电力电子装置及系统课程设计VIP

武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明说1单相晶闸管交流调压电路的设计与仿真1 交流调压电路1.1 晶闸管交流调压电路概述将一种交流电能转换为另一种交流电能的过程称为交流-交流变换过程，凡能实现这种变换的电路为交流变换电路。把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，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。单相交流电的电压进行调节的电路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，装置重量轻、体积小，有色金属消耗也少。可用于灯光调节、交流稳压器，异步电动机降压软启动和调压调速等，也可以用作调节变压器一次侧电压。用晶闸管一次侧调压，省去了效率低下的调压变压器，有利于简化结构、降低成本和提高可靠性。1.2 单相交流调压电路的理想模型1.2.1 理想条件理想电源：内阻为零、电压波形无畸变、 。tUusmiin理想开关：无损耗、无惯性、双向导电。理想负载：线性元件、RLC。理想控制信号 G：等宽脉冲、占空比 、频率恒定。cTD1.2.2 工作原理等效电路如图 1.1 所示：图 1.1 单相交流调压等效电路武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明说2当 G=1 时，S 1 合上，S 2断开， iu0当 G=0 时，S 1 断开，S 2合上， 续流输出波形如图 1.2 所示：图 1.2 单相交流调压电路工作波形1.2.3 电压增益及输出电压谐波含量由于 S1和 S2的开关状态为互补，输出电压 uo 可表示为Uo= uN0式中，上标 0 代表开关闭合；1 则为断开，则 uo=GuNmsin t，G 为电路的开关转移函数，定义为： G= 10开关转移函数的频率分析：将 G 展开为傅立叶级数，由于 G 为偶函数，所以只有余弦项。（1-cncn TDtnD 2, )os(i21 1）含有直流分量，频率为 c 的基波以及高次谐波。武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明说31.2.4 输出电压 U0 的表达式及频率分析（1-2）令 uo1=DUNmsint：输入信号的频率分量，uo1 的幅值为 Uo1m=DUNm tDUuLPF LPFtnuDutUu tntntGu smscsnsc msm nscnscnnsmi in, ,sii )si(i1)(i1 0101 0101010 则而 大 于其 截 止 频 率 小 于如 果 输 出 采 用 这 两 项 均 可 用时当差 频 信 号）（ 和 频 信 号）（ 。分 量 ， 实 现 了 调 压 目 的， 可 以 改 变 输 出 电 压 的改 变 的 幅 值 为，： 输 入 信 号 的 频 率 分 量令1.2.5 输入电流 iN 和输出电流基波分量 io1（1-3）Z 为负载当改变 D 可以改变输出电流输入电流 io 基波分量的分析（1-4）输入电流的幅值 INm=DIom 综上所述，可以得到：1、输入电压和输出电压为同频同相信号，但幅值不同。 （1-5）2、输入电流和输出电流为同频同相信号，但幅值不同。 3、输入端功率因数与输出端的功率因数相同。11si2o()ii()oN cNcDtt1sin()sin()mo omUitItZmoIsin()sin()NomomiItIt)Nt1sin,sin,NmomomNuUtuUtDU武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明说41.3 实际实现电路及工作原理理想条件中假设的主电路功率器件具有理想功能，实际上这种器件是不不存在的，因此必须根据电路的特点和器件的实际性能来组构电路。交流调压电路开关器件的基本性能必须是双向导电，图 1.3 是几种采用IGBT 双向开关构成的单相调压电路，其中 a)双器件型，即分别用两个可控器件T1A 和 T1B 来构成一个双向可控开关（加上二极管） ，起着理想开关 S1 的作用；同理用 T2A 和 T2B （D2A 和 D2B ）构成另一个双向可控开关代替理想开关 S2，图 b）是单器件型，即用可控器件数目少，电路成本会降低，但由于正反向电流流经同一个可控器件，故 Ts 和 Tp 只能用互补控制。图 1.3IGBT 双向开关构成的单相调压电路这种控制要求器件开关时间变化小，器件驱动信号准确以及附加相应的缓冲电路。