基于Matlab的三相交流调压电路的设计与仿真-

.../XX大学毕业论文<设计>本科毕业论文<设计>题目：基于Matlab的三相交流调压电路的设计与仿真学院：_____自动化工程学院_____专业：___电气工程及其自动化___姓名：_________________指导教师：____________________20XX5月28日...Matlab-basedthree-phaseACvoltageregulatorcircuitdesignandsimulation摘要论文叙述了交流调压电路的发展,介绍了组成交流调压电路的基本器件——晶闸管并分析了其结构与特性。介绍了交流调压电路的几种类型,分析了交流调压电路的原理,并在对三相交流调压电路工作原理分析的基础上,建立了基于MATLAB的三相交流调压电路的仿真模型,并对其进行了仿真分析和研究,通过仿真分析验证了所建模型的正确性。关键词晶闸管MATLAB交流调压仿真AbstractThedevelopmentoftheACregulationcircuitisdescripedinthepassageandthebasicapparatusthatformtheACregulationcircuit—Thyristerisintroduced,theframeandthecharacteristicoftheThyristerisdiscussedeither.ThentheseveraltypesoftheACregulationhasbeenintroduced.ThebasicprincipleoftheACregulatingcircuitisexplainedinthispassage.AtthebaseofresearchingtheoperatingprincipleofThree-PhaseACVoltageRegulationsystem,themodelofsystemispresentedinMATLABenvironment.Thecorrespondingsimulationandresearcharedone.ItprovedthatthemodelofThree-PhaseACregulationcircuitiscorrect.KeywordsthyristerMATLABAC—regulationsimulation目录TOC\o"1-3"\u第1章绪论11.1前言11.2晶闸管交流电力控制器的研究意义及用途21.3晶闸管交流调压电路发展动向与展望31.4本文研究的主要内容3第2章交流调压电路简介42.1电路器件—晶闸管简介42.1.1晶闸管的结构与工作原理42.1.2晶闸管的主要参数52.2单相交流调压电路52.2.1单相交流调压电路原理62.2.2单相交流调压电路的分析72.3三相交流调压电路的原理与分析132.4交流调压电路触发信号14第3章仿真软件MATLAB/Simulink173.1MATLAB/Simulink简介173.2MATLAB语言的特点 18第4章仿真系统的建立204.1Simulink建模方法 204.2Simulink建模的步骤 204.3主电路的建模和参数设置 214.3.1三相交流电源的建模和参数设置 214.3.2晶闸管三相交流调压器的建模和参数设置 214.3.3接电阻负载时输入输出电压及负载相电压、相电流波形234.3.4接阻感负载时输入输出电压及负载相电压、相电流波形 25结束语31谢辞32参考文献33...第1章绪论1.1前言60年代以前,作为交流功率〔或电压控制器的,主要有接触器、接触调压器、感应调压器和饱和电抗器等设备。他们的共同特点是采用以电磁原理为基础的铁心与铁圈结构。然而,1957年美国GE公司制造了世界上第一个晶闸管〔当时称为"硅可控整流器"后来国际电工委员会命名为"晶闸管"。它使半导体技术远远突破了"整流"的范围,使70年代交流控制器出现了新的品种——晶闸管交流电力控制器。晶闸管交流电力控制器是电力电子学的产物,它与其他电力电子产品一样跨接了电气工程的电力、电子和控制这三个领域。作为上述三大领域的边缘学科——电力电子学,既要涉及电力领域的电机、变压器等原理,又与控制有关,还要包括电子元器件。晶闸管交流电力控制器也就是这样的一种产品,它在自动控制系统中,起到了一个在信息处理控制中心和交流负载之间相当于接口的作用,在系统中完成承上启下、强弱电交接转换的工作。另外,各种常规的应用电磁原理的调压器在电压或功率调节过程中必须在铁圈及铁心中建立电磁场,而电磁场的转换和控制都要在铁圈及铁心消耗能量,因此这些产品的平均效率在97%左右,对于晶闸管交流电力控制器而言,则可轻而易举的使效率达到99%。再则,晶闸管交流电力控制器与各种常规交流调压器相比,在控制、调节输出电压或功率的过程中,前者应用了电力半导体控制原理,后者应用的是电磁感应原理,因此用晶闸管交流电力控制器代替常规调压器所节省的铜材、硅钢片等材料的数字也是相当显著的。晶闸管交流电力控制器不仅为自动控制系统提供了高精度及高动态指标的可能,而且大大提高了效率,与其他交流电力控制器综合比较都有突出的优点。七十年代以来,采用晶闸管控制的交流电压调节器和整流设备,由于其设备和控制电路相对简单,易于使用和维护,更负担得起的,可靠性高,体积小,响应速度快,损耗等等,在工业和电气设备在日常生活中,取代原来的主人的高价格,笨重和许多其他缺点,调节变压器或饱和反应堆系列等,并广泛应用。