三相交流调压电路的MATLAB仿真

目录一、电路的选定 (1)1.1单相交流调压 (1)1.2 三相交流调压的设计选择 (1)二、三相交流调压电路的原理与分析 (2)三、交流调压电路触发信号 (4)3.1单脉冲触发方式 (4)3.2宽脉冲触发方式 (5)四、主电路器件的选择 (7)五、仿真系统的建立 (9)5.1.Simulink建模方法 (9)5.2.Simulink建模的步骤 (9)5.3.主电路的建模和参数设置 (10)5.4.三相交流电源的建模和参数设置 (11)5.5.晶闸管三相交流调压器的建模 (11)5.6脉冲的设置 (12)5.7负载的设定 (13)六、仿真结果 (13)七、仿真结果分析 (15)结束语 (16)一、电路的选定1.1单相交流调压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。

下面是单相交流调压电路图1.1。

图1.1单相交流调压电路正、负半周α起始时刻（α=0），均为电压过零时刻。

在t ωα=时，对VT1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t ωπ=时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。

在t ωπα=+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2t ωπ=时，电源电压过零，VT2自然关断。

1.2 三相交流调压的设计选择根据单相交流调压电路的原理，可设计三相交流调压电路。

常用的三相交流调压线路有星型联结，支路控制三角形联结和中点控制三角形联结。

其中星型联结有分为三相三线和三相四线如图1.2，1.3。

三相四线时，相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120度工作，电流中有基波和奇次谐波。

组成三相电路后，基波和3的整数倍以外的谐波在三相之中流动，不流过中性线。

因此，中性线会有很大的3次谐波电流及其他3的整数倍次谐波电流，当控制角α=90°时，中性线电流甚至和各相电流的有效值接近。

因此，选用三相三线连接效果更好。

图1.2三相三线图1.3三相四线二、三相交流调压电路的原理与分析三相交流调压的电路有三相三线Y形连接、三相四线Y形连接、负载角型连接等形式，这其中性能最好、用得最多的三相三线Y形连接的调压电路（见下图）。

下面以图2.1电阻负载为例说明其工作原理。

图2.1 三相交流调压电路电路中由于没有中性线，若要构成电流，是电流流通，则至少要有两相导通，因此在中，至少要有一相正向晶闸管与另外一相的反向晶闸管同时导通。

要想保证电路能正常工作，能同时导通两个晶闸管，要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路；对于晶闸管的各触发信号来说，它们之间应严格的保持一定的相位关系，当然它们必须与自己相应的电源有着相同的相序，只有这样才能保证输出的是对称的三相电压。

对图2.1的调压电路，要求A、B、C三相电路中正向晶闸管T1、T3、T5的触发信号相位互差120°，反向晶闸管的触发信号相位也互差120°，而同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差180°，即各晶闸管触发脉冲的序列应按了T1、T2、T3、T4、T5、T6的次序，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60°。

如果把晶闸管换成二极管后可以看出，相电流和相电压同相位，且相电压过零时二极管开始导通，因此应将控制角α=0°的时刻选为电源相应波形起始点，以此点作为触发角α的基准点。

在三相三线电路中，是靠线电压来完成两相之间的导通的，而相电压落后线电压30°，因此触发角α的移相范围是0-150°。

在任意时刻，电路可以根据晶闸管导通状态分为三种情况：一种是三相中每一相都有一个处于导通状态，这时电源相电压与负载相电压相等；另一种是三相中只有两相导通，另一相不导通，这时导通相负载相电压是电源线电压的一半；第三种是三相晶闸管均不导通，这时负载电压为零。

根据任意时刻晶闸管导通的个数以及半个周波内电流是否连续，可将0-150°的移相范围分为如下三段：当0°≤α≤60°时，电路处在三相导通和两相导通情况的交替状态。

每个晶闸管导通角为180°-α。

但α=0时是一种特殊情况，一直是三个晶闸管导通。

三相导通时，每相电阻电压为相电压；两相导通时，导通相电阻电压为导通两相线电压的一半，不导通相电阻电压为零。

当60°≤α≤90°时，因为任一时刻都存在两相是导通的，所以导通相电阻电压为导通两相线电压的一半；同上一样，不导通相电阻电压为零。

每个晶闸管的导通角为120°。

当90°≤α≤150°时，电路处于两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管导通角为300°-2α，而且这个导通角被分割为不连续的两部分，在半周波内形成两个断续的波头。

两相导通时负载输出电压如前所述。

三相都不通时，则三相负载电压都为零当α>150°时，触发脉冲不起作用，晶闸管不导通。

从上面的分析我们可以看出：无论是负载电压还是电流波形，交流调压所输出的都不是正弦波，并且当α角增大时，负载电压相应会逐渐变小，负载电流则开始出现断续。

当带电感性负载时，交流调压输出的波形就不仅与α有关，也与负载的ψ有关，这时负载电流和负载电压也不再同相了，其移相角范围为ψ-150°。

三相三线交流调压电路的电流中含有很多谐波。

在进行傅里叶分析后可知，其中所含谐波的次数为6k±1（k=1,2,3，…），这和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波次数的完全相同，而且也是谐波的次数越低，其含量越大。

