单相交流调压电路仿真研究课程设计

1、目录前言.21.主电路设计.41.1.设计内容及初始条件441.4.4.891.（总电路）图111.6.仿真参数设置112.仿真142.1.电阻性负载仿真波形14 2.1.1.波形分析162.2.阻感性负载.162.2.1.波形分析1920202223前言摘要 深入学习单相调压电路的工作原理，掌握单相调压电路带纯电阻负载和阻感性负载时的工作特性，并利用Matlab的Simulink仿真平台和系统仿真模型库对单相调压电路构造模型并进行电路实验仿真。电路模型由交流电源、反并联的两个晶闸管、触发模块、电阻负载和观测示波器组成。实验结果表明，组建的电路模型能够产生理论上的调压作用。 

2、;关键词：调压电路；  晶闸管 ； Simulink working principle of understanding of the signal-phase voltage regulator circuits with pure resistance  of the work load, the use of Matlab'

3、;s Simulink simulation platform and the Treasury Simulation Model of the signa-phase voltage regulator circuit structure and circuit model simulation experiment. Circuit model from 

4、;AC power, two anti-parallel thyristor, trigger module, load resistance, and composition of the oscilloscope. The results show that the formation of the circuit to generate- a

5、 theoretical model of the role of the regulator. Key words:voltage- regulator- circuit ；Thyristor ； Simulink 引  言 交交变换（）包括交流调压和交交变频。交流调压是指不改变交流电压的频率而只调节电压的大小的方法。过去交流调压使用变压器，在电力电子技术出现后，采用电力电子器件的交流调压器不仅可以对电压

6、进行连续调节，并且体积小、重量轻、控制灵活方便，在灯光控制、家用风扇调速、交流电机的调压调速和软启动以及交流电机的轻载节能运行中得到了广泛的应用。交交变频是通过电力电子电路的开关控制将工频三相交流电直接转换为其他频率的单项或三相交流电，也称直接变频器和周波变流器，一般交交变频器在改变频率的同时也调节电压的大小，即实现控制。交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。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。该电路主要应用在电热控制、交流电动机速度控制、交流稳压器等场合，主要有灯光调节（如调光台灯、舞台灯光控制等），温度调节（如工频加热、感应加热、需控制的家用电器等），泵及风

7、机等异步电动机的软起动，交流电机的调压调速（如纺织、造纸、治金等领域的调压调速），随电机负载大小自动调压（对于起动机等有较长时间空载或轻载的电荷，自动调压可以节省电能），变压器初级调压（在高压小电流或低压大电流直流电源中，如采用晶闸管相控整流电路，需要很多晶闸管串联或并联，若采用交流调压电路在变压器初级调压。其电压电流值都比较合理，在变压器初级只要用二极管整流即可，从而达到减少体积、减低成本的目的）。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。单相交流调压器常用于小功率单相电动机控制、照明和电加热控制。通过用两单相晶闸管反并联组成的交流电

8、压控制器，可以方便地调节输出电压有效值。在使用中， 交流调压器的晶闸管控制通常有两种方法： 一是通断控制。即把晶闸管作为开关将负载与交流电源接通几个周期（工 频1周期为20ms）,然后再断开一定的周期，改变通断时间比值达到调压的目的。这里晶闸管起到一个通断频率可调的快速开关的作用。这种控制方式电路简单，功率因素高，适用于有较大时间常数的负载，缺点是输出的电压或功率调节不平滑。 二是相位控制。它是使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的时刻内将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压的目的。 在交流调压器中，相位控制应用较多，下面主要分析相位控制的