对于某些电气设备比如说功率容量较大,电压较高或性能要求较高的,为完成某些像是调压、调速、调功、调光、调温和调力矩等负载的控制方式,大多数都是采用三相交流调压方式。然而,由于市面上并没有单片的三相集成电路触发器的存在,因此由晶闸管构成的三相交流调压电路相对来说还是比较复杂的,甚至有些三相调压电路仍然采用分立元件。因此导致增加的大小和重量,高价格,降低可靠性,而且还影响到应用程序。所以,还有待于人们对其电路不断加以研究、改进与创新。根据国际电工委员会制定的标准定义：晶闸管交流电力控制器是一个以晶闸管为阀器件的交流电子控制器。在上述定义下,具体的产品名称有以下三种：〔1采用移相脉冲触发方式的晶闸管交流电力控制器称为晶闸管交流调压器。〔2采用过零脉冲触发方式,并有设定周期的晶闸管交流电力控制器称为晶闸管交流调功器。〔3采用随机或过零脉冲触发方式的晶闸管交流电力控制器称为交流电力电子开关。由上述,晶闸管交流电力控制器对负载控制的基本模式有以下三种：一、移相控制——晶闸管交流调压器这种控制模式以电源电压的一个半波为控制周期,控制晶闸管在半波中的触发相位,由晶闸管在半波中流过电流时间的长短,即导通角大小来确定输出电压方均根值的大小。二、过零控制——晶闸管交流调功器这种控制模式以一个设定的时间为周期,以过零触发的方式控制晶闸管在设定周期中的导通周波数。由设定周期中导通周波数的多少来确定输出功率的大小。三、开关控制——交流电力电子开关这种控制模式是通过晶闸管对交流负载进行通断控制。在具体控制中还分任意接通模式和零接通模式。对任意接通模式它的开通时间很小,为微秒级；而过零接通模式最大的可能延时为10毫秒,并且关断的最大可能延时也为10毫秒。1.2晶闸管交流电力控制器的研究意义及用途工业电气设备和日用电器绝大多数采用了交流电源,所以晶闸管交流电力控制器的用途是极为广泛的。当晶闸管交流电力控制器作为控温用途时,它的具体应用场合可能是金属热处理、玻璃生产线锡槽加热、钢化玻璃热处理、塑料挤出机加热、二氧化钼高温加热、医疗器械整形加热、食品远红外烘燥、电缆及各种材料蠕变试验、各种工矿及科研单位模拟突然升温等场合。凡需要对温度进行定值或用程序等方式自动控制的各种对象都可使用晶闸管交流控制器。作为交流电力电子开关,它可以控制交流电机间隙运行,也可控制电机正反转。由于它属于无触点开关,所以没有火花及电弧现象。在理论上它不存在开关次数的限制,因此特别适宜与电机频繁操作的场合。这些特征对冶金、纺织、石油、煤矿、化工等要求无火花防爆场合极为适用。三相晶闸管交流调压器除控温外,还适用于纺织、造纸、冶金等需要对力矩电机进行调压调速的场合,还适用于充电、电解、静电除尘等需要低压大电流或高压小电流的变压器初级交流调压。对于这种要求,变压器初级调压比次级控制更为经济合理。晶闸管交流调压器还可用作调光设备,它已经广泛应用到电视演播室、电影摄影棚、剧场、会堂、餐厅、海上陆地交流信号指示等场合。实际上,晶闸管交流电力控制器的用途正随着产品的质量的提高、品种的增加、价格的不断降低而不断扩大,相信以后必为更多的用户所欢迎。1.3晶闸管交流调压电路发展动向与展望随着社会进步和技术的不断发展,交流调压的发展动向,引人注目的,有以下几点：〔1向高电压、大容量、多功能方向发展。由于大功率负载的容量不断提高,对更高电压等级更大容量的各类调压器的需求时有提出。多功能用途发展方向对于现有容量的产品来说也是一个很重要的发展方向。在过去,如果想要同时解决调压和稳压的问题,则至少需要一台调压器和一台稳压器,现在仅仅拥有一台调压稳压器就可以完成这种工作,并且是无触点控制,使用户的需要得到了充分的满足。〔2向智能化、数字化方向发展智能开关调节器只出现在近年来一种新型的装置,它通过使用单片机控制晶闸管过零电压切断24方法,允许补偿补偿变压器电压大小和极性已经变成了实现无机械传动,无电刷、无分相伺服电机速度自动电压调节器。允许响应时间少于100毫秒,电网电压波动、电压精度±30%±3%~±5%,这是一个例子,这一趋势。技术的应用为解决芯片自动控制和解决监管具体实例触发可控硅可靠的数字控制器、数字触发。〔3向抗干扰、净化电源方向发展〔4应用新器件、新原理、发展新型电源近年来,国内应用MOSFET、IGBT功率电子设备和其他新的斩波技术,逆变技术,研究和开发新型的交流电压调节器技术相当积极。研究人员使用新设备、新原理的综合运用传统技术来有效地运用,轻量级,继续探索环保的方向发展。相信在不久的未来,交流调压技术将会用更加长远的发展,必将有许多新的课题和领域等着我们去探索。1.4本文研究的主要内容〔1简单介绍晶闸管交流调压电路的元器件及其特性〔2探讨交流调压电路的种类及基本原理〔3建立交流调压电路在MATLAB/Simulink中的模型〔4模型参数的设定及仿真〔5分析仿真结果,得出结论并验证仿真电路模型的正确性第2章交流调压电路简介2.1电路器件—晶闸管简介2.1.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管即晶体闸流管,又称可控硅整流器。1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。而第一只晶闸管产品则是在1957年由美国通用电气公司开发出来的,从此拉开了电力电子技术迅速发展和广泛应用的时代篇章。