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1、电力电子技术课程设计单相调压电路设计姓名：学号：班级：时间：指导教师： 目 录一.仿真软件MATLAB简介2二.设计目的2三.单相交流电调压电路原理.2四.设计原理5五.MATLAB仿真.6六.当电感值和晶闸管开通角变化时的负载电压和触发脉冲波形.8七.谐波分析.19八.Protel 简介.19九.印刷电路板.24十.小结25十一.教材及参考书.25十二.附录.26 单相调压电路设计一.仿真软件MATLAB简介MATLAB是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算工具，作为强大的科学计算平台，它几乎可以满足所有的计算要求。另外，MATLAB还针对许多专门的领域开发出了功能强大的
2、模块集或工具箱，如：电力系统仿真工具箱(SimPowerSystems)等。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发出来的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的模型而不需要自己编写代码。当今社会的发展如此迅猛，高性能、低成本以及生产和更新换代周期短已经成为现代企业对产品设计的最基本要求，模型化、模块化以及动态仿真是产品设计者对设计工具的最基本要求，而MATLAB中的Simulink是其中可以完全满足此要求的几个工具软件之一。MATLAB提供的Simulink仿真软件实际上提供了一个系统级的建模与动态仿真的图形用户环境，并且凭借MATLAB在科学计算上的强大功能，建立了从设计构思到最终要求
3、的可视化桥梁，大大弥补了传统设计和开发工具的不足。Simulink是用模块组合的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型，特别对于复杂的非线性系统，效果更为明显。Simulink模型可以用来模拟线性或非线性、连续或离散或两者的混合系统。另外，Simulink还为用户提供一套图形动画的处理方法，使用户可。以方便地观察到仿真的整个过程。它还能够用MATLAB自身语言或c、c+语言、FORTRAN语言，根据s函数的标准格式写成用户自己定义的功能模块，其扩充性非常强。其中电力系统仿真工具箱功能强大，工具箱内部的元件库提供了经常使用的各种电力元件数学模型，并且提供了可以自己编程的方式创建适合
4、的元件模型。二设计目的1. 通过对单相调压电路的设计，掌握单相调压电路的工作原理，综合运用所学知识进行单相调压电路和系统设计的能力。2. 了解与单相调压电路拓扑、控制方法。3. 理解和掌握单相调压电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。4. 具有一定得电力电子电路及系统实验和调试的能力。三 单相交流电调压电路原理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。用在电热控制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。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。结构原理 交流调压电路的一般结构如图
5、1a所示。按一定的规律控制交流开关S1的通断，即可控制输出的负载电压u0。按单相交流调压电路的控制方式有周波控制调压、相位控制调压和斩波控制调压。采用前两种控制方式的单相交流调压电路如图1b所示。图1c所示。是斩波控制的单相交流调压电路，图中的双向开关S2是续流开关。(1)周波控制调压 适用于负载热时间常数较大的电热控制系统。控制图1b所示。中晶闸管导通时间与关断时间之比，使交流开关在某几个周波连续导通，某几个周波连续关断，如此反复循环地运行，其输出电压的波形如图2所示。改变导通的周波数和控制周期的周波数之比即可改变输出电压。为了提高输出电压的分辨率，必须增加控制周期的周波数。为了减少对周围通
6、信设备的干扰，晶闸管在电源电压过零时开始导通。在负载容量很大时，开关的通断将引起对电网的冲击，产生由控制周期决定的分数次谐波，这些分数次谐波引起电网电压闪变。这是其缺陷。（2）相位控制调压 利用控制触发滞后角的方法，控制输出电压。晶闸管承受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角。在有效移相范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功率因数不同而不同，电阻性负载最大，纯感性负载最小。图3是阻性负载时相控方式的交流调压电路的输出电压波形。相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。另外它还会引起电源电压畸变。为减少对电
