电力电子装置及系统课程设计

1、武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明说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

2、，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、。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。1.2.2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当G=1时，S1 合上，S2断开，当G=0时，S1 断开，S2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 式中，上标0代表开关闭合；1则为断开，则uo

3、=GuNmsint，G为电路的开关转移函数，定义为： 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。 （1-1）含有直流分量，频率为c的基波以及高次谐波。1.2.4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 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

4、，但幅值不同。 3、输入端功率因数与输出端的功率因数相同。1.3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

5、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，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

6、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 U0=12Usint2dt=U12sin2+- (1-4)电流有效值 I=U0R (1-5)电路功率因数 cos=PS=U0IUI=12sin2+- (1-6)电路的移相范

7、围0。 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 Ø 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1.3.3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

8、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tan-1LR有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点，的最大范围<，正负半周有相同的角。当控制角为时，Ug1触发V1导通，这时流过V1管的电流i0有两个分量，既稳定分量iB与自由分量iS，经过相关计算，可以求出：稳定分量 iB=2U2Zsint+- （1-7）式中 Z=R2+(L)2, =tan-1LR自由分量 iS=-2UZsin-e-t=-2UZsin-e-ttan （1-8）式中， =LR为自由分量衰减时间常数。流过晶闸管的电流，既负载电流为 i0=

9、iB+ iS=-2UZsint+-sin-e-ttan （1-9）当>时，电压、电流波形如图1-2（b）所示。随着电源电流下降过零进入负半周，电路的电感储藏的能量释放完毕，电流到零，V1管才关断。在t=0时触发管子，t=时管子关断，将t=0代入（1-5）可得 sint+-=sin-e-ttan （1-10）当取不同的时，=f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1.1

10、0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：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=t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

11、V1的触发角=/3时，可求得t=0.00333，则V2的触发时间t=0.01333;设置V1的触发角时，可求得t=0.005，则V2的触发时间t=0.015; 设置V1的触发角时，可求得t=0.66，则V2的触发时间t=0.0166。设置触发脉冲的高度为12，宽度为0.002s。当负载是电阻性负载时，当触发角触发信号参数设置如图2-4所示。其中电阻为1。当负载是阻感性负载时，取阻抗角=4时，则串入回路的电感为0.01/3.14。在对话框Inductance中输入电感值即可对话框如图2-5所示。图2-4脉冲发生器的参数设置图2-5 负载的参数设置图2.3晶闸管单相交流调压器电路的仿真结果及分析2

12、.3.1电阻性负载的仿真按图2-2、图2-3、图2-4设置好电源、晶闸管、触发脉冲的参数，设置负载为R=1，然后运行，进行仿真，得到的工作波形如图2-6所示。图2-6 电阻性负载上的电流电压及触发脉冲的波形在电源u的正半周内，晶闸管V1承受正向电压，当t时，触发V1使其导通，则负载上得到缺角的正弦半波电压， 当电源电压过零时，V1管电流下降为零而关断。在电源电压u的负半周，V2晶闸管承受正向电压，当t时，触发V2使其导通，则负载上又得到缺角的正弦负半波电压。持续这样的控制， 在负载电阻上便得到每半波缺角的正弦电压。改变角的大小， 便改变了输出电压有效值的大小。设, 则负载电压的有效值为 ： 2

13、-1负载电流的有效值为 ： 2-2 从表达式可以看出，随着角的增大，Uo逐渐减小; 当时，Uo0。因此，单相交流调压器对于电阻性负载， 其电压的输出调节范围为0U， 控制角的移相范围为0。2.3.2阻感性负载的仿真当时，取=/3，=/4时，设置t1=0.00333333, t2=0.01333333,电阻R=1,电感L=0.01/，然后进行仿真，得到的波形如图2-7所示：图2-7时阻感性负载上的电流电压及触发脉冲的波形当时，取=/4，=/4时，设置t1=0.0025, t2=0.0125,电阻R=1,电感L=0.01/，然后进行仿真，得到的波形如图2-8所示： 图2-8当阻感性负载的阻抗角=/

14、4时负载电压电流波形图当时，取=/4，=/3时，设置t1=0.0025, t2=0.0125,电阻R=1,电感L=0.01732/，触发脉冲的脉宽为10和脉宽为0.03然后分别进行仿真，得到的波形如图2-9和图2-10所示：图2-9脉冲宽度为交流调压周期的0.1倍的波形图2-10脉冲宽度为交流调压周期的0.0003倍的波形 当时，导通角180°, 正负半波电流断续。越大，越小，波形断续愈严重。 当时，可以计算出每个晶闸管的导通角180°。此时，每个晶闸管轮流导通180°，相当于两个晶闸管轮流被短接， 负载电流处于连续状态，输出完整的正弦波。当时， 电源接通后，在电

15、源的正半周，如果先触发V1，导通角180°。 如果采用窄脉冲触发，当V1的电流下降为零而关断时，V2的门极脉冲已经消失，V2无法导通。到了下一周期，V1又被触发导通重复上一周期的工作， 结果形成单向半波整流现象，回路中出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。根据波形分析，当并采用宽脉冲触发时，负载电压、 电流总是完整的正弦波， 改变控制角，负载电压、电流的有效值不变，即电路失去交流调压作用。在感性负载时，要实现交流调压的目的，则最小控制角（负载的功率因素角）， 所以的移相范围为180°。3 心得体会这次电子装置及系统课程设计历时一个星期，在整整一个星期的日子里，可以

16、说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。具体的收获有以下几点： 学习是没有止境的。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在计算设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。多和同学讨论。我们在做课程设计的工程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，讨论不仅是一些思想的问题，他还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些。多改变自己设计的方法。在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。这次课程设计终于顺