課程設(shè)計(jì)---單相晶閘管交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)與仿真

1、<p>　　單相晶閘管交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)與仿真</p><p><b>　　1交流調(diào)壓電路</b></p><p>　　1.1晶閘管交流調(diào)壓電路概述</p><p>　　將一種交流電能轉(zhuǎn)換為另一種交流電能的過程稱為交流-交流變換過程，凡能實(shí)現(xiàn)這種變換的電路為交流變換電路。</p><p>　　把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)

2、后串聯(lián)在交流電路中，在每半個(gè)周波內(nèi)通過對(duì)晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。單相交流電的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的電路與自耦變壓器調(diào)壓方法相比，交流調(diào)壓電路控制方便，調(diào)節(jié)速度快，裝置重量輕、體積小，有色金屬消耗也少?？捎糜跓艄庹{(diào)節(jié)、交流穩(wěn)壓器，異步電動(dòng)機(jī)降壓軟啟動(dòng)和調(diào)壓調(diào)速等，也可以用作調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)電壓。用晶閘管一次側(cè)調(diào)壓，省去了效率低下的調(diào)壓變壓器，有利于簡化結(jié)構(gòu)、降低成本和提高可靠性。</p

3、><p>　　1.2單相交流調(diào)壓電路的理想模型</p><p><b>　　1.2.1理想條件</b></p><p>　　理想電源：內(nèi)阻為零、電壓波形無畸變、。</p><p>　　理想開關(guān)：無損耗、無慣性、雙向?qū)щ姟?lt;/p><p>　　理想負(fù)載：線性元件、RLC。</p><

4、p>　　理想控制信號(hào)G：等寬脈沖、占空比、頻率恒定。</p><p><b>　　1.2.2工作原理</b></p><p>　　等效電路如圖1.1所示：</p><p>　　圖1.1單相交流調(diào)壓等效電路</p><p>　　當(dāng)G=1時(shí)，S1 合上，S2斷開，</p><p>　　當(dāng)G=0時(shí)

5、，S1 斷開，S2合上，續(xù)流</p><p>　　輸出波形如圖1.2所示：</p><p>　　圖1.2 單相交流調(diào)壓電路工作波形</p><p>　　1.2.3電壓增益及輸出電壓諧波含量</p><p>　　由于S1和S2的開關(guān)狀態(tài)為互補(bǔ)，輸出電壓uo可表示為</p><p>　　式中，上標(biāo)0代表開關(guān)閉合；1則為斷

6、開，則uo=GuNmsinωt，G為電路的開關(guān)轉(zhuǎn)移函數(shù)，定義為： </p><p>　　開關(guān)轉(zhuǎn)移函數(shù)的頻率分析：將G展開為傅立葉級(jí)數(shù)，由于G為偶函數(shù)，所以只有余弦項(xiàng)。</p><p><b>　　（1-1）</b></p><p>　　含有直流分量，頻率為ωc的基波以及高次諧波。</p><p>　　1.2.4輸出電壓U

7、0的表達(dá)式及頻率分析</p><p><b>　　（1-2）</b></p><p>　　令uo1=DUNmsinωt：輸入信號(hào)的頻率分量，uo1的幅值為Uo1m=DUNm </p><p>　　1.2.5輸入電流iN和輸出電流基波分量io1</p><p><b>　　（1-3）</b></

8、p><p><b>　　Z為負(fù)載</b></p><p>　　當(dāng)改變D可以改變輸出電流</p><p>　　輸入電流io基波分量的分析</p><p><b>　　（1-4）</b></p><p>　　輸入電流的幅值INm=DIom </p><p>　

9、　綜上所述，可以得到：</p><p>　　1、輸入電壓和輸出電壓為同頻同相信號(hào)，但幅值不同。 </p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　2、輸入電流和輸出電流為同頻同相信號(hào)，但幅值不同。 </p><p>　　3、輸入端功率因數(shù)與輸出端的功率因數(shù)相同。</p><p>

