基于matlab的單相交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)

1、目錄前 言21.主電路設(shè)計(jì) 4 1.1.設(shè)計(jì)目的與任務(wù)4 1.2.設(shè)計(jì)容與要求4 1.3.設(shè)計(jì)結(jié)果4 1.4.設(shè)計(jì)原理4 1.5.建模仿真82開環(huán)仿真11 2.1.電阻性負(fù)載仿真波形11 2.1.1.波形分析12 2.2.阻感性負(fù)載13 2.2.1.波形分析13 2.3.阻感性負(fù)載 14 2.3.1.波形分析143. 閉環(huán)控制的仿真14 3.1閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)步驟14 3.2閉環(huán)控制下的仿真電路圖15 3.2.1輸出波形15 3.3諧波分析 184設(shè)計(jì)體會(huì) 20參考文獻(xiàn)21摘要本次課程設(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

2、性負(fù)載，也可以帶電感性負(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)周期觸發(fā)一次晶閘管，使之導(dǎo)通。與相控整流電路一樣，通過(guò)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(wú)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)。以對(duì)單相交流調(diào)壓電路的MATLAB閉環(huán)控制的仿真為例，介紹了基于MATLAB的Simulink仿真中建立仿真模型的方法，以與如何利用仿真模型進(jìn)行實(shí)際調(diào)壓電路波形分析

3、。通過(guò)對(duì)比電路仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果，二者完全吻合 ， 論證了MATLAB中的Simulink仿真工具可以很方便地創(chuàng)建和維護(hù)一個(gè)完整的模型，評(píng)估不同算法和結(jié)構(gòu)并驗(yàn)證系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞：交流；調(diào)壓；晶閘管；閉環(huán)控制；仿真引言MATLAB是集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算與圖形處理等強(qiáng)大功能于一體的科學(xué)計(jì)算工具，作為強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算平臺(tái)，它幾乎可以滿足所有的計(jì)算要求。另外，MATLAB還針對(duì)許多專門的領(lǐng)域開發(fā)出了功能強(qiáng)大的模塊集或工具箱，如：電力系統(tǒng)仿真工具箱(SimPowerSystems)等。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)出來(lái)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的模型而不需要自己編寫代碼。當(dāng)

4、今社會(huì)的發(fā)展如此迅猛，高性能、低成本以與生產(chǎn)和更新?lián)Q代周期短已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最基本要求，模型化、模塊化以與動(dòng)態(tài)仿真是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)工具的最基本要求，而MATLAB中的Simulink是其中可以完全滿足此要求的幾個(gè)工具軟件之一。MATLAB提供的Simulink仿真軟件實(shí)際上提供了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的建模與動(dòng)態(tài)仿真的圖形用戶環(huán)境，并且憑借MATLAB在科學(xué)計(jì)算上的強(qiáng)大功能，建立了從設(shè)計(jì)構(gòu)思到最終要求的可視化橋梁，大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)工具的不足。Simulink是用模塊組合的方法來(lái)使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，特別對(duì)于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，效果更為明顯。Simulink模型

5、可以用來(lái)模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或兩者的混合系統(tǒng)。另外，Simulink還為用戶提供一套圖形動(dòng)畫的處理方法，使用戶可以方便地觀察到仿真的整個(gè)過(guò)程。它還能夠用MATLAB自身語(yǔ)言或c、c+語(yǔ)言、FORTRAN語(yǔ)言，根據(jù)s函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)格式寫成用戶自己定義的功能模塊，其擴(kuò)充性非常強(qiáng)。其中電力系統(tǒng)仿真工具箱功能強(qiáng)大，工具箱部的元件庫(kù)提供了經(jīng)常使用的各種電力元件數(shù)學(xué)模型，并且提供了可以自己編程的方式創(chuàng)建適合的元件模型。本文以單相交流調(diào)壓電路的仿真為例，介紹如何使用電力系統(tǒng)仿真工具箱來(lái)進(jìn)行建模和仿真。此例主要采用MATLAB651版本中的simPowersystems庫(kù)中的元件與器件進(jìn)行模型建立和連接，

6、再對(duì)電路進(jìn)行模擬仿真。1主電路的設(shè)計(jì)1.1.設(shè)計(jì)目的與設(shè)計(jì)任務(wù) 課程設(shè)計(jì)是為了讓我們運(yùn)用學(xué)過(guò)的電路原理的知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行查找資料、選擇方案、設(shè)計(jì)電路、撰寫報(bào)告、制作電路等，進(jìn)一步加深對(duì)變流電路基本原理的理解，提高運(yùn)用基本技能的能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也鍛煉了自己的實(shí)踐能力。 任務(wù)包括以下幾點(diǎn)：1、設(shè)計(jì)一個(gè)單相交流調(diào)壓電路（移相控制或者斬波控制）負(fù)載上的電壓110V （有效值），電流為4A。 2、 完成主電路的原理分析，各主要元器件的選擇。3、 電路的仿真。1.2.設(shè)計(jì)容與要求 1、在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下建立系統(tǒng)仿真模型，包含主電路、控制電路，閉環(huán)控制。 2、通

