单相交流调压电路仿真研究课程设计

皖西学院单相交流调压电路仿真研究1目录前言.......................................................................21.主电路设计...............................................................41.1.设计内容及初始条件………………………………………………………………41.2.系统原理框图…………………………………………………………………………41.3.工作原理………………………………………………………………………………41.3.1.主电路工作原理................................................41.3.2.晶闸管的工作原理...............................................81.4.负载电流分析………………………………………………………………………91.5.单相交流调压电路主电路和触发电路（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………………………………………………………………142.1.1.波形分析……………………………………………………………………162.2.阻感性负载.........................................................162.2.1.波形分析………………………………………………………………………192.3.实验结果分析………………………………………………………………………203.控制电路的设计…………………………………………………………………………204.设计体会…………………………………………………………………………………225.参考文献…………………………………………………………………………………23皖西学院单相交流调压电路仿真研究2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。关键词：调压电路；晶闸管；Simulinkworkingprincipleofunderstandingofthesignal-phasevoltageregulatorcircuitswithpureresistanceoftheworkload,theuseofMatlab'sSimulinksimulationplatformandtheTreasurySimulationModelofthesigna-phasevoltageregulatorcircuitstructureandcircuitmodelsimulationexperiment.CircuitmodelfromACpower,twoanti-parallelthyristor,triggermodule,loadresistance,andcompositionoftheoscilloscope.Theresultsshowthattheformationofthecircuittogenerate-atheoreticalmodeloftheroleoftheregulator.Keywords:voltage-regulator-circuit；Thyristor；Simulink引言交－交变换（ＡＣ－ＡＣ）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ＶＶＶＦ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皖西学院单相交流调压电路仿真研究3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。皖西学院单相交流调压电路仿真研究41.主电路设计1.1.设计内容及初始条件：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Matlab7.0／Simulink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1.3.工作原理1.3.1.主电路工作情况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、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α，负载阻抗角φ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)arctan(RwL,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。皖西学院单相交流调压电路仿真研究5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iu的正半周时，在t时触发Vt1,Vt1导通，输出电压ou=iu，电流oi从0开始上升。当电压到达过零点时，由于是感性负载，电流oi滞后于电压ou，当电压达到过零点时电流不为0电流不为零，之后oi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oi从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角0。由后面的分析可知，在工况下，180因此在2T脉冲来之前1T已关断，正负电流不连续。在电源的负半周2T导通，工作原理与正半周相同，在oi断续期间，晶闸管两端电压波如下图：皖西学院单相交流调压电路仿真研究6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=情况下的输出波形皖西学院单相交流调压电路仿真研究7(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180)(时左端才能小于0，因此180，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在wt时刻1T被触发导通，由于其导通角大于180，在负半周)(wt时刻为2T发出出发脉冲时，1T还未关断，2T因受反压不能导通,1T继续导通直到在)(wt时刻因1T电流过零关断时，2T的窄脉冲2Gu已撤除，2T仍然不能导通，直到下一周期1T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皖西学院单相交流调压电路仿真研究81.3.2.晶闸管的介绍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（β2IG）。它同时为V1的基极电流，使V1导通，且IC1=β1IC2,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UGK0，也不能解除正反馈，G极失去控制作用。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。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-6晶闸管的双晶体管模型及其工作原理图a)双晶体管模型b)工作原理皖西学院单相交流调压电路仿真研究91.4.负载电流分析为了分析负载电流oi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t时刻晶闸管T1导通，负载电流i0应满足方程：L0Riddtio=iu=iU2sint其初始条件为：i0|t=0,解该方程，可以