晶闸管能承受的电压和电流容量最高,工作可靠,在大容量的场合具有重要地位。图2.1晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管正常工作时的特性如下：承受反向电压时,不管门极有没有触发电流,晶闸管都不会导通。承受正向电压时,当且仅当门极有触发电流的情况下,晶闸管才会导通,流过电流。晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用。要使晶闸管关断,只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。〔1静态特性正向特性IG=0时,器件两端施加正向电压,只有很小的正向漏电流,对外呈现为正向阻断状态。正向电压大于正向转折电压Ubo,此时漏电流会急剧增大,器件随之开通。随着门极电流幅值的增大,正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小,在1V左右。〔2反向特性反向特性类似晶体管的反向特性。反向阻断状态时,只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后,可能导致晶闸管发热损坏。综上所述,可得晶闸管导通和关断的条件为：1>当晶闸管承受正向阳极电压时,只有当门板与阴极间施加适当的正向电压并有一定IX的情况下,晶闸管才能导通。2>当晶闸管承受反向电压时则不论门极与阴极间施加何种极性的电压,晶闸管均处于阻断状态。3>晶闸管在导通的情况下,只要保持承受一定的正向阳极电压,则不论门极与阴极间电压如何,晶闸管均仍然导通,即晶闸管导通后,门极就失去对它的控制作用。4>晶闸管在处于导通情况下,若想将其从导通状态恢复为阻断状态,只有满足以下条件才行：将其正向阳极电压减少到足够其关断的程度或者阳极电压为负值。晶闸管欲从阻断转变为导通状态,必须同时具备正向阳极电压和正向门极电流两个条件。晶闸管一旦导通,门极即失去对它的控制作用。因此通常在门极只要施加一个正向脉冲电压即可,称为触发电压。当晶闸管承受正向阳极电压时。只要控制施加触发电压的时刻,则晶闸管导通工作的时间即可控制,这正是晶闸管的可控特性。正是这种特性,使晶闸管在电能的变换和控制中获得了广泛应用。本文讨论的交流调压电路也正是利用了晶闸管的可控特性,通过改变触发脉冲的时刻来改变晶闸管的导通角从而调节输出电压。2.1.2晶闸管的主要参数〔1电压定额1断态重复峰值电压UDRM在门级断路而结温为额定值时允许重复加在器件上的正向峰值电压。2反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时允许重复加在器件上的反向峰值电压3通态电压UT晶闸管通以某一规定的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压〔2电流定额1通态平均电流IT<AV>——国际规定通态平均电流为晶闸管在环境温度40℃和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温时所流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是标称其额定电流的参数。同电力二极管一样,这个参数是按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。因此使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的热效应相等,即有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额,并应留一定的裕量。一般去其通态平均电流为按照此原则所得计算结果的1.5-2倍。2维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。3擎住电流IL——晶闸管从断态转入通态并移除触发信号后,能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说,通常IL约为IH的2-4倍。4浪涌电流ITSM——是指由于电路异常情况引起的使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。2.2单相交流调压电路2.2.1单相交流调压电路原理交流调压器根据对晶闸管的控制可分为三种形式：1.通断周波数控制这种控制的实质是控制晶闸管开关,把负载与交流电源接通若干个周波数,然后再断开相应的周波数,通过改变控制接通周波数和关断周波数的比值来达到调压的目的。2．移相控制它类似于可控整流电路中的相位控制。移相控制是在电压每一个周期中,控制晶闸管的导通时刻,达到控制输出电压的目的。由于在交流调压器中,移相控制应用较多,本文主要介绍移相控制交流调压器。3．斩波控制图2.2交流调压三种控制方式的输出波形a>通断周波数控制b>移相控制c>斩波控制由前面关于晶闸管的说明,由于晶闸管拥有单向可控导电性,所以只能流过单方向的电流。但是当我们在交流电源与其负载之间接入反并联的两个晶闸管,如下图所示,这样通过对反并联两个晶闸管的控制,就可实现对负载上的交流电压和功率的控制。