大大彌補了傳統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)工具的不足。Simulink是用模塊組合的方法來使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型，特別對于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，效果更為明顯。Simulink模型可以用來模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或兩者的混合系統(tǒng)。另外，Simulink還為用戶提供一套圖形動畫的處理方法，使用戶可。以方便地觀察到仿真的整個過程。它還能夠用MATLAB自身語言或c、c+語言、FORTRAN語言，根據(jù)s函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)格式寫成用戶自己定義的功能模塊，其擴充性非常強。其中電力系統(tǒng)仿真工具箱功能強大，工具箱內(nèi)部的元件庫提供了經(jīng)常使用的各種電力元件數(shù)學(xué)模型，并且提供了可以自己編程的方式創(chuàng)建適合的元件模型。二設(shè)計目的1.通過對單相調(diào)壓電路的設(shè)計，掌握單相調(diào)壓電路的工作原理，綜合運用所學(xué)知識進(jìn)行單相調(diào)壓電路和系統(tǒng)設(shè)計的能力。2.了解與單相調(diào)壓電路拓?fù)洹⒖刂品椒ā?.理解和掌握單相調(diào)壓電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護(hù)電路的設(shè)計方法，掌握元器件的選擇計算方法。4.具有一定得電力電子電路及系統(tǒng)實驗和調(diào)試的能力。三單相交流電調(diào)壓電路原理單相交流調(diào)壓電路是對單相交流電的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的電路。用在電熱控制、交流電動機速度控制、燈光控制和交流穩(wěn)壓器等場合。與自耦變壓器調(diào)壓方法相比，交流調(diào)壓電路控制方便，調(diào)節(jié)速度快，裝置的重量輕、體積小，有色金屬消耗也少。結(jié)構(gòu)原理交流調(diào)壓電路的一般結(jié)構(gòu)如圖1a所示。按一定的規(guī)律控制交流開關(guān)S1的通斷，即可控制輸出的負(fù)載電壓u0。按單相交流調(diào)壓電路的控制方式有周波控制調(diào)壓、相位控制調(diào)壓和斬波控制調(diào)壓。采用前兩種控制方式的單相交流調(diào)壓電路如圖1b所示。圖1c所示。是斬波控制的單相交流調(diào)壓電路，圖中的雙向開關(guān)S2是續(xù)流開關(guān)。3(1)周波控制調(diào)壓適用于負(fù)載熱時間常數(shù)較大的電熱控制系統(tǒng)。控制圖1b所示。中晶閘管導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間之比，使交流開關(guān)在某幾個周波連續(xù)導(dǎo)通，某幾個周波連續(xù)關(guān)斷，如此反復(fù)循環(huán)地運行，其輸出電壓的波形如圖2所示。改變導(dǎo)通的周波數(shù)和控制周期的周波數(shù)之比即可改變輸出電壓。為了提高輸出電壓的分辨率，必須增加控制周期的周波數(shù)。為了減少對周圍通信設(shè)備的干擾，晶閘管在電源電壓過零時開始導(dǎo)通。在負(fù)載容量很大時，開關(guān)的通斷將引起對電網(wǎng)的沖擊，產(chǎn)生由控制周期決定的分?jǐn)?shù)次諧波，這些分?jǐn)?shù)次諧波引起電網(wǎng)電壓閃變。這是其缺陷。4（2）相位控制調(diào)壓利用控制觸發(fā)滯后角的方法，控制輸出電壓。晶閘管承受正向電壓開始到觸發(fā)點之間的電角度稱為觸發(fā)滯后角。在有效移相范圍內(nèi)改變觸發(fā)滯后角，即能改變輸出電壓。有效移相范圍隨負(fù)載功率因數(shù)不同而不同，電阻性負(fù)載最大，純感性負(fù)載最小。圖3是阻性負(fù)載時相控方式的交流調(diào)壓電路的輸出電壓波形。相控交流調(diào)壓電路輸出電壓包含較多的諧波分量，當(dāng)負(fù)載是電動機時，會使電動機產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩和附加諧波損耗。另外它還會引起電源電壓畸變。為減少對電源和負(fù)載的諧波影響，可在電源側(cè)和負(fù)載側(cè)分別加濾波網(wǎng)絡(luò)。（3）斬波控制調(diào)壓使開關(guān)在一個電源周期中多次通斷，將輸入電壓切成幾個小段，用改變小段的寬度或開關(guān)通斷的周期來調(diào)節(jié)輸出電壓。斬控調(diào)壓電路輸出電壓的質(zhì)量較高，對電源的影響也較小。圖4是斬波控制的交流調(diào)壓電路的輸出電壓波形。