電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)-基于matlab的單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)與仿真.doc

1目錄前言21.主電路設(shè)計(jì)31.1.設(shè)計(jì)內(nèi)容及技術(shù)要求31.2設(shè)計(jì)內(nèi)容31.3.工作原理31.4.建模仿真92.仿真112.1.電阻性負(fù)載仿真波形112.1.1.波形分析162.2.阻感性負(fù)載（H=0.01）162.2.1.波形分析202.3.阻感性負(fù)載（H=0.1）202.3.1.波形分析233.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)234.保護(hù)電路的設(shè)計(jì)254.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)254.2.晶閘管的過電流保護(hù)265設(shè)計(jì)體會(huì)27參考文獻(xiàn)282前言本次課程設(shè)計(jì)主要是研究單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)。由于交流調(diào)壓電路的工作情況與負(fù)載的性質(zhì)有很大的關(guān)系，交流調(diào)壓電路可以帶電阻性負(fù)載，也可以帶電感性負(fù)載，如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或其它電阻電感混合負(fù)載等。交流調(diào)壓電路是采用相位控制方式的交流電力控制電路，通常是將兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在每相交流電源與負(fù)載之間。在電源的每半個(gè)周期內(nèi)觸發(fā)一次晶閘管，使之導(dǎo)通。與相控整流電路一樣，通過控制晶閘管開通時(shí)所對(duì)應(yīng)的相位，可以方便的調(diào)節(jié)交流輸出電壓的有效值，從而達(dá)到交流調(diào)壓的目的。其晶閘管可以利用電源自然換相，無需強(qiáng)迫關(guān)掉電路，并可實(shí)現(xiàn)電壓的平滑調(diào)節(jié)，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，但它也存在深控時(shí)功率因數(shù)較低，易產(chǎn)生高次諧波等缺點(diǎn)。交流調(diào)壓電路主要應(yīng)用在電熱控制、交流電動(dòng)機(jī)速度控制、交流穩(wěn)壓器等場(chǎng)合，主要有燈光調(diào)節(jié)，溫度調(diào)節(jié)（如工頻加熱、感應(yīng)加熱、需控制的家用電器等），泵及風(fēng)機(jī)等異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)，交流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速，隨電機(jī)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)壓，變壓器初級(jí)調(diào)壓（在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，如采用晶閘管相孔整流電路，需要很多晶閘管串聯(lián)或并聯(lián)，若采用交流調(diào)壓電路在變壓器初級(jí)調(diào)壓。其電壓電流值都比較合理，在變壓器次級(jí)只要用二極管整流即可，從而達(dá)到減少體積、減低成本的目的）。與自耦變壓器調(diào)壓方法相比，交流調(diào)壓電路控制方便，調(diào)節(jié)速度快，裝置的重量輕、體積小，有色金屬消耗也少。31主電路的設(shè)計(jì)1.1.設(shè)計(jì)內(nèi)容及技術(shù)要求計(jì)算機(jī)仿真具有效率高，精度高，可靠性高和成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用與電力電子電路（或系統(tǒng)）的分析和設(shè)計(jì)中。計(jì)算機(jī)仿真不僅可以取代系統(tǒng)的許多繁瑣的人工分析，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高分析和設(shè)計(jì)能力，避免因?yàn)榻馕龇ㄔ诮铺幚碇袔淼妮^大誤差，還可以與實(shí)物試制和調(diào)試相互補(bǔ)充，最大限度降低設(shè)計(jì)成本，縮短系統(tǒng)研制周期?？梢哉f，電路的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)大大加速了電路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過程。通過本次仿真，學(xué)生可以初步認(rèn)識(shí)電力電子計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)勢(shì)，并掌握電力電子計(jì)算機(jī)仿真的基本方法。單相交流調(diào)壓電路的電路參數(shù)要求：電源電壓220V，工頻50Hz,阻感負(fù)載。