这种装置称之为晶闸管交流调压器。图2.3单相可控交流调压电路本电路中的可控整流元件为晶闸管。其工作过程为:当电源电压U1正半周开始时触发VT1,负半周开始时触发VT2,形成一个无触点开关,在触点两端将获得一电压Ud。当我们以同样的移相角来延时触发和,那么负载电压的有效值Ud就将随角改变而改变,达到交流调压的目的。2.2.2单相交流调压电路的分析1带电阻负载时的调压电路分析单线交流调压电路的负载为纯电阻性时,晶闸管的导通角只与控制角α有关,只要对两个晶闸管的开通角分别进行控制就可以调节输出电压。取电压过零时刻为起始时刻<＝0>,正负半周均是如此。在稳态情况下,应使的相等。的移相范围应为。对于触发脉冲来说,首先应保证与电源同步,除此之外脉冲本身也要具有一定的宽度,以保证晶闸管能正常导通。图2.4为电阻负载单相交流调压电路图及其波形。途中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。想要调节输出电压,只需要在交流电源U1的正半周和负半周,分别对VT1和VT2的开通角α进行控制就可以了。正负半周起始时刻<=0>均为电压过零时刻。在稳态情况下,应使正负半周的相等。由此我们发现,负载电压波形是电源电压波形的一部分,负载电流〔也即电源电流和负载电压具有相同的波形,由图可见,单相交流调压电路对电阻性负载供电时,晶闸管是在加触发脉冲时导通,而在电压过零时关断。当控制角的大小改变时,负载电阻上电压的波形也随之改变,从而负载电压的有效值也就改变了,以达到调压的目的。上述电路在开通角为时,负载电压有效值U0、晶闸管电流有效值IVT、负载电流有效值I0和电路的功率因数分别为<2-1><2-2><2-3><2-4>从图2.4及以上各式可以看出,的移相范围为0。当=0时,晶闸管相当于一直接通着的,也因此使得输出电压变为最大值,U0=U1。随着的增大,U0逐渐降低。直到=时,U0=0。此外=0时,功率因数=1,随着的增大,输入电流的相位滞后于电压并且波形发生畸变,也逐渐减小。图2.4电阻负载单相交流调压电路及其波形2阻感负载时调压电路分析电路图及其波形图如下所示：0.6O0.6Ou1u1uoiouVTtOtOttOuuG1G1uG2OOtt0.6Ou1u1uoiouVTtOtOttOuuG1G1uG2OOtt图2.5阻感负载单相交流调压电路及其波形设负载的阻抗角为。假使我们用导线把晶闸管短接掉,当电路处于稳态时负载电流的波形应是正弦波,它的相位滞后于电源电压u1的角度为阻抗角ψ,在用晶闸管控制时,很显然只能进行滞后控制,使负载电流更为滞后,而无法使其超前。为了方便起见,我们仍然将电源电压过零的时刻定为=0时刻,这样阻感负载下稳态时的移相范围为。当在时刻开通晶闸管VT1,负载电流应满足如下微分方程式和初始条件:<2-5><2-6>解该方程得：；<2-7>式中;为晶闸管导通角。利用边界条件：时可求得<2-8>以为参变量,利用上式可以把和的关系用下图的一簇曲线来表示。图2.6单相交流调压电路和的关系曲线当VT2导通时,上述关系是一样的,只不过是极性是相反的,并且相位相差。上述电路在开通角为时,负载电压有效值U0、晶闸管电流有效值IVT、负载电流有效值I0分别为<2-9><2-10><2-11><2-12><2-13>设晶闸管电流的标幺值为<2-14>则可绘出和的关系曲线,如图3.4所示。=90°0.10.20.30.40.51601800401208075°60°45°=0/IVTN图2.7单相交流调压电路为参变量时和的关系曲线如上所述,阻感负载时的移相范围为。但时,并非电路不能工作,下面就来分析这种情况。当时,VT1和VT2的均小于,且越小,越大,=时,,当继续变小时,例如在的某一点触发VT1,则VT1的导通时间将超过,到时刻触发VT2时,负载电流i0尚未过零,VT1仍未关闭,VT2不会立马导通,直到i0过零后,如VT2的触发脉冲有足够的宽度而尚未消失,VT2就会开通,因为,VT1开通提前,负载L被过充电,它的放电时间也将随之延长,从而导致VT1结束导电时刻将大于,并使VT2推迟开通,VT2的导通角当然小于。在这种情况下,上述方程式所得的表达式仍是适用的,只是的适用范围不再是,而是扩展到,因为这种情况下i0已不存在断流区,其过度过程和带R-L负载的单相交流电路在时合闸所发生的过渡过程完全相同。容易看到,的组成成分包括两个分量,第一项为分量,第二项为分量。在指数分量的衰减过程中,VT1的导通时间会逐渐缩短,与此同时,VT2的导通时间却会逐渐延长。当指数分量衰减到零后,VT1和VT2的导通时间都趋近到π,其稳态的工作情况和时完全相同。从图2.4和图2.5的波形可以看出,负载电压和负载电流〔即电源电流均不是正弦波,含有大量谐波。下面以电阻负载为例。对负载电压进行谐波分析。由于负载电压的波形正负半周是对称的,所以它不会含有直流分量和偶次谐波,利用傅里叶级数表示如下<2-15>式中基波和各次谐波的有效值可按下式求出图2.8阻感负载时交流调压电路波形〔n=1,3,5…<2-16>负载电流基波和各次谐波的有效值为<2-17>利用这些公式计算出结果,我们就能将电流基波和各次谐波标么值随变化的曲线画出来〔如图2.9示其中基准电流为＝0时的电流有效值。在阻感负载的情况下,电源电流中的谐波次数和电阻负载时相同,也是只含有3、5、7…等次谐波,并且当谐波的次数变高时,其含量会降低。