单相交流调压电路

东南大学
《电力电子技术基础》
实验报告
实验名称：单相交流调压电路
院（系）：自动化专业：自动化
姓名：学号：
实验室：实验时间：2016 年11月17日评定成绩：审阅教师：
目录
1实验目的 (3)
2单相交流调压电路 (3)
2.1交流调压 (3)
2.2工作过程 (3)
3 MATLAB仿真验证 (5)
3.1 同步脉冲触发器 (5)
3.2 单相交流调压电路 (7)
3.3 相关公式的验证 (11)
4 实验小结 (12)
1 实验目的
学习单相交流调压电路，加深对相关概念和参数的理解，掌握其工作原理以及在不同延迟角下的工作特性。

学习脉冲触发电路，并设计一个同步脉冲触发器。

利用MATLAB仿真验证相关公式的正确性。

2 单相交流调压电路
2.1 交流调压
交流调压是指交流电压幅值的变换（其频率不变）。

交流调压器通常是指接在交流电源与负载之间，用以实现调节负载电压有效值的电力电子装置，它们可以采用相位控制或通断控制。

2.2 工作过程
单相交流调压电路由两只反并联的晶闸管VT1和VT2组成，如图2.1所示。

由于晶闸管为单向开关元件，故用两只普通晶闸管分别作正负半周的开关，当一个晶闸管导通时，它的管压降成为另一个晶闸管的反压使之阻断，实现电网自由换流。

图2.1 单相交流调压电路
2.2.1带电阻负载时的工作情况
图2.2 电阻负载单相交流调压电路工作波形
图2.2中(a)是输入交流电压Ua 波形，(b)和(c)是电阻性负载下不同α的输出交流电压波形。

波形分析：
（1） 改变控制角α就可将电源电压“削去”0~α、π~π+α区间一块，从而在负载上得到
不同大小的交流电压。

（2） 输出电压不是正弦波，包含一些奇次谐波。

适用于对波形没有要求的场合，例如温
度和灯光的调节
2.2.2带电阻负载时的数量计算
负载电压有效值：
U R =√1π∫(√2U a sin ωt)2παdωt =U a √1−2α−sin 2α2π
=U a √sin 2α2π+π−απ
(U a 为输入交流电压有效值) 负载电流有效值：
I R =
U R R =U R R √1−2α−sin 2α2π=U R R √sin 2α2π+π−απ
输出有功功率：
P R =U R I R =U a 2R (1−2α−sin 2α2π)=U a 2R (sin 2α2π+π−απ
) 2.2.3输入功率因数PF 和控制角α的关系
（1） 输入功率因数为有功功率与视在功率之比 (a) (b)
(c)
视在功率：S=U a I R
输入功率因数:PF=U R I R
U a I R
=√1−2α−sin2α
2π
=√sin2α
2π
+π−α
π
（2）如图2.3所示，α越大，输出电压越低，输入功率因数也越低。

当α≠0时，无功功率一部分由基波电流相移产生，另一部分则由谐波电流产生。

图2.3 输入功率负载与控制角的关系
3 MATLAB仿真验证
3.1同步脉冲触发器
3.1.1 电路模型
图3.1 同步双脉冲触发器
输入1为延迟角α的给定值，输入2为同步电压U，输入3为控制端，输入0时，允许触发脉冲输出；另外输入K1为电源频率，输入Pwidth为脉冲宽度，在此设置分别为60HZ 和20°；输出1为间隔180°的双窄脉冲。

3.1.2 设计原理
在六脉冲触发器的基础上，将输入信号改为单相交流电压，分析设计要求可知，需要产生两个间隔为180°的双窄脉冲，即将输入信号反相后即可作为互差180°的同步信号。

模块MUX将两路信号合并为一个信号列，对于每一个信号，当其由负过零变正时，模块Hit Crossing 会产生一个正向脉冲，即电网电压的同步脉冲。

此脉冲一方面作用于积分器的同步输入端，产生积分同步信号，使其开始积分；另一方面，它将转化成布尔类型的量后作用于RS触发器的复位端R。

模块Relational Operator1将给定的触发角转变为积分值与模块Integrator输出相比较，来产生触发晶闸管的时刻。

当达到α角度时，模块Relational Operator1输出1，作用于Logical Operator2模块，产生一个上升沿，使积分器Integrator2开始积分，其输出信号与给定脉冲宽度相比较后，产生晶闸管的触发脉冲。

模块Logical Operator的输出经模块Memory送入RS触发器。

当其为高电平时，其Q 输出端为1，为下次脉冲做准备。

Memory的作用是为了防止当同步脉冲与触发脉冲同时到来时，将触发信号向后延迟极小一段时间，避开同步脉冲。

3.1.3工作波形分析
图3.2 双脉冲触发器波形
从图3.2可以看出，两个脉冲波形相位相差180度，可为单相交流调压电路两个反并联的晶闸管提供脉冲信号。

3.2单相交流调压电路
3.2.1 电路模型
图3.3 单相交流调压电路
3.2.2 工作波形
(1) α=0°时，U R波形
(a)α=0°时，U R波形
如图3.4(a)所示，脉冲1在交流电压负半周，脉冲2在交流电压正半周，故将脉冲1 接到图2.1中的VT2，而脉冲2接到VT1，实现自由换流。

(2) α=30°时，U R波形
(b)α=30°时，U R波形
(3) α=60°时，U R波形
(c)α=60°时，U R波形
(4) α=90°时，U R波形
(d)α=90°时，U R波形
(5) α=120°时，U R波形
(e)α=120°时，U R波形
(6) α=150°时，U R波形
(f)α=150°时，U R波形
图3.4 不同α角下负载电压波形3.2.3 分析总结
(1)仿真波形与理论波形一致；
(2)不同的α角会得到不同的输出波形。

3.3相关公式的验证
3.3.1电路模型
图3.5 单相交流调压电路相关公式验证
为验证负载电压、电流有效值计算公式，需要测量其有效值，在电路中加入RMS模块用来测量负载电压U R，负载电流I R有效值。

3.3.2测量数据
表1 负载电压有效值U R
表2 负载电流有效值I R
注：输入交流电压U a最大值为380，其有效值为268.7，负载电阻为2Ω。

分析：
测量值与理论值基本一致，误差在0.4%左右，可以验证负载电压U R，负载电流I R有效值的计算式正确。

4 实验小结
通过本次学习，我对单相交流调压电路有了较为全面且深入的了解，熟练掌握了它的工作原理，能够分析出在不同α角下波形的变化。

理解了脉冲触发器的原理，并在六脉冲触发器的基础上实现了双脉冲触发器的设计，通过仿真功能验证了电阻负载单相交流调压电路在不同α角下的工作特性，并对电阻负载下的相关公式进行了验证。