10、;　　1.3實(shí)際實(shí)現(xiàn)電路及工作原理</p><p>　　理想條件中假設(shè)的主電路功率器件具有理想功能，實(shí)際上這種器件是不不存在的，因此必須根據(jù)電路的特點(diǎn)和器件的實(shí)際性能來組構(gòu)電路。</p><p>　　交流調(diào)壓電路開關(guān)器件的基本性能必須是雙向?qū)щ?，圖1.3是幾種采用IGBT雙向開關(guān)構(gòu)成的單相調(diào)壓電路，其中a)雙器件型，即分別用兩個(gè)可控器件T1A和T1B來構(gòu)成一個(gè)雙向可控開關(guān)（加上二極管），起

11、著理想開關(guān)S1的作用；同理用T2A和T2B （D2A和D2B ）構(gòu)成另一個(gè)雙向可控開關(guān)代替理想開關(guān)S2，圖b）是單器件型，即用可控器件數(shù)目少，電路成本會(huì)降低，但由于正反向電流流經(jīng)同一個(gè)可控器件，故Ts和Tp只能用互補(bǔ)控制。</p><p>　　圖1.3IGBT雙向開關(guān)構(gòu)成的單相調(diào)壓電路</p><p>　　這種控制要求器件開關(guān)時(shí)間變化小，器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)準(zhǔn)確以及附加相應(yīng)的緩沖電路。在無緩沖電路

12、的理想條件下， Ts和Tp的開關(guān)時(shí)間必須保持始終一致，否則便會(huì)導(dǎo)致共態(tài)導(dǎo)通或共態(tài)關(guān)斷，而這是不允許的，因?yàn)橐坏┊a(chǎn)生共態(tài)導(dǎo)通，電源沿Ts和Tp短路；相反，若出現(xiàn)共態(tài)關(guān)斷，則負(fù)載電流會(huì)將瞬間切斷，在感性負(fù)載下，器件將會(huì)因關(guān)斷過電壓被擊穿。附加緩沖電路是一種有效的方法，由于采用單器件型電路，可以采用單極性緩沖電路。由圖c）可見若電路出現(xiàn)共態(tài)導(dǎo)通，電源沿兩支緩流LK短路，若電路出現(xiàn)斷態(tài)（設(shè)此前是Ts導(dǎo)通而Tp關(guān)斷），由于關(guān)斷緩沖電路的存在，原先

13、流經(jīng)器件Ts的電流，在Ts關(guān)斷時(shí)將改向Cs流過，從而保證負(fù)載電流連續(xù)，避免由于共態(tài)關(guān)斷所引起的關(guān)斷電壓。</p><p>　　1.3.1電阻性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路原理分析</p><p>　　電路如圖1.4所示：</p><p>　　圖1.4電阻性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路等效圖</p><p>　　用兩只反并聯(lián)的普通晶閘管或一只雙向晶閘管與電阻負(fù)

14、載R串聯(lián)組成主電路。以反并聯(lián)為例進(jìn)行分析，正半周α?xí)r刻觸發(fā)V1管，負(fù)半周α?xí)r刻觸發(fā)V2管，輸出電壓波形為正負(fù)半周缺角相同的正弦波，如圖1.5所示。負(fù)載上交流電壓有效值U與控制角α的關(guān)系為</p><p><b>　　(1-4)</b></p><p><b>　　電流有效值</b></p><p><b>　　(

15、1-5)</b></p><p><b>　　電路功率因數(shù)</b></p><p><b>　　(1-6)</b></p><p><b>　　電路的移相范圍 。</b></p><p>　　圖1.5電阻性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路輸出電壓波形</p>&l

16、t;p>　　1.3.2電感性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路原理分析</p><p>　　電路如圖1.6所示：</p><p>　　圖1.5電感性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路等效圖</p><p>　　輸出電壓波形如圖1.7所示：</p><p>　　U01是U0的基波分量，i01是i0的基波分量</p><p>　　i01與u01