比较阻感负载与电阻负载就会发现,前者的谐波含量要少一些,并且当角固定不变时,谐波含量会随着阻抗角的增大而有所减少。图2.9电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量2.3三相交流调压电路的原理与分析三相交流调压的电路有三相三线Y形连接、三相四线Y形连接、负载角型连接等形式,这其中性能最好、用得最多的三相三线Y形连接的调压电路〔见下图。下面以图2.10电阻负载为例说明其工作原理。图2.10三相交流调压电路电路中由于没有中性线,若要构成电流,是电流流通,则至少要有两相导通,因此在中,至少要有一相正向晶闸管与另外一相的反向晶闸管同时导通。要想保证电路能正常工作,能同时导通两个晶闸管,要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路；对于晶闸管的各触发信号来说,它们之间应严格的保持一定的相位关系,当然它们必须与自己相应的电源有着相同的相序,只有这样才能保证输出的是对称的三相电压。对图2.10的调压电路,要求A、B、C三相电路中正向晶闸管T1、T3、T5的触发信号相位互差120°,反向晶闸管的触发信号相位也互差120°,而同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差180°,即各晶闸管触发脉冲的序列应按了T1、T2、T3、T4、T5、T6的次序,相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60°。如果把晶闸管换成二极管后可以看出,相电流和相电压同相位,且相电压过零时二极管开始导通,因此应将控制角α=0°的时刻选为电源相应波形起始点,以此点作为触发角α的基准点。在三相三线电路中,是靠线电压来完成两相之间的导通的,而相电压落后线电压30°,因此触发角α的移相范围是0-150°。在任意时刻,电路可以根据晶闸管导通状态分为三种情况：一种是三相中每一相都有一个处于导通状态,这时电源相电压与负载相电压相等；另一种是三相中只有两相导通,另一相不导通,这时导通相负载相电压是电源线电压的一半；第三种是三相晶闸管均不导通,这时负载电压为零。根据任意时刻晶闸管导通的个数以及半个周波内电流是否连续,可将0-150°的移相范围分为如下三段：当0°≤α≤60°时,电路处在三相导通和两相导通情况的交替状态。每个晶闸管导通角为180°-α。但α=0时是一种特殊情况,一直是三个晶闸管导通。三相导通时,每相电阻电压为相电压；两相导通时,导通相电阻电压为导通两相线电压的一半,不导通相电阻电压为零。当60°≤α≤90°时,因为任一时刻都存在两相是导通的,所以导通相电阻电压为导通两相线电压的一半；同上一样,不导通相电阻电压为零。每个晶闸管的导通角为120°。当90°≤α≤150°时,电路处于两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交替状态,每个晶闸管导通角为300°-2α,而且这个导通角被分割为不连续的两部分,在半周波内形成两个断续的波头。两相导通时负载输出电压如前所述。三相都不通时,则三相负载电压都为零当α>150°时,触发脉冲不起作用,晶闸管不导通。从上面的分析我们可以看出：无论是负载电压还是电流波形,交流调压所输出的都不是正弦波,并且当α角增大时,负载电压相应会逐渐变小,负载电流则开始出现断续。当带电感性负载时,交流调压输出的波形就不仅与α有关,也与负载的ψ有关,这时负载电流和负载电压也不再同相了,其移相角范围为ψ-150°。三相三线交流调压电路的电流中含有很多谐波。在进行傅里叶分析后可知,其中所含谐波的次数为6k±1〔k=1,2,3,…,这和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波次数的完全相同,而且也是谐波的次数越低,其含量越大。三相三线调压电路由于其三相对称的特性,并不含有3的整数次倍的谐波,它们不能流过三相三线电路。在阻感负载的情况下,α=ψ时,负载电流会达到最大值并且为正弦波,同短接晶闸管的情况相同,一般来说,电感大时,谐波电流的含量要小一些。2.4交流调压电路触发信号晶闸管的触发信号有单脉冲、宽脉冲和双触冲三种。三相三线Y型调压电路不能使用单脉冲触发,只能使用大于60°的宽脉冲或双窄脉冲。下面分析一下：1单脉冲触发方式：图2.11三相交流调压电路的单〔窄脉冲触发示意图若是三相四线型调压电路,有N线与负载电路中性点连接,这样每相就会同N线相连形成回路,实质上电路相当于三个单相调压电路,但若去掉N线,变成三相三线,,每相必须与另两相构成电流回路,才能保证电路继续工作。此时,若A相拥有正的电压而C相则为负的电压,晶闸管VT1、VT2应该同时在触发信号的作用开通,形成由A→VT1→RL1→RL3→VT2→C相的电流通路,单脉冲触发,是无法满足这个要求的,若使A相正半波触发信号是在t1时刻给出,相对应C相负半波触发信号在t2时刻给出。UA触发脉冲出现时,A相与C相同时处于电压极性为正的状态〔C相的电压幅度有时甚至高于A相电压,二者不具备形成电流通路的条件,尽管晶闸管VT1得到触发信号,但由于不具备开通条件从而处于关断状态；VT2在t2时刻得到触发信号,此时C相电压处于负半波期间时,但由于VT1的触发脉冲信号已经消失,VT1处于关断状态,VT2也不具备开通条件,说明单窄脉冲触发信号,对三相调压电路,是失效的。