7、過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)主電路，如器件額定參數(shù)的選擇。 3、諧波分析，分負(fù)載不同和相位不同等多種情況。1.3.設(shè)計(jì)結(jié)果 1、 系統(tǒng)仿真模型，得出正確的仿真結(jié)果，分析合理。 2、 撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。1.4.工作原理 單相交流調(diào)壓電路帶組感性負(fù)載時(shí)的電路以與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

8、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,相當(dāng)于在電阻電感負(fù)載上加上純正弦交流電壓時(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）主電路圖圖（2）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，以與在控制角觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)的輸出波形圖，同電阻負(fù)載一樣，在的正半周角時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通，輸出電壓等于電源電壓，電流波形從0開始上升。由于是感性負(fù)載，電流滯后于電壓，當(dāng)電壓達(dá)到過(guò)零點(diǎn)時(shí)電流不為0，之

9、后繼續(xù)下降，輸出電壓出現(xiàn)負(fù)值，直到電流下降到0時(shí)，自然關(guān)斷，輸出電壓等于0，正半周結(jié)束，期間電流從0開始上升到再次下降到0這段區(qū)間稱為導(dǎo)通角。由后面的分析可知，在工況下，因此在脈沖到來(lái)之前已關(guān)斷，正負(fù)電流不連續(xù)。在電源的負(fù)半周導(dǎo)通，工作原理與正半周一樣，在斷續(xù)期間，晶閘管兩端電壓波形。為了分析負(fù)載電流的表達(dá)式與導(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，在時(shí)刻晶閘管T導(dǎo)通，負(fù)載電流i應(yīng)滿足方程 L=sin （11） 其初始條件為 i|=0 （12）解該方程，可以得出負(fù)載電流i在區(qū)間的表達(dá)式為 i=. （13）當(dāng)=時(shí)，i=0，代入上式得，可求出與、之間的關(guān)系為sin（-）=sin（-）e（1

10、4）利用上式，可以把與、之間的關(guān)系用下圖的一簇曲線來(lái)表示。圖（3）與、之間的關(guān)系曲線圖中以為參變量，當(dāng)=0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U、負(fù)載電流有效值I、晶閘管電流有效值I分別為U=U（15）I=2I（16） I= I（17）式中，I為當(dāng)=0時(shí)，負(fù)載電流的最大有效值，其值為I=（18）為晶閘管有效值的標(biāo)玄值，其值為=（19）由上式可以看出，是與的函數(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。圖（4）晶閘管電流標(biāo)幺值與控制角的關(guān)系曲線當(dāng)、已知

11、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I與晶閘管電流有效值I。（2）=情況當(dāng)控制角=時(shí)，負(fù)載電流i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=180，即當(dāng)正半周晶閘管T關(guān)斷時(shí)，T恰好觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載電流i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，輸出電壓與電流連續(xù)，無(wú)調(diào)壓作用。(3) 情況在工況下，阻抗角相對(duì)較大，相當(dāng)于負(fù)載的電感作用較強(qiáng)，使得負(fù)載電流嚴(yán)重滯后于電壓，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)式仍然適用，由于，公式右端小于0，只有當(dāng)時(shí)左端才能小于0，因此，如圖所示，如果用窄脈沖觸發(fā)晶閘管，在時(shí)刻被觸發(fā)導(dǎo)通，由于其導(dǎo)通角大于180，

12、在負(fù)半周時(shí)刻為發(fā)出出發(fā)脈沖時(shí)，還未關(guān)斷，因受反壓不能導(dǎo)通,繼續(xù)導(dǎo)通直到在時(shí)刻因電流過(guò)零關(guān)斷時(shí)，的窄脈沖已撤除，仍然不能導(dǎo)通，直到下一周期再次被觸發(fā)導(dǎo)通。這樣就形成只有一個(gè)晶閘管反復(fù)通斷的不正常情況，始終為單一方向，在電路中產(chǎn)生較大的直流分量；因此為了避免這種情況發(fā)生，應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)方式。1.5.建模仿真1建立一個(gè)仿真模型的新文件。在 MATLAB的菜單欄上點(diǎn)擊 File，選擇 New，再在彈出菜單中選擇 Model，這時(shí)出現(xiàn)一個(gè)空白的仿真平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上可以繪制電路的仿真模型。 2.在simulink菜單下面找到simpowersystems從中找出所需的晶閘管，交流電源，電壓表，