R=10，電源側(cè)功率因數(shù)0.4-0.65可調(diào)。1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容制定設(shè)計(jì)方案主電路設(shè)計(jì)及主電路元件選擇驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算，器件選擇繪制電路原理圖總體電路原理圖及其說明1.3工作原理單相交流調(diào)壓電路帶組感性負(fù)載時(shí)的電路以及工作波形如上圖所示。之所產(chǎn)生的滯后由于阻感性負(fù)載時(shí)電流滯后電壓一定角度，再加上移相控制所產(chǎn)生的滯后，使得交流調(diào)壓電路在阻感性負(fù)載時(shí)的情況比較復(fù)雜，其輸出電壓，電流與觸發(fā)角，負(fù)載阻抗角都有關(guān)系。當(dāng)兩只反并聯(lián)的晶閘管中的任何一個(gè)導(dǎo)通后，其通態(tài)壓降就成為另一只的反向電壓，因此只有當(dāng)導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷以后，另一只晶閘管才有可能承受正向電壓被觸發(fā)導(dǎo)通。由于感性負(fù)載本身滯后于電壓一定角度，再加上相位控制產(chǎn)生的滯后，使得交流調(diào)壓電路在感性負(fù)載下大的工作情況更為復(fù)雜，其輸出電壓、電流波形與控制角、負(fù)載阻抗角都有關(guān)系。其中負(fù)載阻抗角)arctan(RwL,相當(dāng)于在電阻電感負(fù)載上加上純正弦交流電壓4時(shí)，其電流滯后于電壓的角度為。為了更好的分析單相交流調(diào)壓電路在感性負(fù)載下的工作情況，此處分,三種工況分別進(jìn)行討論。（1）情況圖1-3電路圖圖1-4工作波形圖（工況）上圖所示為單相反并聯(lián)交流調(diào)壓電路帶感性負(fù)載時(shí)的電路圖，以及在控制角觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)的輸出波形圖，同電阻負(fù)載一樣，在iu的正半周角時(shí)，iT觸發(fā)導(dǎo)通，5輸出電壓ou等于電源電壓，電流波形oi從0開始上升。由于是感性負(fù)載，電流oi滯后于電壓ou，當(dāng)電壓達(dá)到過零點(diǎn)時(shí)電流不為0，之后oi繼續(xù)下降，輸出電壓ou出現(xiàn)負(fù)值，直到電流下降到0時(shí)，1T自然關(guān)斷，輸出電壓等于0，正半周結(jié)束，期間電流oi從0開始上升到再次下降到0這段區(qū)間稱為導(dǎo)通角0。由后面的分析可知，在工況下，180因此在2T脈沖到來之前1T已關(guān)斷，正負(fù)電流不連續(xù)。在電源的負(fù)半周2T導(dǎo)通，工作原理與正半周相同，在oi斷續(xù)期間，晶閘管兩端電壓波形如圖1-4所示。為了分析負(fù)載電流oi的表達(dá)式及導(dǎo)通角與、之間的關(guān)系，假設(shè)電壓坐標(biāo)原點(diǎn)如圖所示，在t時(shí)刻晶閘管T1導(dǎo)通，負(fù)載電流i0應(yīng)滿足方程L0Riddtio=iu=iU2sint其初始條件為i0|t=0,解該方程，可以得出負(fù)載電流i0在t區(qū)間內(nèi)的表達(dá)式為i0=)sin()sin()(2tan/)(2tietLRU.當(dāng)t=時(shí)，i0=0，代入上式得，可求出與、之間的關(guān)系為sin（-）=sin（-）etan/利用上式，可以把與、之間的關(guān)系用下圖的一簇曲線來表示。圖1-5與、之間的關(guān)系曲線6圖中以為參變量，當(dāng)=00時(shí)代表電阻性負(fù)載，此時(shí)=180-；若為某一特定角度，則當(dāng)時(shí)，=180，當(dāng)時(shí)，隨著的增加而減小。上述電路在控制角為時(shí)，交流輸出電壓有效值UO、負(fù)載電流有效值Io、晶閘管電流有效值IT分別為Uo=Ui)22sin(2sinI0=2ImaxoIT*IT=2ImaxoIT*式中，Imaxo為當(dāng)=0時(shí)，負(fù)載電流的最大有效值，其值為Imaxo=22)(lRUiIT*為晶閘管有效值的標(biāo)玄值，其值為IT*=cos2)2cos(sin2由上式可以看出，IT*是及的函數(shù)下圖給出了以負(fù)載阻抗角為參變量時(shí)，晶閘管電流標(biāo)幺值與控制角的關(guān)系曲線。1-6晶閘管電流標(biāo)幺值與控制角的關(guān)系曲線7當(dāng)、已知時(shí)，可由該曲線查出晶閘管電流標(biāo)幺值，進(jìn)而求出負(fù)載電流有效值I0及晶閘管電流有效值IT。（2）=情況當(dāng)控制角=時(shí)，負(fù)載電流i0的表達(dá)式中的第二項(xiàng)為零，相當(dāng)于滯后電源電壓角的純正弦電流，此時(shí)導(dǎo)通角=1800，即當(dāng)正半周晶閘管T1關(guān)斷時(shí)，T2恰好觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載電流i0連續(xù)，該工況下兩個(gè)晶閘管相當(dāng)于兩個(gè)二極管，或輸入輸出直接相連，輸出電壓及電流連續(xù)，無調(diào)壓作用。圖1-7=情況下的輸出