在无缓冲电路的理想条件下， Ts 和 Tp 的开关时间必须保持始终一致，否则便会导致共态导通或共态关断，而这是不允许的，因为一旦产生共态导通，武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明说5电源沿 Ts 和 Tp 短路；相反，若出现共态关断，则负载电流会将瞬间切断，在感性负载下，器件将会因关断过电压被击穿。附加缓冲电路是一种有效的方法，由于采用单器件型电路，可以采用单极性缓冲电路。由图 c）可见若电路出现共态导通，电源沿两支缓流 LK 短路，若电路出现断态（设此前是 Ts 导通而 Tp 关断） ，由于关断缓冲电路的存在，原先流经器件 Ts 的电流，在 Ts 关断时将改向 Cs 流过，从而保证负载电流连续，避免由于共态关断所引起的关断电压。1.3.1 电阻性负载单相交流调压电路原理分析电路如图 1.4 所示：图 1.4 电阻性负载单相交流调压电路等效图用两只反并联的普通晶闸管或一只双向晶闸管与电阻负载 R 串联组成主电路。以反并联为例进行分析，正半周 时刻触发 V1 管，负半周 时刻触发 V2 管，输出电压波形为正负半周缺角相同的正弦波，如图 1.5 所示。负载上交流电压有效值 U 与控制角 的关系为(1-4)0=1( 2sin)2()=12sin2+电流有效值(1-5)=0电路功率因数(1-6)cos=0= 12sin2+电路的移相范围 。0武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明说6图 1.5 电阻性负载单相交流调压电路输出电压波形1.3.2 电感性负载单相交流调压电路原理分析电路如图 1.6 所示：图 1.5 电感性负载单相交流调压电路等效图输出电压波形如图 1.7 所示：U01 是 U0 的基波分量，i01 是 i0 的基波分量i01 与 u01 将产生 的滞后角。在过零点附近出现， i01 与 u01 不同相问题。图 1.7 电感性负载单相交流调压电路输出电压波形武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明说71.3.3 阻感性负载单相交流调压电路原理分析电路如图 1.8 所示：图 1.8 阻感性负载单相交流调压电路等效图当负载为电感线圈、交流电动机或变压器绕组时，这种负载称为电感性负载。工作情况与单相半波整流电路带电感性负载时相似。当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角 的大小，不但与控制角 有关。两只晶闸管门极的起始控制(tan1)点分别定在电源电压每个半周的起始点， 的最大范围 ，正负半周有入负半周，电路的电感储藏的能量释放完毕，电流到零，V1 管才关断。武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明说8在 t=0 时触发管子，t= 时管子关断，将 t=0 代入（1-5）可得（1-sin(+)=sin()tan10）当取不同的 时， 的关系可由数学推导得：=()当 时， ，其负载电路处在电流断续状态。当 时， ，电 = =流处在临界连续状态；当 时， 仍维持 ，电路已不起调压作用。阻感负载单相交流调压电路波形如图 1.9 所示：图 1.9 阻感负载单相交流调压电路波形阻感负载交流调压电路工作波形如图 1.10 所示：图 1.10 阻感负载交流调压电路工作波形2 基于 MATLAB 的晶闸管单相交流调压电路仿真2.1 晶闸管单相交流调压器电路的仿真模型武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明说9在 Matlab 上建立模型如图 2.1 所示：图 2-1 Simulink 设计系统仿真模型图2.2 参数设置设置交流电源的有效值为 100V、工作频率为 50HZ，参数设置对话框如图 2-2 所示。图 2-2 交流电源参数设置晶闸管的参数设置如图 2-3 所示：武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明说10图 2-3 晶闸管的参数设置交流电源的频率为 H=50HZ，调压周期为 T=0.02s，=100，在设置触发脉冲的触发角时，可以根据公式 来设置触发角。如设置 V1 的触发角=时，可求得 t=0.0025，则 V2 的触发时间 t=0.0125;设置 V1 的触发角4时，可求得 t=0.00333，则 V2 的触发时间 t=0.01333;设置 V1 的触发角=/3时，可求得 t=0.005，则 V2 的触发时间 t=0.015; 设置