17、將產(chǎn)生 Ø 的滯后角。在過零點(diǎn)附近出現(xiàn)， i01與u01不同相問題。</p><p>　　圖1.7電感性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路輸出電壓波形</p><p>　　1.3.3阻感性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路原理分析</p><p>　　電路如圖1.8所示：</p><p>　　圖1.8阻感性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路等效圖</p>&l

18、t;p>　　當(dāng)負(fù)載為電感線圈、交流電動(dòng)機(jī)或變壓器繞組時(shí)，這種負(fù)載稱為電感性負(fù)載。工作情況與單相半波整流電路帶電感性負(fù)載時(shí)相似。當(dāng)電源電壓反向過零時(shí)，由于負(fù)載電感產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時(shí)晶閘管導(dǎo)通角θ的大小，不但與控制角Ф 有關(guān)。兩只晶閘管門極的起始控制點(diǎn)分別定在電源電壓每個(gè)半周的起始點(diǎn)，α的最大范圍 ，正負(fù)半周有相同的α角。</p><p>　　當(dāng)控制角為α?xí)r， 觸發(fā)V1導(dǎo)通，這

19、時(shí)流過V1管的電流 有兩個(gè)分量，既穩(wěn)定分量 與自由分量 ，經(jīng)過相關(guān)計(jì)算，可以求出：</p><p><b>　　穩(wěn)定分量</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　　, </b&

20、gt;</p><p><b>　　自由分量</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　式中， 為自由分量衰減時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　流過晶閘管的電流，既負(fù)載電流為</p><p><b>　?。?-9）</b>

21、</p><p>　　當(dāng) 時(shí)，電壓、電流波形如圖1-2（b）所示。隨著電源電流下降過零進(jìn)入負(fù)半周，電路的電感儲(chǔ)藏的能量釋放完畢，電流到零，V1管才關(guān)斷。</p><p>　　在ωt=0時(shí)觸發(fā)管子，ωt=θ時(shí)管子關(guān)斷，將ωt=0代入（1-5）可得</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　當(dāng)取不

22、同的Ф時(shí)， 的關(guān)系可由數(shù)學(xué)推導(dǎo)得：</p><p>　　當(dāng) 時(shí)， ，其負(fù)載電路處在電流斷續(xù)狀態(tài)。當(dāng) 時(shí)， ，電流處在臨界連續(xù)狀態(tài)；當(dāng) 時(shí)，θ仍維持π，電路已不起調(diào)壓作用。</p><p>　　阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路波形如圖1.9所示：</p><p>　　圖1.9阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路波形</p><p>　　阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形

23、如圖1.10所示：</p><p>　　圖1.10阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形</p><p>　　2基于MATLAB的晶閘管單相交流調(diào)壓電路仿真</p><p>　　2.1晶閘管單相交流調(diào)壓器電路的仿真模型</p><p>　　在Matlab上建立模型如圖2.1所示：</p><p>　　圖2-1 Simulink

24、設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真模型圖</p><p><b>　　2.2 參數(shù)設(shè)置</b></p><p>　　設(shè)置交流電源的有效值為100V、工作頻率為50HZ，參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2交流電源參數(shù)設(shè)置</p><p>　　晶閘管的參數(shù)設(shè)置如圖2-3所示：</p><p>　　

25、圖2-3晶閘管的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　交流電源的頻率為H=50HZ，調(diào)壓周期為T=0.02s，ω=100π，在設(shè)置觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角時(shí)，可以根據(jù)公式 來設(shè)置觸發(fā)角。如設(shè)置V1的觸發(fā)角時(shí)，可求得t=0.0025，則V2的觸發(fā)時(shí)間t=0.0125;設(shè)置V1的觸發(fā)角 時(shí)，可求得t=0.00333，則V2的觸發(fā)時(shí)間t=0.01333;設(shè)置V1的觸發(fā)角 時(shí)，可求得t=0.005，則V2的觸發(fā)時(shí)間t=0.015; 設(shè)置

