单相交流调压电路仿真研究课程设计

1.主电路设计
1.1.设计内容及初始条件：
输入为单相交流电源，有效值220V ，要求完成的主要任务:
（1）掌握单相交流调压电路的原理；
（2）设计出系统结构图，并采用Matlab 7.0／Simulink 对单相交流调压电路进行仿真；
（3）采用Protues 设计出单相交流调压主电路及采用KJ004控制电路
1.2.总体电路设计方案
本系统主要设计思想是：采用两个晶闸管反向并联加负载为主电路，外加触发电路；触发电路控制晶闸管的导通，从而控制输出。

其系统框图如下所示：
图1-1 系统原理方框图
1.3.工作原理
1.3.1.主电路工作情况
单相交流调压电路带阻感性负载时的电路以及工作波形如下图1-2、1-3、1-4、1-5所示。

产生的滞后是因为阻感性负载时电流滞后电压一定角度，再加上移相控制所产生的滞后，使得交流调压电路在阻感性负载时的情况比较复杂，其输出电压，电流与触发角α，负载阻抗角φ都有关系。

当两只反并联的晶闸管中的任何一个导通后，其通态压降就成为另一只的反向电压，因此只有当导通的晶闸管关断以后，另一只晶闸管才有可能承受正向电压被触发导通。

由于感性负载本身滞后于电压一定角度，再加上相位控制产生的滞后，使得交流调压电路在感性负载下大的工作情况更为复杂，其输出电压、电流波形与控制角
α、负载阻抗角φ都有关系。

其中负载阻抗角)arctan(R wL =ϕ,相当于在电阻电感负载上加
上纯正弦交流电压时，其电流滞后于电压的角度为φ。

为了更好的分析单相交流调压电路在感性负载下的工作情况，此处分φαφαφα<=>,,三种工况分别进行讨论。

图1-2电路图
（1）φα>情况
上图1-2所示为单相反并联交流调压电路带感性负载时的电路图，以及在控制角触发导通时的输出波形图，同电阻负载一样，在i u 的正半周时，在αω=t 时触发Vt1,Vt1导通，输出电压o u =i u ，电流o i 从0开始上升。

当电压到达过零点时，由于是感性负载，电流o i 滞后于电压o u ，当电压达到过零点时电流不为0电流不为零，之后o i 继续下降，Vt1仍然导通，输出电压出现负值。

直到电流下降到零时，Vt1自然关断，输出电压为零。

正半周结束，期间电流o i 从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角0θ。

由后面的分析可知，在φα>工况下， 180<φ因此在2T 脉冲来之前1T 已关断，正负电流不连续。

在电源的负半周2T 导通，工作原理与正半周相同，在o i 断续期间，晶闸管两端电压波如下图：
α>情况下的波形)
图 1-3 (φ
α=φ情况
（2）
α=φ时，当正半周Vt1关断时，Vt2恰好触发导通，在一个周期内两只晶闸管当控制角
轮流导通180°。

此时负载电流i。

临界连续，负载电流是一个滞后电源电压φ角的正弦电流。

该工况下两个晶闸管相当于两个二极管，或输入输出直接相连，输出电压及电流连续，相当于晶闸管失去控制，无调压作用。

图1-4α=φ情况下的输出波形
(3) φα<情况
在φα<工况下，阻抗角φ相对较大，相当于负载的电感作用较强，使得负载电流严重滞后于电压，晶闸管的导通时间较长，此时式仍然适用，由于φα<，公式右端小于0，只
有当 180)(>-+φαθ时左端才能小于0，因此 180>θ，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸
管，在α=wt 时刻1T 被触发导通，由于其导通角大于180 ，在负半周)(πα+=wt 时刻为2
T 发出出发脉冲时，1T 还未关断，2T 因受反压不能导通,1T 继续导通直到在)(πα+=wt 时刻因1T 电流过零关断时，2T 的窄脉冲2G u 已撤除，2T 仍然不能导通，直到下一周期1T 再次被触发导通。

这样就形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情况，这一现象称为“半相半波整流现象”负载电流i 。

始终为单一方向，在电路中产生较大的直流分量；因此为了避免这种情况发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。

图 1-5 φα<下窄脉冲触发方式时输出波形
1.4.负载电流分析
为了分析负载电流o i 的表达式及导通角θ与α、φ之间的关系，假设电压坐标原点如图所示，在αω=t 时刻晶闸管T 1导通，负载电流i 0应满足方程：
L 0Ri d d t
io +=i u =i U 2sin t ω 其初始条件为： i 0|αω=t =0,
解该方程，可以得出负载电流i 0在α≤t ω≤θα+区间内的表达式为：
i 0=])sin()[sin()(2tan /)(2φαωφαφωω-----+t i
e t L R U .
当t ω=θα+时，i 0=0，代入上式得，可求出θ与α、φ之间的关系为：
sin （θα+-φ）=sin （α-φ）e φθtan /-
利用上式，可以把θ与α、φ之间的关系用下图的一簇曲线来表示。

图 1-7θ与α、φ之间的关系曲线
图中以φ为参变量，当φ=00时代表电阻性负载，此时θ=180 -α；若φ为某一特定角度，则当α≤θ时，θ=180 ，当α>φ时，θ随着α的增加而减小。

