基于matlab的单相交流调压电路的设计与仿真

目录
前言 (2)
1.主电路设计 (3)
1.1.设计内容及技术要求 (3)
1.2设计内容 (3)
1.3.工作原理 (3)
1.4.建模仿真 (9)
2.仿真 (11)
2.1.电阻性负载仿真波形 (11)
2.1.1.波形分析 (16)
2.2.阻感性负载（H=0.01） (16)
2.2.1.波形分析 (20)
2.3.阻感性负载（H=0.1） (20)
2.3.1.波形分析 (23)
3.触发电路的设计 (23)
4.保护电路的设计 (25)
4.1过电压的产生及过电压保护 (25)
4.2.晶闸管的过电流保护 (26)
5．设计体会 (27)
参考文献 (28)
前言
本次课程设计主要是研究单相交流调压电路的设计。

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.设计内容及技术要求
计算机仿真具有效率高，精度高，可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用与电力电子电路（或系统）的分析和设计中。

计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度降低设计成本，缩短系统研制周期。

可以说，电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和实验过程。

通过本次仿真，学生可以初步认识电力电子计算机仿真的优势，并掌握电力电子计算机仿真的基本方法。

单相交流调压电路的电路参数要求：
电源电压220V，工频50Hz,阻感负载。

R=10Ω，电源侧功率因数0.4-0.65可调。

1.2设计内容
⑴制定设计方案
⑵主电路设计及主电路元件选择
⑶驱动电路和保护电路设计及参数计算，器件选择
⑷绘制电路原理图
⑸总体电路原理图及其说明
1.3工作原理
单相交流调压电路带组感性负载时的电路以及工作波形如上图所示。

之所产生的滞后由于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。

（1）φα>情况
图1-3电路图
图1-4工作波形图（φα>工况）
上图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α角时，
i T 触发导通，
输出电压o u 等于电源电压，电流波形o i 从0开始上升。

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，之后o i 继续下降，输出电压o u 出现负值，直到电流下降到0时，1T 自然关断，输出电压等于0，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 脉冲到来之前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，晶闸管两端电压波形如图1-4所示。

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1-5θ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
πθααθ)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。

1-6 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。

（2）α=φ情况
当控制角α=φ时，负载电流i 0的表达式中的第二项为零，相当于滞后电源电压φ角的纯正弦电流，此时导通角θ=1800
，即当正半周晶闸管T 1关断时，T 2恰好触发导通，负载电流i 0连续，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，无调压作用。

图1-7α=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2T 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，0i 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1-8窄脉冲触发方式
1.4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
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）也就是触发角可设为0-0.01之间的任意数，他们之间
的对应关系如下
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,本次仿真中的负载为阻感性，其参数设置如下图所示
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，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：
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
R=10,触发角为0°
R=10,触发角为30°
R=10,触发角为90°
R=10,触发角为150°
2.1.1波形分析
以上各图分别为触发角α为0°,30°,45°,90°,120°，150°，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，第二个波形为负载电流的波形，第三个波形为负载电压的波形。

当负载为电阻性负载时，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，电流和电压出现断续。

当触发角为0°时，波形为完整的正弦波；当触发角为度时180°时，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（H=0.01）
将负载设为阻感性，电感值设为0.1H,改变触发角，观察仿真波形R=10,h=0.01,触发角为0°
R=10，h=0.01,触发角为30°
R=10,h=0.01,触发角为90°
R=10,h=0.01,触发角为150°
R=10,h=0.01,触发角为１８０°
2.2.1波形分析
以上各图分别为触发角α为0°,30°,45°,90°,120°，150°，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，第二个波形为负载电流的波形，第三个波形为负载电压的波形。

单相交流调压电路带组感性负载时，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。

由于电感的影响电流波形和电压波形不再保持一致，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。

由此可以看出电感是一种储能元件，其两端的电流不能突变但电压可以。

当触发角为0°时，波形为完整的正弦波；当触发角为度时180°时，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°。

2.3阻感性负载（H=0.1）R=10,和H=0.1,触发角为0°
R=10,和H=0.1,触发角为30°
R=10,H=0.1,触发角为90°
R=10,H=0.1,触发角为150°
2.3.1波形分析
以上各图分别为触发角α为0°,30°,45°,90°,120°，150°时所得的仿真波波形，，图中第一个波形为触发脉冲的波形，第二个波形为负载电流的波形，第三个波形为负载电压的波形。

单相交流调压电路带组感性负载时，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。

以上各图为电感值由０.０１Ｈ增大到０.１Ｈ其他参数不变时得到的波形，由上图可以看到一个很明显的特点，不论触发角为多大，负载两端的电压和电流都出现大幅度阻尼振荡，说明电感值越大其储存的电能就越多，震荡也越强烈，对晶闸管和电源危害也很大，在实际应用中应保证负载的电感值在一定范围内。

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：
图3-1 KC05引脚图
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～2 ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。

b．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：
4.保护电路的设计
在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。

4.1过电压的产生及过电压保护
电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内应过电压两类。

外应过包括：
1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。

2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：
1）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。

2）关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。

为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。

将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。

与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如下图所示。

RC阻容过电压保护电路图
4.2. 晶闸管的过电流保护
熔断器FU是最简单有效的且应用最普遍的过电流保护器件。

针对晶闸管热容量小、过电流能力差的特点，专门为保护大功率半导体变流元件而制造了快速熔断器，简称快熔。

其熔断时间小于20ms，能保证在晶闸管损坏之前快熔切断短路故障，达到保护晶闸管的目的。

目前常用的快熔有：小容量RLS(螺旋式)系列、大容量RTK（插入式）系列、RS0（汇流排式）系列、RS3系列、RSF系列等。

快熔断的选择
快熔的额定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的元件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流Ir(AV)来选择，一般应小于被保护晶闸管的额定有效值1.57 Ir(AV)。

即可按下式选择：
1.57 Ir(AV)≥IRN≥ITM (管子实际最大电流有效值)
通过上述公式我们选择熔断器为RS3-80，额定电压为250V,电流10A的快速熔
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
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[2].黄俊，半导体变流技术，第四版，机械工业出版社，2002
[3].张立，现代电力电子技术，第一版，机械工业出版社，1995
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