26、V1的觸發(fā)角時(shí)，可求得t=0.66，則V2的觸發(fā)時(shí)間t=0.0166。設(shè)置觸發(fā)脈沖的高度為12，寬度為0.002s。</p><p>　　當(dāng)負(fù)載是電阻性負(fù)載時(shí)，當(dāng)觸發(fā)角觸發(fā)信號(hào)參數(shù)設(shè)置如圖2-4所示。其中電阻為1Ω。當(dāng)負(fù)載是阻感性負(fù)載時(shí)，取阻抗角 時(shí)，則串入回路的電感為0.01/3.14 。在對(duì)話框Inductance中輸入電感值即可對(duì)話框如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-4脈沖

27、發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　圖2-5 負(fù)載的參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　2.3晶閘管單相交流調(diào)壓器電路的仿真結(jié)果及分析</p><p>　　2.3.1電阻性負(fù)載的仿真</p><p>　　按圖2-2、圖2-3、圖2-4設(shè)置好電源、晶閘管、觸發(fā)脈沖的參數(shù)，設(shè)置負(fù)載為R=1Ω，，然后運(yùn)行，進(jìn)行仿真，得到的工作波形如圖2-6所示。&l

28、t;/p><p>　　圖2-6 電阻性負(fù)載上的電流電壓及觸發(fā)脈沖的波形</p><p>　　在電源u的正半周內(nèi)，晶閘管V1承受正向電壓，當(dāng)ωt＝α?xí)r，觸發(fā)V1使其導(dǎo)通，則負(fù)載上得到缺α角的正弦半波電壓， 當(dāng)電源電壓過零時(shí)，V1管電流下降為零而關(guān)斷。在電源電壓u的負(fù)半周，V2晶閘管承受正向電壓，當(dāng)ωt＝π＋α?xí)r，觸發(fā)V2使其導(dǎo)通，則負(fù)載上又得到缺α角的正弦負(fù)半波電壓。持續(xù)這樣的控制， 在負(fù)載電阻

29、上便得到每半波缺α角的正弦電壓。改變?chǔ)两堑拇笮。?便改變了輸出電壓有效值的大小。設(shè), 則負(fù)載電壓的有效值為 ： </p><p><b>　　2-1</b></p><p>　　負(fù)載電流的有效值為 ：</p><p><b>　　2-2 </b></p><p>　　從表達(dá)式可以看出，隨著

30、α角的增大，Uo逐漸減小; 當(dāng)α＝π時(shí)，Uo＝0。因此，單相交流調(diào)壓器對(duì)于電阻性負(fù)載， 其電壓的輸出調(diào)節(jié)范圍為0～U， 控制角α的移相范圍為0～π。</p><p>　　2.3.2阻感性負(fù)載的仿真</p><p>　　當(dāng)α＞φ時(shí)，取α=π/3，φ=π/4時(shí)，設(shè)置t1=0.00333333, t2=0.01333333,電阻R=1,電感L=0.01/π，然后進(jìn)行仿真，得到的波形如圖2-7所示

31、：</p><p>　　圖2-7α＞φ時(shí)阻感性負(fù)載上的電流電壓及觸發(fā)脈沖的波形</p><p>　　當(dāng)α＝φ時(shí)，取α=π/4，φ=π/4時(shí)，設(shè)置t1=0.0025, t2=0.0125,電阻R=1,電感L=0.01/π，然后進(jìn)行仿真，得到的波形如圖2-8所示：</p><p>　　圖2-8當(dāng)阻感性負(fù)載的阻抗角Ф=α= 時(shí)負(fù)載電壓電流波形圖</p>&l