因此对三相三线星形连接或角接负载电路来说,在工作时若想要形成负载电流回路,在每一时刻至少要有两相形成通路,因而必须有2只晶闸管是同时导通的〔实际上存在3只晶闸管短时导通时候。而要达到上述要求,晶闸管的触发信号就需使用宽脉冲或双脉冲,它们之间应严格的保持一定的相位关系,必须与自己相应的电源有着相同的相序。2宽脉冲触发方式：图2.12三相交流调压电路的单〔宽脉冲触发示意图宽脉冲方式：如果在t1时刻,触发脉冲UA出现,晶闸管ＶＴ１满足导通条件之一,由于UA为宽脉冲,会一直维持至t2时刻UC-触发脉冲的出现以后,在UA与UC-两个脉冲产生t2~t３时段内的重叠区,意味着主电路晶闸管VT1、VT2被同时触发开通,形成了A相正半波期间流经负载电路RL1的电流通路。当负载为电阻性时,要求UA〔UC-的脉冲宽度须大于60°而小于120°,而当负载为阻感性时,因晶闸管在电压过零后,有延时关断过程,需要触发脉冲的宽度为大于60而小于120,即脉冲出现时刻足以维持到所对应相半波期间触发脉冲的出现,以保障最低有对应相两只晶闸管的同时开通,以形成负载电流通路。不过由于宽脉冲直流分量大,容易造成晶闸管的栅阴结发热和驱动电路功耗过大、使脉冲变压器直流磁化,因而实际使用时往往对宽脉冲进行高频调制处理后,变为高频开关波形,再作为触发脉冲送出。而双脉冲触发方式,是应用最普遍的一种方式。不过由于双脉冲触发方式比宽脉冲触发方式复杂的多,本次设计又是仿真设计,无需实际器件,故而选择宽脉冲的触发方式。第3章仿真软件MATLAB/Simulink3.1MATLAB/Simulink简介MATLAB是一种数学软件,可以实现数据计算、结果可视化和编程等功能,还可以应用于科学计算以及各种工程运算。目前,它己经成为世界上应用最广泛的工程计算软件之一。随着科技不断发展,MATLAB也在不断地完善和发展,现在它已经延伸到不同的领域、不同的学科,可以实现多种功能。它的特点有以下4点：〔1超强的数值运算功能。一个很复杂的问题只用几条简单的指令就可以解决,这是因为在MATLAB的运行环境里,可以拿来使用的的函数种类涉及到各个方面,而且非常方便有效。那么用户就能够把精力更多的放在在解题上,没有必在电脑编程上花费不必要的时间。〔2强大的数据可视化功能。当使用MATLAB时,用户之所以能够将数据进行视觉化处理和分析,这依赖于它强大的的图形功能。用户完成一篇研究性的文章之后,可以使用MATLAB制作高质量的图形,可以给其文章添加一些让读者更易理解的东西,增强其可读性。〔3开放的架构和可延拓的特性。MATLAB的主包文件和各工具包均是可以进行读、写的,但是内部函数不是。另外,用户如果有需要,可以检查算法,甚至修改原来的函数。如果用户的函数可以组成新的工具包,也可以使MATLAB构建一个适合用户的环境以方便用户。〔4丰富的工具箱。由于MATLAB的开放性,许多领域的专家都为MATLAB编写了各种程序工具箱。为了用户能够更加有效的编写程序,工具箱为不同的用户提供各种特殊的函数,并且可以直接进行使用,从而使用户工作起来更加高效。MATLAB的主要构成部分有主程序、工具箱〔Toolbox和Simulink动态系统仿真系统。其中主程序包括MATLAB语言、工作环境、句柄图形、数学函数库和应用程序接口五部份；要想解决某种特殊的问题或者实现一种特殊的新算法,就必须用到工具箱,因为它包含了使用MATLAB的基本语句所编写的不同种类的子程序集和函数库；Simulink是一个集成软件包,可以用来完成动态系统建模、仿真和分析等功能,并可以让用户利用框图来模拟系统,实时地控制这个系统。现在的Simulink可以进行线性系统和非线性系统,而且对于连续时间系统和离散时间系统以及混合连续—离散时间系统的仿真,Simulink都可以做到,另外它还可以完成多制采样率的系统仿真；Simulink不仅可以使用MATLAB语言,还可以使用C语言甚至FORTRAN语言,按照某种形式来完成用户自己定义的多种功能模块。Simulink是一个集成软件包,可以用来完成动态系统建模、仿真和分析等功能,有了Simulink,像建模、分析和仿真各种动态系统〔包括连续系统、离散系统和混合系统,就变得相当简单。此外,Simulink已经广泛地应用于系统仿真领域,并且很多特殊的仿真系统也包括Simulink模型,使得重用和移植代码变得非常简单方便。使用Simulink能够轻易地进行许多仿真分析和原型设计,例如控制系统、DSP系统、通信系统以及其它系统。借助于MATLAB提供的大量的仿真资源,使用Simulink进行系统的建模变得非常的容易学会并且方便使用。下面介绍Simulink的丰富功能：〔1交互式、图形化的建模环境．利用Simulink建模时,用户只需要使用鼠标拖放不同模块库中的系统模块,然后把它们连接起来,这依赖于它丰富的模块库。另外,还可以把若干功能快组合成子系统,建立起分层的多级模型,Simulink4.1版提供的模型游览器可以使用户方便地游览整个模型的结构和细节。当用户使用时,这种交互式、图形化的建模环境会变得非常形象明显,从而使得用户轻松地就掌握其使用方法。〔2交互式的仿真环境。