9、交流调压器，并阐述作为基础的单相交流电阻性电路的原理及工作情况。1.主电路设计初始条件：输入为单相交流电源，有效值220V，要求完成的主要任务: （1）掌握单相交流调压电路的原理；（2）设计出系统结构图，并采用MatlabSimulink对单相交流调压电路进行仿真；（3）采用Protues设计出单相交流调压主电路及采用KJ004控制电路1.2.总体电路设计方案本系统主要设计思想是：采用两个晶闸管反向并联加负载为主电路，外加触发电路；触发电路控制晶闸管的导通，从而控制输出。其系统框图如下所示： 图1-1 系统原理方框图单相交流调压电路带阻感性负载时的电路以及工作波形如下图1-2、1-3、1-4、

10、1-5所示。产生的滞后是因为阻感性负载时电流滞后电压一定角度，再加上移相控制所产生的滞后，使得交流调压电路在阻感性负载时的情况比较复杂，其输出电压，电流与触发角，负载阻抗角都有关系。当两只反并联的晶闸管中的任何一个导通后，其通态压降就成为另一只的反向电压，因此只有当导通的晶闸管关断以后，另一只晶闸管才有可能承受正向电压被触发导通。由于感性负载本身滞后于电压一定角度，再加上相位控制产生的滞后，使得交流调压电路在感性负载下大的工作情况更为复杂，其输出电压、电流波形与控制角、负载阻抗角都有关系。其中负载阻抗角,相当于在电阻电感负载上加上纯正弦交流电压时，其电流滞后于电压的角度为。为了更好的分析单相交

11、流调压电路在感性负载下的工作情况，此处分三种工况分别进行讨论。图1-2电路图（1）情况上图1-2所示为单相反并联交流调压电路带感性负载时的电路图，以及在控制角触发导通时的输出波形图，同电阻负载一样，在的正半周时，在时触发Vt1,Vt1导通，输出电压=，电流从0开始上升。当电压到达过零点时，由于是感性负载，电流滞后于电压，当电压达到过零点时电流不为0电流不为零，之后继续下降，Vt1仍然导通，输出电压出现负值。直到电流下降到零时，Vt1自然关断，输出电压为零。正半周结束，期间电流从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角。由后面的分析可知，在工况下，因此在脉冲来之前已关断，正负电流不连续。在电源

12、的负半周导通，工作原理与正半周相同，在断续期间，晶闸管两端电压波如下图：图 1-3 (情况下的波形)（2）=情况当控制角=时，当正半周Vt1关断时，Vt2恰好触发导通，在一个周期内两只晶闸管轮流导通180°。此时负载电流i。临界连续，负载电流是一个滞后电源电压角的正弦电流。该工况下两个晶闸管相当于两个二极管，或输入输出直接相连，输出电压及电流连续，相当于晶闸管失去控制，无调压作用。图1-4=情况下的输出波形(3) 情况在工况下，阻抗角相对较大，相当于负载的电感作用较强，使得负载电流严重滞后于电压，晶闸管的导通时间较长，此时式仍然适用，由于，公式右端小于0，只有当时左端才能小于0，因此

13、，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在时刻被触发导通，由于其导通角大于180，在负半周时刻为发出出发脉冲时，还未关断，因受反压不能导通,继续导通直到在时刻因电流过零关断时，的窄脉冲已撤除，仍然不能导通，直到下一周期再次被触发导通。这样就形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情况，这一现象称为“半相半波整流现象”负载电流i。始终为单一方向，在电路中产生较大的直流分量；因此为了避免这种情况发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。 图 1-5 下窄脉冲触发方式时输出波形晶体闸流管简称晶闸管,也称为可控硅整流元件(SCR),是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件。在性能上,晶闸管不仅具有单向导电性,而且还具

14、有比硅整流元件更为可贵的可控性,它只有导通和关断两种状态。三、晶体管的工作原理分析 在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。此时，其工作过程如下： 如果IG(门极电流)注入V2基极，V2导通，产生IC2（ 2IG ）。它同时为V1的基极电流，使V1导通，且IC1= 1IC2,IC1加上IG进一步加大V2的基极电流，从而形成强烈的正反馈，使V1.V2很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通，通过SCR的电流由R确定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的饱和压降约为1V。此时，将IG调整为0，即UGK<0，也不能解除正反馈，G极失去控制作用。