在斬波控制的交流調(diào)壓電路中，為了在感性負(fù)載下提供續(xù)流通路，除了串聯(lián)的雙向開關(guān)S1外，還須與負(fù)載并聯(lián)一只雙向開關(guān)S2。當(dāng)開關(guān)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷時，輸出電壓等于輸入電壓；開關(guān)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通時，輸出電壓為零。控制開關(guān)導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間之比即能控制交流調(diào)壓器的輸出電壓。開關(guān)S1、S2動作的頻率稱斬波頻率。斬波頻率越高，輸出電壓中的諧波電壓頻率越高，濾波較容易。當(dāng)斬波頻率不是輸入電源頻率的整數(shù)倍時，輸出電壓中會產(chǎn)生分?jǐn)?shù)次諧波。當(dāng)斬波頻率較低時，分?jǐn)?shù)次諧波較大，對負(fù)載產(chǎn)生惡劣的影響。將斬波信號與電源電壓鎖相，可消除分?jǐn)?shù)次諧波。斬波控制的交流調(diào)壓電路的功率開關(guān)元件必須采用功率晶體管或其他自關(guān)斷元件，所以成本較高。5四.設(shè)計原理本設(shè)計中采用相位控制調(diào)壓的方式。把兩個晶閘管反并聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流電力。這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電力控制電路。在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。交流電源只有一相時，稱為單相調(diào)壓電路。主電路原理圖如下：圖5圖5是單相交流電路主電路圖，兩個晶閘管反并聯(lián)串聯(lián)在交流電路中，在每半個周波內(nèi)對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸出交流電壓的有效值，實現(xiàn)交流調(diào)壓。由于交流調(diào)壓電路的工作情況和負(fù)載有很大關(guān)系，因此分別進(jìn)行討論。單相交流調(diào)壓負(fù)載在電阻負(fù)載時，晶閘管的導(dǎo)通角只與控制角有關(guān)，分別對兩個晶閘管的開通角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負(fù)半周起始時刻(=0)6均為電壓過零時刻，在穩(wěn)態(tài)情況下，應(yīng)使正負(fù)半周的相等。的移相范圍應(yīng)為0。對觸發(fā)脈沖的要求除了要保證與電源同步外，脈沖本身的寬度也要保證晶閘管能正常導(dǎo)通。單相交流調(diào)壓負(fù)載是阻感性負(fù)載時，在電壓反向過零時，由于電感產(chǎn)生的感應(yīng)電勢阻礙電流的變化，晶閘管不能立即關(guān)斷，導(dǎo)電時間延長，此時，晶閘管的導(dǎo)通角不但與控制角有關(guān)，還與負(fù)載的阻抗角=arctan（WL/R）有關(guān)。當(dāng)時，兩個晶閘管VT1和VT2得導(dǎo)通角均小于，且越小，越大。此時可以進(jìn)行正常交流調(diào)壓，輸出電流既不連續(xù)也非正弦。當(dāng)=時，=，電流波形為正弦波。當(dāng)0時，假設(shè)某一時刻觸發(fā)VT1，則VT1的導(dǎo)通時間將超過。到wt=+時刻觸發(fā)VT2時，由于電感的作用，負(fù)載電流尚未過零，VT1仍在導(dǎo)通，VT2不會立即開通。直到負(fù)載電流過零后，如果VT2的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度而尚未消失，VT2開通，但其導(dǎo)通時間將小于。此后VT1的導(dǎo)通時間逐漸縮短，VT2的導(dǎo)通時間逐漸延長。穩(wěn)態(tài)工作時，VT1和VT2的導(dǎo)通時間都趨近到，與=時相同。但如果觸發(fā)脈沖寬度不夠，負(fù)載電流過零時觸發(fā)脈沖已經(jīng)消失VT2將無法開通，造成每個周期VT1導(dǎo)通一次而VT2始終無法導(dǎo)通，負(fù)載電流只有半周。這會產(chǎn)生很大的直流分量而危及負(fù)載，同時對電網(wǎng)也帶來不利影響，為保證單相交流調(diào)壓電路在阻感負(fù)載時能正常工作，其觸發(fā)脈沖的寬度必須大于-，因此所采用的觸發(fā)電路必須輸出寬脈沖或脈沖列。五MATLAB仿真元器件ACVoltage交流電源，工頻220vLinearTransformer線性變壓器Thyristor晶閘管，用于調(diào)壓SeriesofRLCbranch串聯(lián)RLC支路，設(shè)置負(fù)載類型，R=0.5，L=2mHPulseGenerator脈沖發(fā)生器PowerGUI電力圖形用戶接口，用來進(jìn)行電路系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析Voltagemeasurement