單相交流調壓電路仿真研究課程設計

1、皖西學院 單相交流調壓電路仿真研究提供全套畢業(yè)論文，各專業(yè)都有 目錄前言 .21.主電路設計.4 1.1.設計內容及初始條件 4 1.2.系統(tǒng)原理框圖41.3.工作原理 4 1.3.1.主電路工作原理 .4 1.3.2.晶閘管的工作原理.81.4.負載電流分析 91.5.單相交流調壓電路主電路和觸發(fā)電路（總電路）圖11 1.6.仿真參數(shù)設置 112.仿真 14 2.1.電阻性負載仿真波形14 2.1.1.波形分析 16 2.2.阻感性負載.162.2.1.波形分析19 2.3.實驗結果分析 203.控制電路的設計204.設計體會 225.參考文獻 23前言摘要深入學習單相調壓電路的工作原理，掌

2、握單相調壓電路帶純電阻負載和阻感性負載時的工作特性，并利用matlab的simulink仿真平臺和系統(tǒng)仿真模型庫對單相調壓電路構造模型并進行電路實驗仿真。電路模型由交流電源、反并聯(lián)的兩個晶閘管、觸發(fā)模塊、電阻負載和觀測示波器組成。實驗結果表明，組建的電路模型能夠產生理論上的調壓作用。關鍵詞：調壓電路；晶閘管；simulinkworkingprincipleofunderstandingofthesignal-phasevoltageregulatorcircuitswithpureresistanceoftheworkload,theuseofmatlabssimulinksimulation

3、platformandthetreasurysimulationmodelofthesigna-phasevoltageregulatorcircuitstructureandcircuitmodelsimulationexperiment.circuitmodelfromacpower,twoanti-parallelthyristor,triggermodule,loadresistance,andcompositionoftheoscilloscope.theresultsshowthattheformationofthecircuittogenerate-atheoreticalmod

4、eloftheroleoftheregulator.keywords:voltage-regulator-circuit；thyristor；simulink引言交交變換（）包括交流調壓和交交變頻。交流調壓是指不改變交流電壓的頻率而只調節(jié)電壓的大小的方法。過去交流調壓使用變壓器，在電力電子技術出現(xiàn)后，采用電力電子器件的交流調壓器不僅可以對電壓進行連續(xù)調節(jié)，并且體積小、重量輕、控制靈活方便，在燈光控制、家用風扇調速、交流電機的調壓調速和軟啟動以及交流電機的輕載節(jié)能運行中得到了廣泛的應用。交交變頻是通過電力電子電路的開關控制將工頻三相交流電直接轉換為其他頻率的單項或三相交流電，也稱直接變頻器和周波

5、變流器，一般交交變頻器在改變頻率的同時也調節(jié)電壓的大小，即實現(xiàn)控制。交流調壓電路可分為單相交流調壓電路和三相交流調壓電路。單相交流調壓電路是對單相交流電的電壓進行調節(jié)的電路。該電路主要應用在電熱控制、交流電動機速度控制、交流穩(wěn)壓器等場合，主要有燈光調節(jié)（如調光臺燈、舞臺燈光控制等），溫度調節(jié)（如工頻加熱、感應加熱、需控制的家用電器等），泵及風機等異步電動機的軟起動，交流電機的調壓調速（如紡織、造紙、治金等領域的調壓調速），隨電機負載大小自動調壓（對于起動機等有較長時間空載或輕載的電荷，自動調壓可以節(jié)省電能），變壓器初級調壓（在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，如采用晶閘管相控整流電路，需要很多