15、晶闸管静态工作特性：只有当晶闸管承受正向电压并且有门极触发电流的情况下才能导通。导通后，门极失去控制作用，不论门极触发电流是否存在，都保持导通，只有通过外电路使得流过晶闸管的电流为零才能让晶闸管关断。1.4.负载电流分析为了分析负载电流的表达式及导通角与、之间的关系，假设电压坐标原点如图所示，在时刻晶闸管T导通，负载电流i应满足方程：L=sin其初始条件为： i|=0,解该方程，可以得出负载电流i在区间内的表达式为： i=.当=时，i=0，代入上式得，可求出与、之间的关系为：sin（-）=sin（-）e利用上式，可以把与、之间的关系用下图的一簇曲线来表示。图1-7与、之间的关系曲线图中以为参变

16、量，当=0时代表电阻性负载，此时=180-；若为某一特定角度，则当时，=180 ，当>时，随着的增加而减小。上述电路在控制角为时，交流输出电压有效值U、负载电流有效值I、晶闸管电流有效值I分别为：U=UI=2II= I式中，I为当=0时，负载电流的最大有效值，其值为：I=为晶闸管有效值的标玄值，其值为：=由上式可以看出，是及的函数下图给出了以负载阻抗角为参变量时，晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线。1-8 晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线当、已知时，可由该曲线查出晶闸管电流标幺值，进而求出负载电流有效值I及晶闸管电流有效值I。1.5.单相交流调压主电路及触发电路（总电路）图如

17、下: 图1-9 Protues IsIs下画的单相交流调压主电路及触发电路图1.6.仿真参数设置1建立一个仿真模型的新文件。在 MATLAB的菜单栏上新建一个Model文件这时出现一个空白的仿真平台，在这个平台上可以绘制电路的仿真模型。 2.在Simulink菜单下面找到Simpowersystems和Simulink从中找出所需的晶闸管，交流电源，电压表，电流表，示波器，阻感负载等。3.将找到的模型正确的连接起来，如下图1-10所示图1-10 仿真模型图注：上图是截图，示波器所测波形从上至下依次是脉冲1、脉冲2、晶闸管电流、晶闸管电压、负载电流、负载电压波形。4.参数设置触发脉冲参数设置如下

18、图所示:其中将周期（period）设置为触发脉冲宽度（pulse width）设置为5相位滞后（phase delay）脉冲一触发角可设为A=之间的任意数，脉冲二的触发角为B=A+0.01，他们之间的对应关系如下：触发角相位滞后换算公式00相位滞后=(触发角/180)×30603390120150180负载参数设置如果负载为电阻性负载，则将电感（inductance）设为0，电容（capacitance）设为inf,电阻设置为200。如果主电路改接电阻电感负载，R可以再100200范围内调节，取R=100，确定阻抗角a为30 °，由公式计算可得L=0.184H。电源参数设置

19、电源电压设为220V，频率设为50Hz,相位角设为0，采样时间设为0。仿真器设置为便于观察波形，将仿真时间设为（三个周期）仿真算法（solver）设为ode23t，其他参数设为默认，设置好后的参数如下图1-11所示： 图1-112.仿真参数设置好后，点击（Start Simulink）开始仿真，为便于比较，先将负载设为电阻性负载，改变触发角，观察波形变化，不同触发角时的波形如下电阻性负载仿真波形 图 2-1 R=200,触发角为0° 图2-2 R=200,触发角为60° 图2-3 R=200,触发角为120° 图2-4 R=200,触发角为180°波形分

20、析以上各图分别为电阻性负载触发角A为0°,60°, 120°，180°时所得的仿真波波形，图中第一个波形为触发脉冲的波形，第二个为晶闸管两端电压的波形，第三个波形为负载电流的波形，第四个波形为负载电压的波形。此时负载为电阻性负载时，阻抗角为零，当触发角为零时即=0时，负载电流时连续的，当触发>0时，电流不连续。说明=为电流连续的临界条件。负载电压和负载电流波形一致，随着触发角的增大，波形的占空比减小，当触发角为度时180°时，负载电压.电流波形为一条直线，由此可以说明单相交流调压电路带电阻性负载时的触发角的取值范围为0°-180