三相三线调压电路由于其三相对称的特性，并不含有3的整数次倍的谐波，它们不能流过三相三线电路。

在阻感负载的情况下，α=ψ时，负载电流会达到最大值并且为正弦波，同短接晶闸管的情况相同，一般来说，电感大时，谐波电流的含量要小一些。

三、交流调压电路触发信号晶闸管的触发信号有单脉冲、宽脉冲和双触冲三种。

三相三线Y型调压电路不能使用单脉冲触发，只能使用大于60°的宽脉冲或双窄脉冲。

下面分析一下：3.1单脉冲触发方式：0t0t U A/B/C U A U C-A相正半波A、C-单窄脉冲U CU A U A\C-t1t2U B图3.1三相交流调压电路的单（窄）脉冲触发示意图若是三相四线型调压电路，有N 线与负载电路中性点连接，这样每相就会同N 线相连形成回路，实质上电路相当于三个单相调压电路，但若去掉N 线，变成三相三线，，每相必须与另两相构成电流回路，才能保证电路继续工作。

此时，若A 相拥有正的电压而C 相则为负的电压，晶闸管VT1、VT2应该同时在触发信号的作用开通，形成由A →VT1→RL1→RL3→VT2→C 相的电流通路，单脉冲触发，是无法满足这个要求的，若使A 相正半波触发信号是在t1时刻给出，相对应C 相负半波触发信号在t2时刻给出。

UA 触发脉冲出现时，A 相与C 相同时处于电压极性为正的状态（C 相的电压幅度有时甚至高于A 相电压），二者不具备形成电流通路的条件，尽管晶闸管VT1得到触发信号，但由于不具备开通条件从而处于关断状态；VT2在t2时刻得到触发信号，此时C 相电压处于负半波期间时，但由于VT1的触发脉冲信号已经消失，VT1处于关断状态，VT2也不具备开通条件，说明单窄脉冲触发信号，对三相调压电路，是失效的。

因此对三相三线星形连接或角接负载电路来说，在工作时若想要形成负载电流回路，在每一时刻至少要有两相形成通路，因而必须有2只晶闸管是同时导通的（实际上存在3只晶闸管短时导通时候）。

而要达到上述要求，晶闸管的触发信号就需使用宽脉冲或双脉冲，它们之间应严格的保持一定的相位关系，必须与自己相应的电源有着相同的相序。

3.2宽脉冲触发方式：0t0tU A/B/C A相正半波A A宽脉冲U CU UA U Bt C-Ut1t2t3C-宽脉冲图3.2 三相交流调压电路的单（宽）脉冲触发示意图宽脉冲方式：如果在t1时刻，触发脉冲UA 出现，晶闸管ＶＴ１满足导通条件之一，由于UA 为宽脉冲，会一直维持至t2时刻UC-触发脉冲的出现以后，在UA 与UC-两个脉冲产生t2~t3时段内的重叠区，意味着主电路晶闸管VT1、VT2被同时触发开通，形成了A 相正半波期间流经负载电路RL1的电流通路。

当负载为电阻性时，要求UA （UC-）的脉冲宽度须大于60°而小于120°，而当负载为阻感性时，因晶闸管在电压过零后，有延时关断过程，需要触发脉冲的宽度为大于60而小于120，即脉冲出现时刻足以维持到所对应相半波期间触发脉冲的出现，以保障最低有对应相两只晶闸管的同时开通，以形成负载电流通路。

不过由于宽脉冲直流分量大，容易造成晶闸管的栅阴结发热和驱动电路功耗过大、使脉冲变压器直流磁化，因而实际使用时往往对宽脉冲进行高频调制处理后，变为高频开关波形，再作为触发脉冲送出。

而双脉冲触发方式，是应用最普遍的一种方式。

不过由于双脉冲触发方式比宽脉冲触发方式复杂的多，本次设计又是仿真设计，无需实际器件，故而选择宽脉冲的触发方式。

四、主电路器件的选择三相交流调压器的主电路中所用到得器件主要有220V 三相交流电源，6个反并联的晶闸管，还有三个电阻负载。

其中6个反并联的晶闸管可用三个双相晶闸管代替，也可以用一个串联谐振代替2个反并联的晶闸管。

晶闸管的选择：1 选择正反向电压可控硅在门极无信号，控制电流Ig 为0时，在阳(A)一一阴(K)极之间加正向电压，(J2)处于反向偏置，所以，器件呈高阻抗状态，称为正向阻断状态，若AK U 增大而达到一定值BO U ，可控硅由阻断突然转为导通，这个BO U 值称为正向转折电压，这种导通是非正常导通，会减短器件的寿命。

所以必须选择足够正向重复阻断峰值电压DRM U 。

在阳一一阴极之间加上反向电压时，器件的第一和第三PN 结(J1和J3)处于反向偏置，呈阻断状态。

当加大反向电压达到一定值RB U 时可控硅的反向从阻断突然转变为导通状态，此时是反向击穿，器件会被损坏。

而且BO U 和RB U 值随电压的重复施加而变小。

在感性负载的情况下，如磁选设备的整流装置。

在关断的时候会产生很高的电压，如果电路上未有良好的吸收回路，此电压将会损坏可控硅器件。

因此，器件也必须有足够的反向重复峰值电压RRM U 。

可控硅在变流器(如电机车)中工作时，必须能够以电源频率重复地经受一定的过电压而不影响其工作，所以正反向峰值电压参数DRM U 、RRM U 应保证在正常使用电压峰值的2-3倍以上，考虑到一些可能会出现的浪涌电压因素，在选择代用参数的时候,只能向高一档的参数选取。