单相交流调压器仿真

单相交流调压器仿真

摘要：基于单相交流调压器的结构和工作原理,建立了一种基于Matlab的仿真模型,具有原理清晰,仿真时短,占用资源少的优点。

关键词：单相交流调压器、晶闸管、MATLAB、仿真

一．工作原理

1.交流调压电路

概念：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控

制来调节输出电压的有效值。

原理：

两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶

闸管的控制就可控制交流电力。

应用：交流调压电路（1）灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)；

（2）异步电动机软起动；

（3）异步电动机调速；

（4）供用电系统对无功功率的连续调节；

（5）在高压小电流或低压大电流直流电源中，

（6）用于调节变压器一次侧电压。

2.主要元件晶闸管介绍

⑴晶闸管的工作原理

晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。

静态特性：

①当AK之间加上反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；

②当AK之间加上正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；

③晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；

④要使晶闸管关断，只有使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。动态特性

晶闸管的开通和关断过程波形

①开通特性

延迟时间td：从门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%所需的时间；

上升时间tr：阳极电流从稳态值的10%上升到稳态值的90%所需的时间；开通时间tgt为以上两者之和：

tgt=td+ tr

普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5s，上升时间为0.5~3s。

②关断特性

通常采用外加反电压的方法将已导通的晶闸管关断。

突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值IRM后，再反方向快速衰减到接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。电流过零到反向电流接近于零所经历的时间称为反向阻

断恢复时间trr。由于载流子复合需要一定的时间，反向电流接近于零到晶闸管恢复正向电压阻断能力所需时间称为正向阻断恢复时间tgr。

关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr 。

⑵晶闸管的主要参数

①电压参数

1) 断态重复峰值电压UDRM：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

2) 反向重复峰值电压URRM：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

3) 额定电压UR：通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。

4）通态平均电压UT（AV）：指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴极间电压的平均值。

②电流参数

1) 通态平均电流 IT(AV)

在环境温度为+40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值。

使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。实际使用时应留一定的裕量，一般取IT(AV) =（1.5~2）IT/1.57。

2) 维持电流 IH

指使晶闸管维持导通所必需的最小电流；一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。

3) 擎住电流 IL

晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。

4) 浪涌电流ITSM

指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

③其它参数

1) 断态电压临界上升率du/dt：

指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。

2) 通态电流临界上升率di/dt：

指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在

门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。

3.阻感负载单相交流调压电路

阻感负载单相交流调压电路及其波形

当控制角为α时，Ug1 触发VT1导通，流过VT1管的电流2i 有两个分量，即强制分量B i 与自由分量s i ，

其强制分量为

式中

其自由分量为 （1）

式中 τ—自由分量衰减时间常数， 流过晶闸管的电流即负载电流为

()φαω-+=t Z U i sin 22B ()R L arctg L R Z ωφω=+=,22()()φωτφαφαtg t t e Z U e Z U i ----=-=sin 2sin 222S R

L =τ

当α > φ时，电压、电流波形如上图所示。随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感储藏的能量释放完毕，电流到零，VT1管才关断。

在ωt=0时触发管子，ωt= θ时管子关断，将ωt= θ代入式(1)可得

当取不同的φ角时， θ=f(α)的曲线如图所示，

(1) 当α >φ时

稳定分量iB 与自由分量is 如图3-2(b)所示，叠加后电流波形i2的导通角θ <180，正负半波电流断续， α愈大θ愈小，波形断续愈严重。

(2) 当α =φ时

电流自由分量is=0，i2=iB ；θ=180。正负半周电流处于临界连续状态，相当于晶闸管失去控制，负载上获得最大功率，此时电流波形滞后电压φ角。

(3) 当α <φ时

()()???