21、°。阻感性负载（1）将负载设为阻感性，电阻取100,电感值设为0.184H,阻抗角为30°改变触发角，观察仿真波形。用脉冲宽度为10的宽脉冲触发。 图2-5 R=100欧姆,L=,触发角为0° 图2-6 R=100，L=0.184H,触发角为30° 图2-7 R=100,L=0.184H,触发角为150°（2）负载依然是阻感性，电阻取100，电感取0.551H，此时阻抗角为60°，改变触发角，观察仿真波形，用脉冲宽度为1的窄脉冲触发。 图 2-8 R=100，L=0.551H，触发角为0° 图 2-9 R=100，L=0.5

22、51H，触发角为60° 图2-10 R=100，L=0.551H，触发角为120°2.2.1波形分析 以上（1）中阻抗角为30°，图为触发角为0°,30°,150°时所得的仿真波波形，（2）中阻抗角为60°，图为触发角为0°，60°，120°所得的仿真波形。第一个波形为触发脉冲的波形，第二个晶闸管两端电压的波形，第三个波形为负载电流的波形，第四个波形为负载电压的波形。=时电流是连续的，>时电流都不连续，在<的时候，如果触发脉冲为宽脉冲（如1中），则电流是连续的，如果触发脉冲为窄脉冲，

23、则电流不连续。由此说明=是电流连续的条件，并且在宽脉冲的触发的时候<也可以得到连续的电流，其他情况下的电流都是不连续的。随着触发角的增大，负载两端电流和电压波形的占空比逐渐减小。电流和电压有效值减小，由于电感的影响电流波形滞后于电压波形，这是因为电感的储能作用。当触发脉冲到来时，正向晶闸管导通，电压发生跳变，由于电感的作用，电流只能从零开始变化，同时电感开始储能。当电源电压变为负时正向晶闸管并不能关断，直到电感中的储能释放完，这就是负载两端电压和电流波形不一致的原因。并且可以知道触发角的取值为0-180°。2.3.实验结果分析（1）在主电路负载R=200，L=0H的电阻性负载时

24、，触发角为零的时候晶闸管两端电压的波形在在正负半周都是一条靠近X轴的直线，是因为电阻性负载在触发角为零的时候两个晶闸管是轮流导通的，其两端电压就是晶闸管的临界导通电压。H的阻感性负载时（此时阻抗角为60°），在触发角为零的时候，在窄脉冲的触发下，晶闸管两端电压在正半周时基本为零，电流电压不连续，基本上没有负值，说明在<的时候，在窄脉冲的触发下，只有晶闸管VT1导通，晶闸管VT2基本上是一直处于截止状态的。说明晶闸管只有在正向电压下加门极电流触发才能导通。（3）由以上的工作波形可得晶闸管不仅具有单向导电性,并且晶闸管的导通电压比较小，控制特性好，可以很好的充当开关。3控制电路（触

25、发电路）的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。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。KJ004可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中作可控

26、硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差 180 度的移相脉冲可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低有脉冲列调制输出端等功能与特点。根据以上要求分析，KJ004可控硅移项触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004可控硅移相电路工作原理电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见下图3-1；锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY只有改变权电阻R1、R2的比例调节相应的偏移电压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移相范围。R7和C2形成微分电路改变R7和C2的值可获得不同的脉宽输出。其封装形式如图3-2。图3-1 触发电路原理图图3-2 KJ004引脚图下面我们看一下KJ004的引脚图以及其功能引脚号功能 1输出 2空形成距齿波 5Vee 6空7地8同步输入9综合比较 10空微分阻容封锁调制15输出16+Vcc4设计体会通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料