6、晶閘管串聯(lián)或并聯(lián)，若采用交流調壓電路在變壓器初級調壓。其電壓電流值都比較合理，在變壓器初級只要用二極管整流即可，從而達到減少體積、減低成本的目的）。與自耦變壓器調壓方法相比，交流調壓電路控制方便，調節(jié)速度快，裝置的重量輕、體積小，有色金屬消耗也少。單相交流調壓器常用于小功率單相電動機控制、照明和電加熱控制。通過用兩單相晶閘管反并聯(lián)組成的交流電壓控制器，可以方便地調節(jié)輸出電壓有效值。在使用中，交流調壓器的晶閘管控制通常有兩種方法：一是通斷控制。即把晶閘管作為開關將負載與交流電源接通幾個周期（工頻1周期為20ms）,然后再斷開一定的周期，改變通斷時間比值達到調壓的目的。這里晶閘管起到一個通斷頻率可

7、調的快速開關的作用。這種控制方式電路簡單，功率因素高，適用于有較大時間常數(shù)的負載，缺點是輸出的電壓或功率調節(jié)不平滑。二是相位控制。它是使晶閘管在電源電壓每一周期中、在選定的時刻內將負載與電源接通，改變選定的時刻可達到調壓的目的。在交流調壓器中，相位控制應用較多，下面主要分析相位控制的交流調壓器，并闡述作為基礎的單相交流電阻性電路的原理及工作情況。1.主電路設計1.1.設計內容及初始條件： 輸入為單相交流電源，有效值220v，要求完成的主要任務: （1）掌握單相交流調壓電路的原理；（2）設計出系統(tǒng)結構圖，并采用matlab 7.0simulink對單相交流調壓電路進行仿真；（3）采用protue

8、s設計出單相交流調壓主電路及采用kj004控制電路1.2.總體電路設計方案本系統(tǒng)主要設計思想是：采用兩個晶閘管反向并聯(lián)加負載為主電路，外加觸發(fā)電路；觸發(fā)電路控制晶閘管的導通，從而控制輸出。其系統(tǒng)框圖如下所示： 圖1-1 系統(tǒng)原理方框圖1.3.工作原理1.3.1.主電路工作情況 單相交流調壓電路帶阻感性負載時的電路以及工作波形如下圖1-2、1-3、1-4、1-5所示。產生的滯后是因為阻感性負載時電流滯后電壓一定角度，再加上移相控制所產生的滯后，使得交流調壓電路在阻感性負載時的情況比較復雜，其輸出電壓，電流與觸發(fā)角，負載阻抗角都有關系。當兩只反并聯(lián)的晶閘管中的任何一個導通后，其通態(tài)壓降就成為另一只

9、的反向電壓，因此只有當導通的晶閘管關斷以后，另一只晶閘管才有可能承受正向電壓被觸發(fā)導通。由于感性負載本身滯后于電壓一定角度，再加上相位控制產生的滯后，使得交流調壓電路在感性負載下大的工作情況更為復雜，其輸出電壓、電流波形與控制角、負載阻抗角都有關系。其中負載阻抗角,相當于在電阻電感負載上加上純正弦交流電壓時，其電流滯后于電壓的角度為。為了更好的分析單相交流調壓電路在感性負載下的工作情況，此處分三種工況分別進行討論。圖1-2電路圖（1）情況 上圖1-2所示為單相反并聯(lián)交流調壓電路帶感性負載時的電路圖，以及在控制角觸發(fā)導通時的輸出波形圖，同電阻負載一樣，在的正半周時，在時觸發(fā)vt1,vt1導通，輸

10、出電壓= ，電流 從0開始上升。當電壓到達過零點時，由于是感性負載，電流滯后于電壓，當電壓達到過零點時電流不為0電流不為零，之后繼續(xù)下降，vt1仍然導通，輸出電壓出現(xiàn)負值。直到電流下降到零時，vt1自然關斷，輸出電壓為零。正半周結束，期間電流從0開始上升到再次下降到0這段區(qū)間稱為導通角。由后面的分析可知，在工況下，因此在脈沖來之前已關斷，正負電流不連續(xù)。在電源的負半周導通，工作原理與正半周相同，在斷續(xù)期間，晶閘管兩端電壓波如下圖：圖 1-3 (情況下的波形)（2）=情況當控制角=時，當正半周vt1關斷時，vt2恰好觸發(fā)導通，在一個周期內兩只晶閘管輪流導通180。此時負載電流i。臨界連續(xù)，負載電