13、電流表，示波器，阻感負(fù)載等。3.將找到的模型正確的連接起來(lái)，如下圖所示為開環(huán)仿真電路圖圖（5）開環(huán)仿真電路圖4.參數(shù)設(shè)置 觸發(fā)脈沖參數(shù)設(shè)置如下圖所示:其中將周期（period）設(shè)置為0.02觸發(fā)脈沖寬度（pulse width）設(shè)置為5相位滯后（phase delay）也就是觸發(fā)角可設(shè)為0-0.01之間的任意數(shù)，他們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下 表2 觸發(fā)角換算公式觸發(fā)角相位滯后換算公式00相位滯后=(觸發(fā)角/180)×0.01300.0017450.0025900.0051200.00671500.00831800.01負(fù)載參數(shù)設(shè)置如果負(fù)載為電阻性負(fù)載，則將電感（inductance）設(shè)為0

14、，電容（capacitance）設(shè)為inf,本次仿真中的負(fù)載為阻感性，其參數(shù)設(shè)置如下圖所示圖（6）參數(shù)設(shè)置電源參數(shù)設(shè)置電源電壓設(shè)為220V，頻率設(shè)為50Hz,相位角設(shè)為0，如需改變可另行設(shè)置采樣時(shí)間設(shè)為0，仿真器設(shè)置為便于觀察波形，將仿真時(shí)間設(shè)為0.06（三個(gè)周期）仿真算法（solver）設(shè)為ode23t，其他參數(shù)設(shè)為默認(rèn)，設(shè)置好后的參數(shù)如下圖所示：圖（7）參數(shù)設(shè)置2開環(huán)仿真參數(shù)設(shè)置好后，點(diǎn)擊（start simulink）開始仿真，為便于比較，先將負(fù)載設(shè)為電阻性負(fù)載，改變觸發(fā)角，觀察波形變化，不同觸發(fā)角時(shí)的波形如下2.1電阻性負(fù)載仿真波形（R=27.5）（a）觸發(fā)角為0° (b)

15、觸發(fā)角為30° (c) 觸發(fā)角為45° (d)觸發(fā)角為90 (e) 觸發(fā)角為120°(f） 觸發(fā)角為150（g）觸發(fā)角為180°圖（8）仿真波形 2.1.1波形分析以上各圖分別為觸發(fā)角為0°,30°,45°,90°,120°，150°，180°時(shí)所得的仿真波波形，圖中第一個(gè)波形為觸發(fā)脈沖的波形，第二個(gè)波形為負(fù)載電流的波形，第三個(gè)波形為負(fù)載電壓的波形。當(dāng)負(fù)載為電阻性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電壓和負(fù)載電流波形一致，隨著觸發(fā)角的增大，波形的占空比減小，電流和電壓出現(xiàn)斷續(xù)。當(dāng)觸發(fā)角為0°時(shí)，波形

16、為完整的正弦波；當(dāng)觸發(fā)角為度時(shí)180°時(shí)，波形為一條直線，由此可以說(shuō)明單相交流調(diào)壓電路帶電阻性負(fù)載時(shí)的觸發(fā)角的取值圍為0°-180°?？刂平菍?duì)輸出電壓U的移相可控區(qū)域是0-180度。把角等于0度、 30度， 60度，90度、150度和180度分別代入下式（21）（22）=（23）（24）（25）（26）（27）2.2阻感性負(fù)載（H=0.01，R=10）將負(fù)載設(shè)為阻感性，電感值設(shè)為0.01H,改變觸發(fā)角，觀察仿真波形(a)觸發(fā)角為0° (b)觸發(fā)角為30° (c)觸發(fā)角為45° (d)觸發(fā)角為90° (e) 觸發(fā)角為120&#

17、176; (f)觸發(fā)角為150° (g) 觸發(fā)角為180°圖(9) 仿真波形圖2.2.1波形分析以上各圖分別為觸發(fā)角為0°,30°,45°,90°,120°，150°，180°時(shí)所得的仿真波波形，圖中第一個(gè)波形為觸發(fā)脈沖的波形，第二個(gè)波形為負(fù)載電流的波形，第三個(gè)波形為負(fù)載電壓的波形。單相交流調(diào)壓電路帶組感性負(fù)載時(shí)，隨著觸發(fā)角的增大，負(fù)載兩端電流和電壓波形的占空比逐漸減小。由于電感的影響電流波形和電壓波形不再保持一致，這是因?yàn)殡姼械膬?chǔ)能作用。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，正向晶閘管導(dǎo)通，電壓發(fā)生跳變，由于電感的作用，電

