基于matlab的单相交流调压电路的设计与仿真

中北大学电子技术课程设计说明书1目录引言。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。P21.主电路设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。P21.1.原理。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。P21.2设计内容及技术要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。P31.3设计内容。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。P31.5建模仿真。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。P42仿真。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。P92.1电阻性负载仿真波形。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。P102.2波形分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。P103触发电路的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。P104设计体会。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。P12参考文献。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。P13引言：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，交流调压电路可中北大学电子技术课程设计说明书2以带电阻性负载，也可以带电感性负载，如感应电动机或其它电阻电感混合负载等。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触发一次晶闸管，使之导通。与相控整流电路一样，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，并可实现电压的平滑调节，系统响应速度较快，但它也存在深控时功率因数较低，易产生高次谐波等缺点。交流调压电路主要应用在电热控制、交流电动机速度控制、交流稳压器等场合，主要有灯光调节，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，随电机负载大小自动调压，变压器初级调压（在高压小电流或低压大电流直流电源中，如采用晶闸管相孔整流电路，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，在变压器次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。1.主电路的设计1.1原理电阻负载单相交流调压电路中，VT1和VT2可以用一个双向晶闸管代替，在交流电源的正半周和负半周，分别对晶闸管的开通叫进行控制就可以调节输出电压。正负半周触发角时刻起均为过零时刻。在稳态情况下。应使正负半周的触发角相同。可以看出。负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流和负载电压的波形相同。U0=√1π∫（√2U1sinwt）2dwtπαRl=U0/I0IT=1π∫Imsinwtdwtπα入=P/S=U0I0U1I0=U0/I1中北大学电子技术课程设计说明书3触发角的移相范围为0——π，课程设计要求触发角取为30o1.2设计内容及技术要求设计条件：1.电源电压：交流100V/50Hz2.输出功率：500W3.触发角304.纯电阻负载根据课程设计题目和设计条件，说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。设计内容包括：1.晶闸管电流、电压额定参数选择2.触发电路的设计3.计算电路的功率因素1.3设计内容U0=√1π∫（√2U1sinwt）2dwtπα=98.55所以I0=p/U0=500/98.55=5.07ARl=U0/I0=98055/5.07=19.42ohmI0=√1π∫（Imsinwt）2dwtπα=5.07A中北大学电子技术课程设计说明书4解得Im=7.28A所以IT=1π∫Imsinwtdwtπα=1π7.28（cos30o+1）=4.33A根据额定电流的规定，可以得到额定电流为电流平均值的1.52倍，额定电流为6.49A——8.65A额定电压为电压峰值的2——3倍，为282.84V——424.26V入=U0/U1=98.55/100=0.9861.4建模仿真1．建立一个仿真模型的新文件。在MATLAB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，阻感负载等。3.将找到的模型正确的连接起来，如下图所示中北大学电子技术课程设计说明书54.参数设置⑴触发脉冲参数设置如下图所示:其中将周期（period）设置为0.01触发脉冲宽度（pulsewidth）设置为5相位滞后（phasedelay）也就是触发角可设为0.0017触发角α相位滞后换算公式00300.0017中北大学电子技术课程设计说明书6450.0025相位滞后=(触发角/180)×0.01900.0051200.00671500.00831800.01⑵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纯电阻性，其参数设置如下图所示中北大学电子技术课程设计说明书7中北大学电子技术课程设计说明书8⑶电源参数设置电源电压设为100V，频率设为50Hz,相位角设为0，如需改变可另行设置采样时间设为0，⑷仿真器设置为便于观察波形，将仿真时间设为0.06（三个周期）仿真算法（solver）设为ode23t，其他参数设为默认，设置好后的参数如下图所示：中北大学电子技术课程设计说明书92仿真参数设置好后，点击（startsimulink）开始仿真30o触发角时的波形如下：R=19.4,触发角为30°中北大学电子技术课程设计说明书102.1波形分析以上为触发角α为30°时所得的仿真波波形，图中触发周期为0.01s，波形六为触发脉冲的波形，第一个波形为晶闸管电流的波形，第二个波形为晶闸管电压的波形，第三个波形为负载电流的波形，第四个波形为负载电压的波形。从图中可以看出，晶闸管只在电压正半周的时候有电流，而电压在触发之前和负半周和电源电压的波形一样。还可以知道负载电压电流波形只是电源电压波形的一部中北大学电子技术课程设计说明书11分，不同的触发角对应不同的波形，由此可以知道可以通过调节触发的角度可以调节输出电压的有效值和功率因数。3.触发电路的设计晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要要的时刻有阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求：1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，对反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发；2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增加为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也许增加，一般需达1-2A/us；3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；4）应有的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。根据以上要求分析，采用KC05移相触发器进行触发电路的设计。KCO5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。KC05引脚图如图3-1所示：集成块的电参数电源电压：外接直流电压+15V，允许波动±5％(±10％功能正常)。电源电流：≤l2mA。同步电压：≥l0V。同步输入端允许最大同步电流：3mA(有效值)。移相范围：≥l70°(同步电压30V，同步输入电阻10kΩ)。移相输入端偏置电流≤l0µA。锯齿波幅度：≥7～8.5V。输出脉冲：a．脉冲宽度：l00µs～2ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。图3-1KC05引脚图中北大学电子技术课程设计说明书12b．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(测试条件：Ie=100µA允许使用环境温度：-l0～70℃。KC05触发芯片具有锯齿波形好，移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制，有失交保护，输出电流大等优点，是交流调光，调压的理想电路。KC05电路也适用于作半控或全控桥式线路的相位控制。同步电压由KC05的15、16脚输入，在TP1点可以观测到锯齿波，RP1电位器调节锯齿波的斜率，Rp2电位器调节移相角度，触发脉冲从第9脚，经脉冲变压器输出。调节电位器RP1，观察锯齿波斜率是否变化，调节RP2，可以观察输出脉冲的移相范围如何变化单相交流调压触发电路原理图如图3-2所示：5．设计体会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。并通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较。从而进一步验证了所学的理论知识。指导我们在以后的学习，多动脑的同时，要善于自己去发现并中北大学电子技术课程设计说明书13解决问题。这次的课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在你拿到题目时会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。通过电力电子技术课程设计，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、完成一个基本汇编程序的设计。在此次的设计过程中，我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，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，让我对以后的工作学习有了更大的信心。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。除了对理论知识更深地理解，同时也培养了以下几点能力。第一，提高了自己撰写课程设计报告水平，提高了自己的书面表达能力。具备了文献检索能力，特别是如何利用网络检索需要的文献资料。第二，提高了运用所学的各门知识解决问题的能力，在本次课程设计中，涉及到很多学科，包括《电力电子技术》、《电路》、《高等数学》等，学会了如何整合自己所学的知识去解决实际问题。第三，深刻理解了单相交流调压电路的原理及应用。参考文献：[1].松树朴等.电力电子技术.中国矿业大学出版社，1999[2].黄俊.半导体变流技术.机械工业出版社，2002[3].张立.现代电力电子技术.机械工业出版社，1995[4].周明宝.电力电子技术.机械工业出版社，1997[5].叶斌.现代电力电子电路.浙江大学出版社，2002[6].赵良瑸.现代电力电子技术基础.清华大学出版社，1995[7].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社，2009[8].李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社，2005中北大学电子技术课程设计说明书14[9].洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社，2006[10].钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社，2010