11、流是一個滯后電源電壓角的正弦電流。該工況下兩個晶閘管相當于兩個二極管，或輸入輸出直接相連，輸出電壓及電流連續(xù)，相當于晶閘管失去控制，無調壓作用。 圖 1-4=情況下的輸出波形(3) 情況在工況下，阻抗角相對較大，相當于負載的電感作用較強，使得負載電流嚴重滯后于電壓，晶閘管的導通時間較長，此時式仍然適用，由于，公式右端小于0，只有當時左端才能小于0，因此，如圖所示，如果用窄脈沖觸發(fā)晶閘管，在時刻被觸發(fā)導通，由于其導通角大于180，在負半周時刻為發(fā)出出發(fā)脈沖時，還未關斷，因受反壓不能導通,繼續(xù)導通直到在時刻因電流過零關斷時，的窄脈沖已撤除，仍然不能導通，直到下一周期再次被觸發(fā)導通。這樣就形成只有一

12、個晶閘管反復通斷的不正常情況，這一現(xiàn)象稱為“半相半波整流現(xiàn)象”負載電流i。始終為單一方向，在電路中產生較大的直流分量；因此為了避免這種情況發(fā)生，應采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)方式。 圖 1-5 下窄脈沖觸發(fā)方式時輸出波形 1.3.2.晶閘管的介紹 晶體閘流管簡稱晶閘管,也稱為可控硅整流元件(scr),是由三個pn結構成的一種大功率半導體器件。在性能上,晶閘管不僅具有單向導電性,而且還具有比硅整流元件更為可貴的可控性,它只有導通和關斷兩種狀態(tài)。三、晶體管的工作原理分析 在分析scr的工作原理時，常將其等效為兩個晶體管v1和v2串級而成。此時，其工作過程如下： 圖1-6 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

13、圖 a)雙晶體管模型 b)工作原理 如果ig(門極電流)注入v2基極，v2導通，產生ic2（ 2ig ）。它同時為v1的基極電流，使v1導通，且ic1= 1ic2,ic1加上ig進一步加大v2的基極電流，從而形成強烈的正反饋，使v1.v2很快進入完全飽和狀態(tài)。此時scr飽和導通，通過scr的電流由r確定為ea/r。uak之間的壓降相當于一個pn結加一個三極管的飽和壓降約為1v。此時，將ig調整為0，即ugk時，隨著的增加而減小。上述電路在控制角為時，交流輸出電壓有效值u、負載電流有效值i、晶閘管電流有效值i分別為：u=ui=2ii= i式中，i為當=0時，負載電流的最大有效值，其值為：i=為晶

14、閘管有效值的標玄值，其值為：=由上式可以看出，是及的函數(shù)下圖給出了以負載阻抗角為參變量時，晶閘管電流標幺值與控制角的關系曲線。 1-8 晶閘管電流標幺值與控制角的關系曲線當、已知時，可由該曲線查出晶閘管電流標幺值，進而求出負載電流有效值i及晶閘管電流有效值i。1.5.單相交流調壓主電路及觸發(fā)電路（總電路）圖如下: 圖1-9 protues isis下畫的單相交流調壓主電路及觸發(fā)電路圖1.6.仿真參數(shù)設置1建立一個仿真模型的新文件。在 matlab 的菜單欄上新建一個model文件這時出現(xiàn)一個空白的仿真平臺，在這個平臺上可以繪制電路的仿真模型。 2.在simulink菜單下面找到simpower