18、流只能從零開始變化，同時(shí)電感開始儲(chǔ)能。當(dāng)電源電壓變?yōu)樨?fù)時(shí)正向晶閘管并不能關(guān)斷，直到電感中的儲(chǔ)能釋放完，這就是負(fù)載兩端電壓和電流波形不一致的原因。由此可以看出電感是一種儲(chǔ)能元件，其兩端的電流不能突變但電壓可以。當(dāng)觸發(fā)角為0°時(shí)，波形為完整的正弦波；當(dāng)觸發(fā)角為度時(shí)180°時(shí)，波形為一條直線，由此可以說(shuō)明單相交流調(diào)壓電路帶電阻性負(fù)載時(shí)的觸發(fā)角的取值圍為0°-180°。2.3阻感性負(fù)載（H=0.1,R=27.5) (a)觸發(fā)角為0° (b) 觸發(fā)角為30° (c)觸發(fā)角為45° (d)觸發(fā)角為90° (e)觸發(fā)角為120&

19、#176; (f)觸發(fā)角為150°圖(10) 仿真波形2.3.1波形分析以上各圖分別為觸發(fā)角為0°,30°,45°,90°,120°，150°時(shí)所得的仿真波波形，圖中第一個(gè)波形為觸發(fā)脈沖的波形，第二個(gè)波形為負(fù)載電流的波形，第三個(gè)波形為負(fù)載電壓的波形。單相交流調(diào)壓電路帶組感性負(fù)載時(shí)，隨著觸發(fā)角的增大，負(fù)載兩端電流和電壓波形的占空比逐漸減小。以上各圖為電感值由.增大到.其他參數(shù)不變時(shí)得到的波形，由上圖可以看到一個(gè)很明顯的特點(diǎn)，不論觸發(fā)角為多大，負(fù)載兩端的電壓和電流都出現(xiàn)大幅度阻尼振蕩，說(shuō)明電感值越大其儲(chǔ)存的電能就越多，震蕩也越強(qiáng)

20、烈，對(duì)晶閘管和電源危害也很大，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)保證負(fù)載的電感值在一定圍。3. 帶閉環(huán)控制的仿真3.1閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)步驟對(duì)上述的開環(huán)主電路加入反饋環(huán)節(jié)后便可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，具體操作步驟如下所述（1） 加入RMS模塊，其功能是取信號(hào)的有效值；（2） 設(shè)定基準(zhǔn)數(shù)值（題目要求基準(zhǔn)值為110V）；（3） 將通過(guò)RMS模塊的信號(hào)與基準(zhǔn)值做減法產(chǎn)生的偏差信號(hào)通過(guò)比例積分環(huán)節(jié)后再進(jìn)行限幅（限幅值上下限為010V）；（4） 將限幅值通過(guò)基本運(yùn)算變?yōu)榻嵌刃盘?hào)（0°180°）此處注意0對(duì)應(yīng)為180°，10對(duì)應(yīng)0°，因?yàn)殡S著觸發(fā)角從0°180°的過(guò)程中，其電壓有

21、效值一直在減?。?） 經(jīng)過(guò)運(yùn)算后的信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)晶閘管，還需將其轉(zhuǎn)換為角度信號(hào)，所以需使用六脈沖信號(hào)發(fā)生器，利用DEMUX分總總線將六個(gè)脈沖信號(hào)分離，僅使用第一個(gè)和第四個(gè)相位相反的脈沖信號(hào)分別送入兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管驅(qū)動(dòng)口（g口）；（6） 反復(fù)調(diào)節(jié)pi模塊參數(shù)后，使其實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)。此時(shí)改變輸入電壓與負(fù)載，在意定圍通過(guò)閉環(huán)控制可將輸出電壓電流有效值穩(wěn)定在要求的數(shù)值。3.2閉環(huán)控制下的仿真電路圖圖（11）仿真電路圖3.2.1不同輸入電壓下的輸出(電壓/電流)波形如下圖所示：（a）輸入電壓為159V時(shí)的電壓（左）電流（右）波形（b）輸入電壓為165V時(shí)的電壓（左）電流（右）波形（c）輸入電壓為18

22、0V時(shí)的電壓（左）電流（右）波形（d）輸入電壓為200V時(shí)的電壓（左）電流（右）波形（e）輸入電壓為220V時(shí)的電壓（左）電流（右）波形(f) 仿真到1S波形有震蕩不穩(wěn)定如下圖（輸入電壓170V為例）圖(12) 仿真波形圖3.2.2阻感負(fù)載時(shí)輸出電壓/電流波形(R=27.5，L=0.01H)（a）輸入電壓為159V時(shí)的電壓（左）電流（右）波形（b）輸入電壓為170V時(shí)的電壓（左）電流（右）波形（c）輸入電壓為200V時(shí)的電壓（左）電流（右）波形（d）輸入電壓為220V時(shí)的電壓（左）電流（右）波形(e)仿真到1S波形有震蕩不穩(wěn)定如下圖（輸入電壓170V為例）圖(13) 仿真波形圖3.3 諧波分析 在電路中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉(MFourier)分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號(hào)的為奇次諧波，而2、4、6、