7、源和负载的谐波影响，可在电源侧和负载侧分别加滤波网络。（3）斩波控制调压使开关在一个电源周期中多次通断，将输入电压切成几个小段，用改变小段的宽度或开关通断的周期来调节输出电压。斩控调压电路输出电压的质量较高，对电源的影响也较小。图4是斩波控制的交流调压电路的输出电压波形。在斩波控制的交流调压电路中，为了在感性负载下提供续流通路，除了串联的双向开关S1外，还须与负载并联一只双向开关S2。当开关 S1导通，S2关断时，输出电压等于输入电压；开关S1关断，S2导通时，输出电压为零。控制开关导通时间与关断时间之比即能控制交流调压器的输出电压。开关 S1、S2动作的频率称斩波频率。斩波频率越高，输出电压
8、中的谐波电压频率越高，滤波较容易。当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时，输出电压中会产生分数次谐波。当斩波频率较低时，分数次谐波较大，对负载产生恶劣的影响。将斩波信号与电源电压锁相，可消除分数次谐波。斩波控制的交流调压电路的功率开关元件必须采用功率晶体管或其他自关断元件，所以成本较高。四.设计原理本设计中采用相位控制调压的方式。把两个晶闸管反并联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，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。交流电源只有一相时，称为单相调压电路。主电路原理图
9、如下：图5图5是单相交流电路主电路图，两个晶闸管反并联串联在交流电路中，在每半个周波内对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出交流电压的有效值，实现交流调压。由于交流调压电路的工作情况和负载有很大关系，因此分别进行讨论。单相交流调压负载在电阻负载时，晶闸管的导通角只与控制角 有关，分别对两个晶闸管的开通角进行控制就可以调节输出电压。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。 的移相范围应为0。对触发脉冲的要求除了要保证与电源同步外，脉冲本身的宽度也要保证晶闸管能正常导通。单相交流调压负载是阻感性负载时，在电压反向过零时，由于电感产生的感应电势阻碍电流的变
10、化，晶闸管不能立即关断，导电时间延长，此时，晶闸管的导通角不但与控制角 有关，还与负载的阻抗角 =arctan（WL/R）有关。当 时，两个晶闸管VT1和VT2 得导通角均小于，且越小，越大。此时可以进行正常交流调压，输出电流既不连续也非正弦。当 = 时，=，电流波形为正弦波。当0 时，假设某一时刻触发VT1，则VT1的导通时间将超过。到wt=+时刻触发VT2时，由于电感的作用，负载电流尚未过零，VT1仍在导通，VT2不会立即开通。直到负载电流过零后，如果VT2的触发脉冲有足够的宽度而尚未消失，VT2开通，但其导通时间将小于。此后VT1的导通时间逐渐缩短，VT2的导通时间逐渐延长。稳态工作时，
11、VT1和VT2的导通时间都趋近到，与= 时相同。但如果触发脉冲宽度不够，负载电流过零时触发脉冲已经消失VT2将无法开通，造成每个周期VT1导通一次而VT2始终无法导通，负载电流只有半周。这会产生很大的直流分量而危及负载，同时对电网也带来不利影响，为保证单相交流调压电路在阻感负载时能正常工作，其触发脉冲的宽度必须大于-，因此所采用的触发电路必须输出宽脉冲或脉冲列。五MATLAB仿真元器件AC Voltage交流电源，工频220vLinear Transformer线性变压器Thyristor晶闸管，用于调压Series of RLC branch串联RLC支路，设置负载类型，R=0.5，L=2m
12、HPulse Generator脉冲发生器PowerGUI电力图形用户接口，用来进行电路系统稳态分析Voltage measurement电压表Current measurement电流表Scope示波器Ground接地装置其中，最主要的是Pulse Generator的参数设定，其周期必须与交流电压源的周期相一致，在phase delay中设定不同的导通时刻，这样就可以实现对交流电压的相位调压了。如果想要实现通断控制调压，只需要修改脉冲的频率，同时phase delay设为0就可以实现了。MATLAB仿真原理图图6六当电感值和晶闸管开通角变化时的负载电压和触发脉冲波形电阻负载R=0.5晶闸管
13、开通角起始时刻为电压过零时刻，它的移相范围为0。当=0时的负载电压波形：图7当=/3时的负载电压及触发脉冲波形：图8当=/2时的波形为：图9当=3/4时的波形：图10阻感负载 由图可看出，当=0时，输出电压为最大值，即电源电压；随着的增加，输出电压有效值逐渐减少，当=/2时，输出电压有效值为电源电压有效值的一半；而当=时，输出电压为0。负载的阻抗角=arctan(wL/R)。如果用导线把晶闸管完全短接，稳态是负载电流应是正弦波，其相位滞后于电源电压的角度为。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。同样将=0的时刻定在电源电压过零的时刻，显然，阻感负载下稳态时的移相范围为。R=0.5，L=2mH，=0.29=/3时的负载电压波形：图11晶闸管触发脉冲波形（由于图形放大比例不同，触发脉冲与负载电压波形不共时间轴）：图12=2/3时的波形：图13
