基于matlab的单相交流调压电路的设计与仿真设计

目录

前言 (2)

1.主电路设计 (4)

1.1.设计目的及任务 (4)

1.2.设计内容及要求 (4)

1.3.设计结果 (4)

1.4.设计原理 (4)

1.5.建模仿真 (8)

2开环仿真 (11)

2.1.电阻性负载仿真波形 (11)

2.1.1.波形分析 (12)

2.2.阻感性负载 (13)

2.2.1.波形分析 (13)

2.3.阻感性负载 (14)

2.3.1.波形分析 (14)

3.闭环控制的仿真 (14)

3.1闭环控制的实现步骤 (14)

3.2闭环控制下的仿真电路图 (15)

3.2.1输出波形 (15)

3.3谐波分析 (18)

4．设计体会 (20)

参考文献 (21)

摘要

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，交流调压电路可以带电阻性负载，也可以带电感性负载等。交流调压电路是采用相位控制方式的交流电力控制电路，通常是将两个晶闸管反并联后串联在每相交流电源与负载之间。在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，使之导通。与相控整流电路一样，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，可以方便的调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。其晶闸管可以利用电源自然换相，无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，系统响应速度较快，但它也存在深控时功率因数较低，易产生高次谐波等缺点。以对单相交流调压电路的MATLAB闭环控制的仿真为例，介绍了基于MATLAB 的Simulink仿真中建立仿真模型的方法，以及如何利用仿真模型进行实际调压电路波形分析。通过对比电路仿真结果和理论计算结果，二者完全吻合，论证

了MATLAB中的Simulink仿真工具可以很方便地创建和维护一个完整的模型，评估不同算法和结构并验证系统性能。

关键词：交流；调压；晶闸管；闭环控制；仿真

引言

MATLAB是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算工具，作为强大的科学计算平台，它几乎可以满足所有的计算要求。另外，MATLAB还针对许多专门的领域开发出了功能强大的模块集或工具箱，如：电力系统仿真工具箱(SimPowerSystems)等。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发出来的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的模型而不需要自己编写代码。当今社会的发展如此迅猛，高性能、低成本以及生产和更新换代周期短已经成为现代企业对产品设计的最基本要求，模型化、模块化以及动态仿真是产品设计者对设计工具的最基本要求，而MATLAB中的Simulink是其中可以完全满足此要求的几个工具软件之一。MATLAB提供的Simulink仿真

软件实际上提供了一个系统级的建模与动态仿真的图形用户环境，并且凭借MATLAB在科学计算上的强大功能，建立了从设计构思到最终要求的可视化桥梁，大大弥补了传统设计和开发工具的不足。Simulink是用模块组合的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型，特别对于复杂的非线性系统，效果更为明显。Simulink模型可以用来模拟线性或非线性、连续或离散或两者的混合系统。另外，Simulink还为用户提供一套图形动画的处理方法，使用户可以方便地观察到仿真的整个过程。它还能够用MATLAB自身语言或c、c++语言、FORTRAN语言，根据s函数的标准格式写成用户自己定义的功能模块，其扩充性非常强。其中电力系统仿真工具箱功能强大，工具箱内部的元件库提供了经常使用的各种电力元件数学模型，并且提供了可以自己编程的方式创建适合的元件模型。本文以单相交流调压电路的仿真为例，介绍如何使用电力系统仿真工具箱来进行建模和仿真。此例主要采用MATLAB6．5．1版本中的simPowersystems库中的元件与器件进行模型建立和连接，再对电路进行模拟仿真。

1．主电路的设计

1.1.设计目的及设计任务

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。

任务包括以下几点：

1、设计一个单相交流调压电路（移相控制或者斩波控制）负载上的电压

110V

（有效值），电流为4A。

2、完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择。

3、电路的仿真。

1.2.设计内容及要求

1、在MATLAB/SIMULINK环境下建立系统仿真模型，包含主电路、控制

电路，闭环控制。

2、通过计算设计主电路，如器件额定参数的选择。

3、谐波分析，分负载不同和相位不同等多种情况。

1.3.设计结果

1、系统仿真模型，得出正确的仿真结果，分析合理。

2、撰写设计报告。

1.4.工作原理

单相交流调压电路带组感性负载时的电路以及工作波形如上图所示。之所产生的滞后由于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。

（1）φα>情况

图（1）主电路图