上述电路在控制角为α时，交流输出电压有效值U O 、负载电流有效值I o 、晶闸管电流有效值I T 分别为：
U o =U i π
θααθ)22sin(2sin +-+
I 0=2I m ax o I T *
I T =2 I m ax o I T *
式中，I m ax o 为当α=0时，负载电流的最大有效值，其值为：
I m ax o =22)(l R U i
ω+
I T *
为晶闸管有效值的标玄值，其值为：
I T *
=φπθφαθπθcos 2)2cos(sin 2++- 由上式可以看出，I T *
是α及φ的函数下图给出了以负载阻抗角φ为参变量时，晶闸管电流标幺值与控制角α的关系曲线。

1-8 晶闸管电流标幺值与控制角α的关系曲线
当α、φ已知时，可由该曲线查出晶闸管电流标幺值，进而求出负载电流有效值I 0及晶闸管电流有效值I T 。

1.5.单相交流调压主电路及触发电路（总电路）图如下:
图1-9 Protues IsIs下画的单相交流调压主电路及触发电路图
1.6.仿真参数设置
1．建立一个仿真模型的新文件。

在 MATLAB 的菜单栏上新建一个Model文件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和Simulink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1-10所示
图1-10 仿真模型图 注：上图是截图，示波器所测波形从上至下依次是脉冲1、脉冲2、晶闸管电流、晶闸管电压、负载电流、负载电压波形。

4.参数设置
⑴ 触发脉冲参数设置如下图所示:
其中将周期（period ）设置为0.02
触发脉冲宽度（pulse width ）设置为5
相位滞后（phase delay ）脉冲一触发角可设为A=0-0.01之间的任意数，脉冲二的触发角为B=A+0.01，他们之间的对应关系如下：
触发角α
相位滞后 换算公式 0
0 相位滞后=(触发角/180)×0.01 30
0.0017 60
0.0033 90
0.005 120
0.0067 150
0.0083 180
0.01
⑵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,电阻设置为200Ω。

如果主电路改接电阻电感负载，R 可以再100~200Ω范围内调节，取R=100，确定阻抗角a 为30 °，
由公式)arctan(R
wL =ϕ计算可得L=0.184H 。

⑶电源参数设置
电源电压设为220V ，频率设为50Hz,相位角设为0，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1-11所示：
图1-11
2.仿真
参数设置好后，点击（Start Simulink）开始仿真，为便于比较，先将负载设为电阻性负载，改变触发角，观察波形变化，不同触发角时的波形如下
2.1电阻性负载仿真波形
图 2-1 R=200,触发角为0°
图2-2 R=200,触发角为60°
图2-3 R=200,触发角为120°图2-4 R=200,触发角为180°
2.1.1波形分析
以上各图分别为电阻性负载触发角A为0°,60°, 120°，180°时所得的仿真波波形，，图中第一个波形为触发脉冲的波形，第二个为晶闸管两端电压的波形，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。

此时负载为电阻性负载时，阻抗角为零，当α=φ=0时，负载电流时连续的，当触发α>0时，电流不连续。

说明α=φ触发角为零时即
为电流连续的临界条件。

负载电压和负载电流波形一致，随着触发角的增大，波形的占空比减小，当触发角为度时180°时，负载电压.电流波形为一条直线，由此可以说明单相交流调压电路带电阻性负载时的触发角α的取值范围为0°-180°。

2.2阻感性负载
（1）将负载设为阻感性，电阻取100Ω,电感值设为0.184H,阻抗角为30°改变触发角，观察仿真波形。

用脉冲宽度为10的宽脉冲触发。

图2-5 R=100欧姆,L=0.184H,触发角为0°
图2-6 R=100Ω，L=0.184H,触发角为30°图2-7 R=100Ω,L=0.184H,触发角为150°
（2）负载依然是阻感性，电阻取100Ω，电感取0.551H，此时阻抗角为60°，改变触发角，观察仿真波形，用脉冲宽度为1的窄脉冲触发。

图 2-8 R=100Ω，L=0.551H，触发角为0°
图 2-9 R=100Ω，L=0.551H，触发角为60°
图2-10 R=100Ω，L=0.551H，触发角为120°
2.2.1波形分析
以上（1）中阻抗角为30°，图为触发角α为0°,30°,150°时所得的仿真波波形，（2）中阻抗角为60°，图为触发角α为0°，60°，120°所得的仿真波形。

第一个波形为触发脉冲的波形，第二个晶闸管两端电压的波形，第三个波形为负载电流的波形，第四个波形α=φ时电流是连续的，α>φ时电流都不连续，在α<φ的时候，如果为负载电压的波形。

触发脉冲为宽脉冲（如1中），则电流是连续的，如果触发脉冲为窄脉冲，则电流不连续。

α=φ是电流连续的条件，并且在宽脉冲的触发的时候α<φ也可以得到连续的电由此说明
流，其他情况下的电流都是不连续的。

随着触发角的增大，负载两端电流和电压波形的占空比逐渐减小。

电流和电压有效值减小，由于电感的影响电流波形滞后于电压波形，这是因为电感的储能作用。

当触发脉冲到来时，正向晶闸管导通，电压发生跳变，由于电感的作用，电流只能从零开始变化，同时电感开始储能。

当电源电压变为负时正向晶闸管并不能关断，直到电感中的储能释放完，这就是负载两端电压和电流波形不一致的原因。

并且可以知道触发角的取值为0-180°。

获得整个移相范围。

R7和C2形成微分电路改变R7和C2的值可获得不同的脉宽输出。

其封装形式如图3-2。

图3-1 触发电路原理图
图3-2 KJ004引脚图。