?????---+=+=-φωφαφαωtg t e t Z U i i i sin sin 22B S 2()()φ

θ

φαφαθtg e --=-+sin sin

如果触发脉冲为窄脉冲，则当Ug2出现时，VT1的电流还未到零， VT2管受反压不能触发导通；待VT1中电流变到零关断， VT2承受正压时，脉冲已消失， 无法导通。这样使负载只有正半波，电流出现很大的直流分量，电路不能正常工作。

带电感性负载时，晶闸管应当采用宽脉冲列，这样在α <φ时，虽然在刚开始触发晶闸管的几个周期内，两管的电流波形是不对称的，但当负载电流中的自由分量衰减后，负载电流即能得到完全对称连续的波形，电流滞后电源电压φ角，但实际是晶闸管是不可控的。所以晶闸管的移相范围 。

故不能用窄脉冲触发，否则当α <φ时会发生有一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量，α 的移相范围为φ ~ 180

二．仿真模型

采用晶闸管Thyristor 单相交流调压电路RL 阻抗负载的仿真模型如下图。

(1)交流主回路。

220V(50Hz)交流电源经反并联链接的晶闸管Thyristor 与Thyristor1像阻抗负载RL 供电，晶闸管既是双向开关又是移相控制电压的调节元件。阻抗负载R=1Ω、L=10mH 。电压测量Us 检测交流电源电压u~，电压测量Uo 检测输出电压U o,分流器A 检测为负载电流L i 。

παφ<≤

(2)仿真模型中模块的参数设置。

①连续重复模块Repeating Sequence。

“Time values”重复时间值，设置为[0 0.01]。

“Output values”输出值，设置为[-20 0]。

②求代数和模块Sum。

“Icon shape”图标形状，选择round。

“List of signs”信号极性列表，设置为++。

其他项目采用默认设置。

③带有滞环的继电特性模块Relay。

采用默认设置。

④常量输入模块Constant。

“Constant values”常量值，可设置为1~10的任意数，包括小数。

其他箱采用默认值。

(4)晶闸管移相控制电路。

①移相控制电路的思考。因为电路的阻抗负载，其负载电流滞后于电压。当控制角较小时，在一晶闸管电流尚未下降到0前，另一将闸管可能已被触发但未能导通，一旦负载电压为连续的正弦波，出现失控现象。为避免失控现象，当一晶闸管被触发导通时，使其触发脉冲维持到该半周结束，即触发脉冲后沿固定在?

180的宽脉冲触发方式。

②移相控制电路的构成。连续重复模块Repeating Sequence产生一个任意波形的周期信号，以上设置数据则为锯齿波发生器，器周期或频率的设置于工业交流电周期或频率相一致。

为了得到相角可移动的触发脉冲，与锯齿波发生器相配合设置了控制信号的常量偏移模块。特采用带有滞环的继电特性模块Relay来实现?

180的宽脉冲触发方式，以保证晶闸管的正常触发。

③采用示波器检测多个电量波形。

④采用有效值测量模块RMS与实时数值显示Display模块检测交流调压后的输出电压有效值。

（5）模型仿真及仿真结果。在【Simulation】下的【Configuration Parameters】即仿真参数设置里，仅设置仿真开始时间为0，停止时间设

置为0.04s采用ode23tb算法，其他参数采用系统默认设置。

u g、g u、o u、对模型仿真，其波形为上图，自上而下依次为电量u~、1

u g为锯齿L i。u~为交流电源电压U~220V（50Hz）的波形（分压器Us）；1

波发生器与控制信号的常量模块叠加后作为模块Relay的激励信号，它仍是一个根据常量大小可上下移动的锯齿波；g u为经模块Relay发出的晶闸管门极触发脉冲，根据模块Relay的饱和特性，输出一方波；

u为输出电压（分压器Uo发出），在负载电流未下降到0之前，晶闸管o

维持导通，忽略晶闸管压降，其阳极端（a）与阴极端（k）等电位，所以

u随交流电源电压u~的反向而反向，直到负载电流下降到0为止时o u=0；o

L i为负载电流（分流器A发出），因为负载的阻抗性质，其电流滞后与电压。

经有效值测量RMS与实时数值显示Display测出：采用ode23tb算法，当常量=1时，Uo=8.646V；当常量=6时，Uo=107.5V；当常量=10时，Uo=189.4V。

三、结论

从波形可以看出仿真结果与原理分析波形相同，说明模型所构建的系统，具有单相交流调压的作用，通过改变常量偏移模块的值，可以起到移相控制，改变控制角α，起到调压作用。

参考资料：电力电子技术的MATLAB实践/黄忠霖，黄京编著，国防工业出版社。

电力电子技术的MATLAB仿真/周渊深主编，中国电力出版社。

电力电子技术/王云亮主编，电子工业出版社。