单项交流调压控制.doc

目录
摘要..........................................1
前言................................................2
1主电路...........................................3
1.1.设计内容及技术要求..........................3
1.2设计内容.....................................4
1.3工作原理.....................................5
1.4参数计算.....................................6
1.5建模仿真.....................................7
2.仿真...........................................8
2.1电阻性负载仿真波形..........................9
2.2波形分析...................................11
3.触发电路设计...................................12
3.1 触发电路要求..............................12
3.2参数设置..................................13
3.3 触发电路原理图............................13
4. 心得体会......................................14
参考文献..........................................14

摘要
电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。 
晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明时期。晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组。并且，其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。 
调压电路按组成的器件不同，利用晶闸管半导体器件构成的；按电路接线方式可分为桥式和零式整流电路；按交流输入相数又可分为单相、多相（主要是三相）整流电路。正是因为整流电路有着如此广泛的应用，因此整流电路的研究无论在是从经济角度，还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。本设计正是结合了Matlab仿真软件对在电阻负载下进行分析。 
关键词：晶闸管，调压电路，Matlab,仿真，电阻负载，相控方式

前言
本次课程设计主要是研究单相交流调压装置，触发电路的设计，以及参数设置和波形仿真。由于交流调压电路的工作情况与负载的性质有很大的关系，交流调压电路可以带电阻性负载，也可以带电感性负载(注：本次主要做纯阻性负载）。交流调压电路是采用相位控制方式的交流电力控制电路，通常是将两个晶闸管反并联后串联在每相交流电源与负载之间。在电源的每半个周期内通过对晶闸管相位控制，使之导通，可以方便地调节输出电压的有效值 ，这种电路称为交流调压电路。因此，只要通过控制晶闸管开通时所对应的相位，可以方便的调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。其晶闸管可以利用电源自然换相，无需强迫关掉电路。交流调压电路主要应用在灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电机动机的软启动，也用于异步电动机调速。及电热控制、交流电动机速度控制、交流稳压器等场合，此外，在高压小电流或低压大电流直流电源中，也常常采用交流调压一次电压，如采用晶闸管整流电路，高压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联这是十分不合理的，采用交流调压电路在一次侧调压，其压值不大也不小，在变压器二次侧只要用二极管整流即可。交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，成本低，易于设计制造。

1.主电路
1.1.设计内容及技术要求
计算机仿真具有效率高，精度高，可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用与电力电子电路（或系统）的分析和设计中。计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度降低设计成本，缩短系统研制周期。可以说，电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和实验过程。通过本次仿真，学生可以初步认识电力电子计算机仿真的优势，并掌握电力电子计算机仿真的基本方法。
单相交流调压电路的电路参数要求：
电源电压100V，工频50Hz,阻感负载。R=50Ω。
1.2设计内
⑴制定设计方案
⑵主电路设计及主电路元件选择
（3）工作原理
（4）参数计算，器件选择
（5）建立仿真，

图一（主电路原理图）
1.3工作原理
单相交流调压电路电阻性负载时的，其输出电压，电流与触发角α，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。从而，控制电压输出。
1.4参数计算
单相交流调压控制电路带带电阻负载波形图如图二所示

图二（电阻负载在30波形）

根据图中可知，单相交流调压控制电路带带电阻负载的输出电压
其中α=π／6。设电阻值的大小为R。
由条件可以得到
（1）的幅值 （1）
可得
（2）输入平均电压为：
(2)

（3）输入平均电流

(4)流过负载的电流有效值为
=1.972A (3)
（5） 功率因数大小
(4)
1.5建模仿真

1．建立一个仿真模型的新文件。在 MATLAB 的simulink的菜单栏上点击 File，选择 New，再在弹出菜单中选择 Model，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从中找出所需的晶闸管，交流电源，电压表，电流表，示波器，电阻等。
3. 将找到的模型正确的连接起来，如下图三所示
图三（仿真原理图）

4.参数设置
⑴ 触发脉冲参数设置如下图四所示:
其中将周期（period）设置为0.02
触发脉冲宽度（pulse width）设置为0.1

图四

他们之间的对应关系如下
触发角α
相位滞后
换算公式
0
0

相位滞后=(触发角/180)×0.01
30
0.0017
60
0.0033
90
0.005
120
0.0067
150
0.0083
180
0.01

⑵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,本次仿真中的负载为阻感性。
⑶电源参数设置
电源电压设为100V，频率设为50Hz,
相位角设为0

2.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
2.1电阻性负载仿真波形
(a ) R=5 0, α=0°

(b) R=50, α=30°

(c) R=50，α=60º

(d) R=50, α=90°

(d ) R=50,α=120°

(e) R=50, α=150°

2.2波形分析
以上各图分别为触发角α为0°,30°,60º,90°,120°，150°，180°时所得的仿真波波形，，图中第一个电压源的波形，第二和第三为脉冲的波形，第四个为负载电流波形，第五为晶闸管导通波形，第六为负载电压的波形。从以上图当触发脉冲到来时，正向晶闸管导通。负脉冲到来时，正向晶闸管关断，负向晶闸管导通，从图中中可以看出α在0-180里，α=0时，相当于晶闸管一直接通，输出电压最大值，u0=u1。随着α的增大，u0逐渐减小。直到α=180时。可见，单相交流调压电路带电阻负载时，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。
3.触发电路设计
3.1 触发电路要求
晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲有如下要求 。
第一，触发信号可为直流、交流或脉冲电压。
第二，触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。
由晶闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散性很大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流Igt、门极触发电压U是指该型号的所有合格器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以触发脉冲应以一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通。触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。
第三，触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。
第四，触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。
第五，触发脉冲与主电路电源必须同步。为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。
根据以上要求分析，采用KJ004移相触发器进行触发电路的设计。KJ0O4可控硅移相触发器适用于双向可控硅或两只反向并联可控硅的交流相位控制。

3.2参数设置
电源电压：外接直流电压+15V,-15v，允许波动±5％(±10％功能正常)。
电源电流：≤l5mA。
同步电压：任意值。
同步输入端允许最大同步电流：6mA(有效值)。
移相范围：≥l70°(同步电压30V，同步输入电阻15kΩ)。
移相输入端偏置电流≤l0µA。
锯齿波幅度：≥10v。
输出脉冲：
a．脉冲宽度：400µs～2 ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。
b．脉冲幅度：>=13V。
c．最大输出能力：200mA(吸收脉冲电流)。
d．输出反压：BVceo≥l8v
允许使用环境温度：0～70℃。
3.3 触发电路原理图

图五 触发电路

4. 心得体会
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这次电力电子技术课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。尽管刚开始什么也不会，没有一点思路，但是通过查资料，看课本，请教老师和同学，自己再慢慢摸索做，使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。在此次的设计过程中，我们更进一步地熟悉了单相交流调压电路的原理以及触发电路的设计。当然，在这个过程中我们也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我们准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我们最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，让我们对以后的工作学习有了更大的信心。感谢方老师在平常实验指导和提供很好实验室，感谢学校给我们这个不错的机会。

参考文献
[1].松树朴等，电力电子技术，第一版[M]，中国矿业大学出版社，1999
[2].黄俊，半导体变流技术，第四版[M]，机械工业出版社，2002
[3].张立，现代电力电子技术，第一版[M]，机械工业出版社，1995
[4].周明宝，电力电子技术，第一版[M]，机械工业出版社，1997
[5].叶斌，现代电力电子电路，第二版[M]，浙江大学出版社，2002
[6].赵良瑸，现代电力电子技术基础，第一版[M]，清华大学出版社，1995