Simulink的仿真环境拥有交互性很强的特点,不但可以通过下拉菜单执行仿真,还可以运用命令行来进行仿真,对于交互工作来说菜单方式是非常方便的,与之相对命令行方式则在运行一大类仿真如蒙特卡罗仿真起到了非一般的作用。通过使用仿真软件,用户可以交互地或在批处理模式,而在仿真参数是用来取代容易"what-if",类型的分析和仿真。通过使用一个示波器或ActiveX技术窗口,我们需要观察模拟工艺参数可以显示在不同的州在仿真运行。〔3专用模块库.作为Simulink建模系统的补充,MathWorks公司还开发了一种特殊的功能块包,比如ASPBlockset和沟通Blockset等等,通过这些程序包的使用,用户可以快速地对系统进行建模、仿真与分析,更重要的是用户还可以对系统模型进行代码生成,并将生成的代码下载到不同的目标机上,可以说,MathWorks为用户从算法设计、建模仿真,一直到系统实现提供了完整的解决方案,而且,MathWorks公司还开发了实施软件包,如TI和Motorola开发工具包,使用户用来进行开发目标系统,达到方便用户系统的实施的目的。〔4提供仿真库的扩充和定制机制。Simulink的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能；采用MATLAB,FORTRAN和C代码生成自定义模块库,并拥有自己的图标和界面。因此用户可以使用代码写在FORTRAN或C链接进来,或购买第三方开发人员使用该模块库提供了一个更先进的系统设计、仿真和分析。〔5与MATLAB工具箱的集成。可以直接使用MATLAB仿真软件很多资源和功能,这样用户可以直接在仿真软件,数据分析等任务,过程自动化,优化参数等等。工具箱提供了先进的设计和分析能力可以集成到仿真过程。3.2MATLAB语言的特点MATLAB语言有以下特点1.起点高〔1变量代表矩阵我们现在所进行的科学运算,差不多都要用到矩阵运算,而在MATLAB的运算中,它的最大优势就是它对于矩阵的运算,一个变量就可以代表一个矩阵,而每个矩阵中都可以有n×m个元素；〔2每个元素都看成复数,这个特点在其他系统中并不多见〔3加减乘除四则运算等对矩阵、复数都有效。2.人机界面适合科技人员〔1MATLAB的语言规则与笔算式相似,MATLAB的程序与科技人员的书写习惯相近。因此易写易读,易于在科技人员之间交流；〔2矩阵的行列数不需定义。MATLAB只需要输入数据的行数和列数,矩阵的阶数就是一定的,而其它的语言必须先定义矩阵的阶数,才能输入矩阵；〔3键入算式立即得结果,无需编译。MATLAB在执行每条语句之前,必须先对语句进行解释,如果语句有错误,MATLAB也会做出反应,提醒编程人员对语句进行修改,这就是所谓的解释工作方式。这种方式可以减少编程人员的工作量。3.强大而简易的作图功能〔1能根据输入数据自动确定坐标绘图；〔2能规定多种坐标系〔极坐标系、对数坐标系等；〔3能绘制三维坐标中的曲线和曲面；〔4可设置不同颜色线型视角等。如果数据齐全通常只需要一条命令即可出图。4.智能化程度高〔1绘图时自动选择最佳坐标,大大方便了用户；〔2做数值积分时自动按精度选择步长；〔3具有非常强的自动检测语句作错误的能力、显示错误语句的能力,调试方便。5.功能丰富,可扩展性强MATLAB软件由两大部分组成：基本部分：这一部分包括对矩阵的运算、变换,傅立叶变换,数据处理,数值积分,求解代数和超越方程等；扩展部分：这一部分包括各种采用MATLAB的基本语句编写的程序,因为它能充分满足大学生,尤其是理工科学生的计算需求,所以我们也把它称为工具箱。用于解决某一方面的专门问题或实现某一类的新算法。第4章仿真系统的建立4.1Simulink建模方法Simulink这一名字的含义是相当直观的。因为它较明显地表明此软件的两个显著功能：Simu〔仿真与Link〔连接。传统的仿真软件是利用微分方程、差分方程来完成建模的,而Simulink建模更加地方便、直观、灵活。Simulink用户先建立一个新的图形窗口,然后用鼠标像笔在纸上操作一样,在所建立的新的图形窗口中画出系统所需要的控制模型。然后利用Simulink提供的功能来对系统进行仿真或分析。用户可以按照递阶结构的方式,从上到下、从下到上来用Simulink创建模型。这样用户就可以清晰的看到整个系统的结构,模块的详细信息以及各模块之间的联系。用户可以在MATLAB的命令窗口中输入相应的命令、通过Simulink的菜单,来对定义完的新的模型进行仿真。在仿真进行的过程中,我们可以通过Scope模块和其它的画图模块,来观察系统的即时变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB工作空间里做事后处理。4.2Simulink建模的步骤Simulink建模的具体步骤如下：〔1开始准备。Simulink建模的第一步就是启动Simulink程序。启动Simulink的方法：在MATLAB命令窗口中输入simulink命令,系统不仅会显示出Simulink模型的模块库窗口,还会自动打开一个空白的模型编辑窗口,我们就可以在这个新的模型编辑窗中建立系统模型。〔2画出系统的各个模块。打开相应的子模块库,选择所需的模块,拖动到模型编辑窗口的合适的位置。〔3给出各个模块的参数。双击模块的图标,然后根据提示,对对话框里相应的默认参数进行修改。〔4画出连接线。要构成完整的系统,就要用连线把所有的模块,根据相应的关系连接起来。