15、systems和simulink從中找出所需的晶閘管，交流電源，電壓表，電流表，示波器，阻感負載等。3.將找到的模型正確的連接起來，如下圖1-10所示 圖1-10 仿真模型圖 注：上圖是截圖，示波器所測波形從上至下依次是脈沖1、脈沖2、晶閘管電流、晶閘管電壓、負載電流、負載電壓波形。4.參數(shù)設置 觸發(fā)脈沖參數(shù)設置如下圖所示:其中將周期（period）設置為0.02觸發(fā)脈沖寬度（pulse width）設置為5相位滯后（phase delay）脈沖一觸發(fā)角可設為a=0-0.01之間的任意數(shù)，脈沖二的觸發(fā)角為b=a+0.01，他們之間的對應關系如下：觸發(fā)角相位滯后換算公式00相位滯后=(觸發(fā)角/1

16、80)0.01300.0017600.0033900.0051200.00671500.00831800.01負載參數(shù)設置如果負載為電阻性負載，則將電感（inductance）設為0，電容（capacitance）設為inf,電阻設置為200。如果主電路改接電阻電感負載，r可以再100200范圍內調節(jié)，取r=100，確定阻抗角a為30 ，由公式計算可得l=0.184h。電源參數(shù)設置電源電壓設為220v，頻率設為50hz,相位角設為0，采樣時間設為0。仿真器設置為便于觀察波形，將仿真時間設為0.06（三個周期）仿真算法（solver）設為ode23t，其他參數(shù)設為默認，設置好后的參數(shù)如下圖1-1

17、1所示： 圖1-112.仿真參數(shù)設置好后，點擊（start simulink）開始仿真，為便于比較，先將負載設為電阻性負載，改變觸發(fā)角，觀察波形變化，不同觸發(fā)角時的波形如下2.1電阻性負載仿真波形 圖 2-1 r=200,觸發(fā)角為0 圖2-2 r=200,觸發(fā)角為60 圖2-3 r=200,觸發(fā)角為120 圖2-4 r=200,觸發(fā)角為1802.1.1波形分析以上各圖分別為電阻性負載觸發(fā)角a為0,60, 120，180時所得的仿真波波形，圖中第一個波形為觸發(fā)脈沖的波形，第二個為晶閘管兩端電壓的波形，第三個波形為負載電流的波形，第四個波形為負載電壓的波形。此時負載為電阻性負載時，阻抗角為零，當觸

18、發(fā)角為零時即=0時，負載電流時連續(xù)的，當觸發(fā)0時，電流不連續(xù)。說明=為電流連續(xù)的臨界條件。負載電壓和負載電流波形一致，隨著觸發(fā)角的增大，波形的占空比減小，當觸發(fā)角為度時180時，負載電壓.電流波形為一條直線，由此可以說明單相交流調壓電路帶電阻性負載時的觸發(fā)角的取值范圍為0-180。2.2阻感性負載（1）將負載設為阻感性，電阻取100,電感值設為0.184h,阻抗角為30改變觸發(fā)角，觀察仿真波形。用脈沖寬度為10的寬脈沖觸發(fā)。 圖2-5 r=100歐姆,l=0.184h,觸發(fā)角為0 圖2-6 r=100，l=0.184h,觸發(fā)角為30 圖2-7 r=100,l=0.184h,觸發(fā)角為150（2）

19、負載依然是阻感性，電阻取100，電感取0.551h，此時阻抗角為60，改變觸發(fā)角，觀察仿真波形，用脈沖寬度為1的窄脈沖觸發(fā)。 圖 2-8 r=100，l=0.551h，觸發(fā)角為0 圖 2-9 r=100，l=0.551h，觸發(fā)角為60 圖2-10 r=100，l=0.551h，觸發(fā)角為1202.2.1波形分析 以上（1）中阻抗角為30，圖為觸發(fā)角為0,30,150時所得的仿真波波形，（2）中阻抗角為60，圖為觸發(fā)角為0，60，120所得的仿真波形。第一個波形為觸發(fā)脈沖的波形，第二個晶閘管兩端電壓的波形，第三個波形為負載電流的波形，第四個波形為負載電壓的波形。=時電流是連續(xù)的，時電流都不連續(xù)，在

