电子电路仿真

1 电路设计的要求及目的

1.1 电路设计的要求

设计一个单相交流调压电路，要求触发角为45度.反电势负载E=40伏，输入交流U2=210伏。L足够大，C足够大

(1) 单相交流调压主电路设计，原理说明；

(2) 触发电路设计，每个开关器件触发次序与相位分析；

(3) 保护电路设计，过电流保护，过电压保护原理分析；

(4) 参数设定与计算

1.2 电路的设计目的

电力电子仿真虽然是一门方向课，做课程设计是为了让我们运用学过的电路原理的知识，独立进行查找资料，选择方案，设计电路，撰写报告，制作电路等，进一步加深对变流电路基本原理的理解，提高运用基本技能的能力，为今后的学习和工作打下良好的基础，同时也锻炼了自己的实践能力。通过设计报告更能熟悉MATLAB软件的使用，为以后运用打下基础。

2 电路设计方案选择

2.1 原理框图

2.2 电阻负载

通过资料查阅可知 实际案有两种：电阻性负载或阻感性负载。本次电路采用单相交流调压器带阻感负载时的电路图如图所示，在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管VT1，VT2相连。

图2-1 电阻负载单相交流调压电路

2.3 电流的计算与分析

当在ωt=α时刻开通晶闸管VT1，负载电流应满足如下微分方程式和初始条件：

解方程得：

式中，

；θ为晶闸管导通角。 利用边界条件：时，可求得：

以φ为参变量，利用上式可以把α和θ的关系用图的一簇曲线来表示，如图2所示。VT2导通时，上述关系完同，只是i0极性相反，相位差180°

图2-2 以α为参变量的θ和α关系曲线

负载电压有效值：

晶闸管电流有效值为：

负载电流有效值：

I的标么值为：

设晶闸管电流

VT

则可绘出

I和α的关系曲线，如图3所示

VTN

I和α的关系曲线

图2-3 单相交流调压电路φ为参变量时

VTN

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有效值I0及晶闸管电流有效值I T。

3 单相交流调压电路的设计

3.1 主电路的设计

所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软启动，也用于异步电动机调速。此外，在高电压小电流或低电压大电流之流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。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，因此下面就反电势电阻负载予以重点讨论。图3-1分别为反电势电阻负载单相交流调压电路图及其波形。图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。在交流电源U2的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的移相控制角进行控制就可以调节输出电压。

图3-1 输入输出电压及电流波形图

正、负半周α起始时刻（α=0），均为电压过零时刻。在ωt=α时，对VT

1施加触发脉冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在ωt=π时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。在ωt=π+α时，对VT2施加触发脉冲，当VT2正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在ωt=2π时，电源电压过零，VT2自然关断。

当电源电压反向过零时，由于反电动势负载阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角θ的大小，不但与控制角α有关，而且与负载阻抗角φ有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点。稳态时，正负半周的相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（电源电流）和负载电压的波形相似。

3.2 触发电路的设计

晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当正向电压、电流信号(触发信号)。门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。

1 直流信号：

在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通。这种触发方式在实际中应用极少。因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗；在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损坏。

2 交流信号：

在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压uc=ut时，晶闸管导通。ut是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变u。值，可改变触发延迟角α。这种触发形式也存在许多缺点，如：在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定，可通过交流电压u的值来调节，调节的变化范围较小(00≤α≤900)。

3脉冲信号：

在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。因此，触发信号多采用脉冲形式。

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。广义上讲，晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路，但这里专指脉冲的放大和输出环节。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。KC05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。