单相交流调压电路.doc

《电力电子技术基础》实验报告 学号

东南大学

《电力电子技术基础》
实验报告

实验名称： 单相交流调压电路
院 （系）： 自动化 专 业： 自动化
姓 名： 学 号：
实 验 室： 实验时间： 2016 年 11月17日
评定成绩： 审阅教师：
目 录

1实验目的…………………………………………………………… 3
2单相交流调压电路………………………………………………… 3
2.1交流调压…………………………………………………… 3
2.2工作过程 …………………………………………………… 3
3 MATLAB仿真验证 ………………………………………………… 5
3.1 同步脉冲触发器…………………………………………… 5
3.2 单相交流调压电路………………………………………… 7
3.3 相关公式的验证 ………………………………………… 11
4 实验小结………………………………………………………… 12

1 实验目的
学习单相交流调压电路，加深对相关概念和参数的理解，掌握其工作原理以及在不同延迟角下的工作特性。学习脉冲触发电路，并设计一个同步脉冲触发器。利用MATLAB仿真验证相关公式的正确性。
2 单相交流调压电路
2.1 交流调压
交流调压是指交流电压幅值的变换（其频率不变）。交流调压器通常是指接在交流电源与负载之间，用以实现调节负载电压有效值的电力电子装置，它们可以采用相位控制或通断控制。
2.2 工作过程
单相交流调压电路由两只反并联的晶闸管VT1和VT2组成，如图2.1所示。由于晶闸管为单向开关元件，故用两只普通晶闸管分别作正负半周的开关，当一个晶闸管导通时，它的管压降成为另一个晶闸管的反压使之阻断，实现电网自由换流。

图2.1 单相交流调压电路
2.2.1带电阻负载时的工作情况
(a)
(b)
(c)

图2.2 电阻负载单相交流调压电路工作波形
图2.2中(a)是输入交流电压Ua波形，(b)和(c)是电阻性负载下不同α的输出交流电压波形。
波形分析：
（1） 改变控制角α就可将电源电压“削去”0~α、π~π+α区间一块，从而在负载上得到不同大小的交流电压。
（2） 输出电压不是正弦波，包含一些奇次谐波。适用于对波形没有要求的场合，例如温度和灯光的调节
2.2.2带电阻负载时的数量计算
负载电压有效值：
UR=1παπ(2Uasinωt)2dωt=Ua1-2α-sin2α2π
=Uasin2α2π+π-απ (Ua为输入交流电压有效值)
负载电流有效值：
IR=URR=URR1-2α-sin2α2π=URRsin2α2π+π-απ
输出有功功率：
PR=URIR=Ua2R(1-2α-sin2α2π)=Ua2R(sin2α2π+π-απ)
2.2.3输入功率因数PF和控制角α的关系
（1） 输入功率因数为有功功率与视在功率之比
视在功率：S=UaIR
输入功率因数:PF=URIRUaIR=1-2α-sin2α2π=sin2α2π+π-απ
（2） 如图2.3所示，α越大，输出电压越低，输入功率因数也越低。当α≠0时，无功功率一部分由基波电流相移产生，另一部分则由谐波电流产生。

图2.3 输入功率负载与控制角的关系

3 MATLAB仿真验证
3.1同步脉冲触发器
3.1.1 电路模型

图3.1 同步双脉冲触发器
输入1为延迟角α的给定值，输入2为同步电压U，输入3为控制端，输入0时，允许触发脉冲输出；另外输入K1为电源频率，输入Pwidth为脉冲宽度，在此设置分别为60HZ和20°；输出1为间隔180°的双窄脉冲。
3.1.2 设计原理
在六脉冲触发器的基础上，将输入信号改为单相交流电压，分析设计要求可知，需要产生两个间隔为180°的双窄脉冲，即将输入信号反相后即可作为互差180°的同步信号。
模块MUX将两路信号合并为一个信号列，对于每一个信号，当其由负过零变正时，模块Hit Crossing 会产生一个正向脉冲，即电网电压的同步脉冲。此脉冲一方面作用于积分器的同步输入端，产生积分同步信号，使其开始积分；另一方面，它将转化成布尔类型的量后作用于RS触发器的复位端R。
模块Relational Operator1将给定的触发角转变为积分值与模块Integrator输出相比较，来产生触发晶闸管的时刻。当达到α角度时，模块Relational Operator1输出1，作用于Logical Operator2模块，产生一个上升沿，使积分器Integrator2开始积分，其输出信号与给定脉冲宽度相比较后，产生晶闸管的触发脉冲。
模块Logical Operator的输出经模块Memory送入RS触发器。当其为高电平时，其Q输出端为1，为下次脉冲做准备。Memory的作用是为了防止当同步脉冲与触发脉冲同时到来时，将触发信号向后延迟极小一段时间，避开同步脉冲。
3.1.3工作波形分析

图3.2 双脉冲触发器波形
从图3.2可以看出，两个脉冲波形相位相差180度，可为单相交流调压电路两个反并联的晶闸管提供脉冲信号。
3.2单相交流调压电路
3.2.1 电路模型

图3.3 单相交流调压电路
3.2.2 工作波形
(1) α=0°时，UR波形

(a) α=0°时，UR波形
如图3.4(a)所示，脉冲1在交流电压负半周，脉冲2在交流电压正半周，故将脉冲1 接到图2.1中的VT2，而脉冲2接到VT1，实现自由换流。
(2) α=30°时，UR波形

(b) α=30°时，UR波形
(3) α=60°时，UR波形

(c) α=60°时，UR波形
(4) α=90°时，UR波形

(d) α=90°时，UR波形
(5) α=120°时，UR波形

(e) α=120°时，UR波形
(6) α=150°时，UR波形

(f) α=150°时，UR波形
图3.4 不同α角下负载电压波形
3.2.3 分析总结
(1)仿真波形与理论波形一致；
(2)不同的α角会得到不同的输出波形。
3.3相关公式的验证
3.3.1电路模型

图3.5 单相交流调压电路相关公式验证
为验证负载电压、电流有效值计算公式，需要测量其有效值，在电路中加入RMS模块用来测量负载电压UR，负载电流IR有效值。
3.3.2测量数据
α/°
0
30
60
90
120
150
理论值/V
268.7
264.8
241.0
190.0
118.8
45.6
测量值/V
267.7
263.9
240.2
189.3
118.3
45.3
误差/%
0.37
0.34
0.33
0.37
0.42
0.66
表1 负载电压有效值UR
α/°
0
30
60
90
120
150
理论值/A
134.4
132.4
120.5
95.0
59.4
22.8
测量值/A
133.9
132
120.1
94.7
59.17
22.67
误差/%
0.37
0.34
0.33
0.37
0.42
0.66
表2 负载电流有效值IR
注：输入交流电压Ua最大值为380，其有效值为268.7，负载电阻为2Ω。

分析：
测量值与理论值基本一致，误差在0.4%左右，可以验证负载电压UR，负载电流IR有效值的计算式正确。
4 实验小结
通过本次学习，我对单相交流调压电路有了较为全面且深入的了解，熟练掌握了它的工作原理，能够分析出在不同α角下波形的变化。理解了脉冲触发器的原理，并在六脉冲触发器的基础上实现了双脉冲触发器的设计，通过仿真功能验证了电阻负载单相交流调压电路在不同α角下的工作特性，并对电阻负载下的相关公式进行了验证。

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