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 。