电力电子技术课程设计-基于matlab的单相交流调压电路的设计与仿真.doc

1目录前言21.主电路设计31.1.设计内容及技术要求31.2设计内容31.3.工作原理31.4.建模仿真92.仿真112.1.电阻性负载仿真波形112.1.1.波形分析162.2.阻感性负载(H=0.01)162.2.1.波形分析202.3.阻感性负载(H=0.1)202.3.1.波形分析233.触发电路的设计234.保护电路的设计254.1过电压的产生及过电压保护254.2.晶闸管的过电流保护265设计体会27参考文献282前言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，如感应电动机或其它电阻电感混合负载等。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。交流调压电路主要应用在电热控制、交流电动机速度控制、交流稳压器等场合，主要有灯光调节，温度调节(如工频加热、感应加热、需控制的家用电器等)，泵及风机等异步电动机的软起动，交流电机的调压调速，随电机负载大小自动调压，变压器初级调压(在高压小电流或低压大电流直流电源中，如采用晶闸管相孔整流电路，需要很多晶闸管串联或并联，若采用交流调压电路在变压器初级调压。其电压电流值都比较合理，在变压器次级只要用二极管整流即可，从而达到减少体积、减低成本的目的)。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。31主电路的设计1.1.设计内容及技术要求计算机仿真具有效率高，精度高，可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用与电力电子电路(或系统)的分析和设计中。计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度降低设计成本，缩短系统研制周期。可以说，电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和实验过程。通过本次仿真，学生可以初步认识电力电子计算机仿真的优势，并掌握电力电子计算机仿真的基本方法。单相交流调压电路的电路参数要求：电源电压220V，工频50Hz,阻感负载。R=10，电源侧功率因数0.4-0.65可调。1.2设计内容制定设计方案主电路设计及主电路元件选择驱动电路和保护电路设计及参数计算，器件选择绘制电路原理图总体电路原理图及其说明1.3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，负载阻抗角都有关系。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、负载阻抗角都有关系。其中负载阻抗角)arctan(RwL,相当于在电阻电感负载上加上纯正弦交流电压4时，其电流滞后于电压的角度为。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,三种工况分别进行讨论。(1)情况图1-3电路图图1-4工作波形图(工况)上图所示为单相反并联交流调压电路带感性负载时的电路图，以及在控制角触发导通时的输出波形图，同电阻负载一样，在iu的正半周角时，iT触发导通，5输出电压ou等于电源电压，电流波形oi从0开始上升。由于是感性负载，电流oi滞后于电压ou，当电压达到过零点时电流不为0，之后oi继续下降，输出电压ou出现负值，直到电流下降到0时，1T自然关断，输出电压等于0，正半周结束，期间电流oi从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角0。由后面的分析可知，在工况下，180因此在2T脉冲到来之前1T已关断，正负电流不连续。在电源的负半周2T导通，工作原理与正半周相同，在oi断续期间，晶闸管两端电压波形如图1-4所示。为了分析负载电流oi的表达式及导通角与、之间的关系，假设电压坐标原点如图所示，在t时刻晶闸管T1导通，负载电流i0应满足方程L0Riddtio=iu=iU2sint其初始条件为i0|t=0,解该方程，可以得出负载电流i0在t区间内的表达式为i0=)sin()sin()(2tan/)(2tietLRU.当t=时，i0=0，代入上式得，可求出与、之间的关系为sin(-)=sin(-)etan/利用上式，可以把与、之间的关系用下图的一簇曲线来表示。图1-5与、之间的关系曲线6图中以为参变量，当=00时代表电阻性负载，此时=180-；若为某一特定角度，则当时，=180，当时，随着的增加而减小。上述电路在控制角为时，交流输出电压有效值UO、负载电流有效值Io、晶闸管电流有效值IT分别为Uo=Ui)22sin(2sinI0=2ImaxoIT*IT=2ImaxoIT*式中，Imaxo为当=0时，负载电流的最大有效值，其值为Imaxo=22)(lRUiIT*为晶闸管有效值的标玄值，其值为IT*=cos2)2cos(sin2由上式可以看出，IT*是及的函数下图给出了以负载阻抗角为参变量时，晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线。1-6晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线7当、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效值I0及晶闸管电流有效值IT。(2)=情况当控制角=时，负载电流i0的表达式中的第二项为零，相当于滞后电源电压角的纯正弦电流，此时导通角=1800，即当正半周晶闸管T1关断时，T2恰好触发导通，负载电流i0连续，该工况下两个晶闸管相当于两个二极管，或输入输出直接相连，输出电压及电流连续，无调压作用。图1-7=情况下的输出波形(3)情况在工况下，阻抗角相对较大，相当于负载的电感作用较强，使得负载电流严重滞后于电压，晶闸管的导通时间较长，此时式仍然适用，由于，公式右端小于0，只有当180)(时左端才能小于0，因此180，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在wt时刻1T被触发导通，由于其导通角