20、的時候，如果觸發(fā)脈沖為寬脈沖（如1中），則電流是連續(xù)的，如果觸發(fā)脈沖為窄脈沖，則電流不連續(xù)。由此說明=是電流連續(xù)的條件，并且在寬脈沖的觸發(fā)的時候也可以得到連續(xù)的電流，其他情況下的電流都是不連續(xù)的。隨著觸發(fā)角的增大，負載兩端電流和電壓波形的占空比逐漸減小。電流和電壓有效值減小，由于電感的影響電流波形滯后于電壓波形，這是因為電感的儲能作用。當觸發(fā)脈沖到來時，正向晶閘管導通，電壓發(fā)生跳變，由于電感的作用，電流只能從零開始變化，同時電感開始儲能。當電源電壓變?yōu)樨摃r正向晶閘管并不能關斷，直到電感中的儲能釋放完，這就是負載兩端電壓和電流波形不一致的原因。并且可以知道觸發(fā)角的取值為0-180。2.3.實驗結

21、果分析（1）在主電路負載r=200，l=0h的電阻性負載時，觸發(fā)角為零的時候晶閘管兩端電壓的波形在在正負半周都是一條靠近x軸的直線，是因為電阻性負載在觸發(fā)角為零的時候兩個晶閘管是輪流導通的，其兩端電壓就是晶閘管的臨界導通電壓。（2）在主電路負載r=100，l=0.551h的阻感性負載時（此時阻抗角為60），在觸發(fā)角為零的時候，在窄脈沖的觸發(fā)下，晶閘管兩端電壓在正半周時基本為零，電流電壓不連續(xù)，基本上沒有負值，說明在的時候，在窄脈沖的觸發(fā)下，只有晶閘管vt1導通，晶閘管vt2基本上是一直處于截止狀態(tài)的。說明晶閘管只有在正向電壓下加門極電流觸發(fā)才能導通。（3）由以上的工作波形可得晶閘管不僅具有單向

22、導電性,并且晶閘管的導通電壓比較小，控制特性好，可以很好的充當開關。3控制電路（觸發(fā)電路）的設計晶閘管觸發(fā)電路的作用是產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要要的時刻有阻斷轉為導通。晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：1）觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，對反電動勢負載的變流器應采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)； 2）觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增加為器件最大觸發(fā)電流的3-5倍，脈沖前沿的陡度也許增加，一般需達1-2a/us；3）所提供的觸發(fā)脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內；4）應有的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。

23、kj004可控硅移相電路可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。器件輸出兩路相差 180 度的移相脈沖可以方便地構成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低有脈沖列調制輸出端等功能與特點。根據(jù)以上要求分析，kj004可控硅移項觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。 kj004可控硅移相電路工作原理電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電原理見下圖3-1；鋸齒波的斜率決定于外接電阻r6

24、、rw1流出的充電電流和積分電容c1的數(shù)值。對不同的移相控制電壓vy只有改變權電阻r1、r2的比例調節(jié)相應的偏移電壓vp。同時調整鋸齒波斜率電位器rw1可以使不同的移相控制電壓獲得整個移相范圍。r7和c2形成微分電路改變r7和c2的值可獲得不同的脈寬輸出。其封裝形式如圖3-2。圖3-1 觸發(fā)電路原理圖圖3-2 kj004引腳圖下面我們看一下kj004的引腳圖以及其功能引腳號功能 1 輸出 2 空 3.4 形成距齒波 5 vee 6 空 7 地 8 同步輸入 9綜合比較 10 空 11.12 微分阻容 13.14封鎖調制 15 輸出 16 +vcc4設計體會通過電力電子技術課程設計，我加深了對課本專業(yè)知識的理解，平常都是理論知識的學習，在此次課程設計中，真正做到了自己查閱資料、完成一個設計。在此次的設計過程中，我更進一步地熟悉了單相交流調壓電路的原理以及觸發(fā)電路的設計。當然，在這個過程中我也遇到了困難，通過查閱資料，相互討論，我準確地找出錯誤所在并及時糾正了，這也是我