连接线的画法：先点击开始模块的输出端,然后拖动鼠标,根据模块之间的关系,找到终止模块的输入端,最后松开鼠标,在两个模块之间就会自动出现带有箭头的连接线。〔5指定输入和输出端子。在Simulink下允许两类输入输出的信号,若用户提取系统的线性模型,则需要打开Simulink模块库中的"continuous"〔连续模块图标,从中选取相应的输入输出端子,若只想对系统进行仿真分析,则需从"sourse"〔信号源图标中取输入信号端子,从"Sinks"〔输出源图标中取输出端子即可。4.3主电路的建模和参数设置图4.1三相交流调压电路带阻感负载电路原理图主电路是按照图1.2所示的三相四线交流调压电路搭建的。由三相对称交流电压源、晶闸管三相交流调压器、脉冲触发器及一些显示器件等部分组成。模型图见图4.1。4.3.1三相交流电源的建模和参数设置从电源模块组中选取一个交流电压源模块,修改三相电源名称为A相、B相、C相。具体的操作方法：双击A相交流电压源图标,就可以设置对话框修改参数,电压的幅值设为220V,频率设为50Hz,初相位设为0o。以上是A相参数的设置方法,B相的设置方法：双击B相交流电压源图标,就可以设置对话框修改参数,电压的幅值设为220V,频率设为50Hz,初相位设为120o；C相的设置方法：双击C相交流电压源图标,就可以设置对话框修改参数,电压的幅值设为220V,频率设为50Hz,初相位设为240o。这样就可以得到三相对称交流电源。4.3.2晶闸管三相交流调压器的建模和参数设置晶闸管三相交流调压器由3对晶闸管组成。这3对晶闸管元件每个都采用"相位控制"方式,再采用反并联的方式构成晶闸管三相交流调压器,其中并利用了电网自然换流。图4.2所示为晶闸管三相交流调压器的仿真模型。图4.3所示为三相交流调压其中晶闸管元件的仿真模型。图3.4所示为三相交流调压晶闸管元件的参数设定。图4.2三相交流调压模块电路接线图图4.3交流调压模块图4.4晶闸管参数设置4.3.3接电阻负载时输入输出电压及负载相电压、相电流波形取L=0,R=1001.时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.5时输入输出电压及负载相电压相电流波形图由图4.5可以看出,控制角取0度时,输入输出电压波形完全相同。2.时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.6时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图由图4.6可以看出,当控制角为30度时,晶闸管从30度时开始导通,直至过零点自动关断,电压波形对称性很好。3.时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.7时输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.8时输入输出电压及负载相电压、相电流波形图5.时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.9时输入输出电压及负载相电压、相电流波形图6.时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.10时输入输出电压及负载相电压、相电流波形图由图4.5～图4.10可以看出,在不同的控制角下,输出波形,均能保持对称,且控制角越大,晶闸管导通角越小,输出电压的有效值越小。4.3.4接阻感负载时输入输出电压及负载相电压、相电流波形一、取R=100,L=100e-3,脉冲宽度为10度1．时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.11时输入输出电压及负载相电压、相电流波形图由图4.11可见,对于阻感负载,当控制角取为0度时,该交流调压电路并不能输出正常的波形。这是因为,对于阻感负载,设其阻抗角为,如果将晶闸管直接短接,则稳态时负载电流应是正弦波,其相位滞后于电源电压的角度为。在利用晶闸管进行控制的时候,只能进行滞后控制,从而使负载电流变得更为滞后,而没有办法使其变得超前。为了方便,仍把电源电压的时刻定义为的时刻,显然,阻感负载下稳态时的移相范围应为。2．时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.12时输入输出电压及负载相电压、相电流波形图3．时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.13时输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4．时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.14时输入输出电压及负载相电压、相电流波形图5．时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.15时输入输出电压及负载相电压、相电流波形图6．时的输入输出电压及负载相电压、相电流波形图4.16α=150°时输入输出电压及负载相电压、相电流波形图二、取R=50,L=100e-3,脉冲宽度为10度1．时输入输出电压及负载相电压、相电