32、t;p>　　當(dāng)α＜φ時(shí)，取α=π/4，φ=π/3時(shí)，設(shè)置t1=0.0025, t2=0.0125,電阻R=1,電感L=0.01732/π，觸發(fā)脈沖的脈寬為10和脈寬為0.03然后分別進(jìn)行仿真，得到的波形如圖2-9和圖2-10所示：</p><p>　　圖2-9α＜φ脈沖寬度為交流調(diào)壓周期的0.1倍的波形</p><p>　　圖2-10α＜φ脈沖寬度為交流調(diào)壓周期的0.0003倍的波形

33、</p><p>　　當(dāng)α＞φ時(shí)，導(dǎo)通角θ＜180°, 正負(fù)半波電流斷續(xù)。α越大，θ越小，波形斷續(xù)愈嚴(yán)重。 </p><p>　　當(dāng)α＝φ時(shí)，可以計(jì)算出每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角θ＝180°。此時(shí)，每個(gè)晶閘管輪流導(dǎo)通180°，相當(dāng)于兩個(gè)晶閘管輪流被短接， 負(fù)載電流處于連續(xù)狀態(tài)，輸出完整的正弦波。</p><p>　　當(dāng)α＜φ時(shí)， 電源接通后，在

34、電源的正半周，如果先觸發(fā)V1，導(dǎo)通角</p><p>　　θ＞180°。 如果采用窄脈沖觸發(fā)，當(dāng)V1的電流下降為零而關(guān)斷時(shí)，V2的門極脈沖已經(jīng)消失，V2無法導(dǎo)通。到了下一周期，V1又被觸發(fā)導(dǎo)通重復(fù)上一周期的工作， 結(jié)果形成單向半波整流現(xiàn)象，回路中出現(xiàn)很大的直流電流分量，無法維持電路的正常工作。</p><p>　　根據(jù)波形分析，當(dāng)α≤φ并采用寬脈沖觸發(fā)時(shí)，負(fù)載電壓、 電流總是完整

35、的正弦波， 改變控制角α，負(fù)載電壓、電流的有效值不變，即電路失去交流調(diào)壓作用。在感性負(fù)載時(shí)，要實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓的目的，則最小控制角α＝φ（負(fù)載的功率因素角）， 所以α的移相范圍為φ～180°。</p><p><b>　　3 心得體會(huì)</b></p><p>　　這次電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)歷時(shí)一個(gè)星期，在整整一個(gè)星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多

36、很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。具體的收獲有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　學(xué)習(xí)是沒有止境的。在做這個(gè)課程設(shè)計(jì)之前，我一直以為自己的理論知識(shí)學(xué)的很好了。但是在完成這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我總是被一些小的，細(xì)的問題擋住前進(jìn)的步伐，讓我總是為了解決一個(gè)小問題而花費(fèi)很長的時(shí)間。最后還要查閱其他的書籍才能找出解決的辦法。并且我在做設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)有很多東西，我都還不知道。

37、其實(shí)在計(jì)算設(shè)計(jì)的時(shí)候，基礎(chǔ)是一個(gè)不可缺少的知識(shí)，但是往往一些核心的高層次的東西更是不可缺少。</p><p>　　多和同學(xué)討論。我們?cè)谧稣n程設(shè)計(jì)的工程中要不停的討論問題，這樣，我們可以盡可能的統(tǒng)一思想，這樣就不會(huì)使自己在做的過程中沒有方向，討論不僅是一些思想的問題，他還可以深入的討論一些技術(shù)上的問題，這樣可以使自己的人處理問題要快一些。</p><p>　　多改變自己設(shè)計(jì)的方法。在設(shè)計(jì)的過

38、程中最好要不停的改善自己解決問題的方法，這樣可以方便自己解決問題。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多編程問題，最后在老師指導(dǎo)和同學(xué)幫助下，終于游逆而解。同時(shí)，在xx老師的身上我學(xué)得到很多實(shí)用的知識(shí)，在次我表示感謝！同時(shí)，對(duì)給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p&