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基础强化训练任务书学生姓名: 韦晟云 专业班级: 电气1003 指导教师: 胡红明 工作单位: 自动化学院 题 目: 单相交流调压电路性能研究 初始条件:输入为单相交流电源,有效值220V。要求完成的主要任务: (1)掌握单相交流调压电路的原理;(2)设计出系统结构图,并采用matlab对单相交流调压电路进行仿真;(3)采用protel设计出单相交流调压主电路及采用KJ004控制电路时间安排:2012年7月9日至2012年7月13日,历时一周,具体进度安排见下表具体时间设计内容指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍;学生确定选题,明确设计要求开始查阅资料,完成方案的初步设计由指导老师审核系统结构图,学生修改、完善撰写课程设计说明书上交课程设计说明书,并进行答辩参考文献:1王兆安,刘进军.电力电子技术第5版.北京:机械工业出版社,2011指导教师签名: 年 月 日系主任(或责任教师)签名: 年 月 日单相交流调压电路性能研究目录前言31.主电路设计4 1.1.设计内容及技术要求 4工作原理 4 主电路工作原理 晶闸管的工作原理负载电流分析 81.4单相交流调压电路主电路和触发电路图10 1.5.仿真参数设置102.仿真13 2.1.电阻性负载仿真波形13 .波形分析16 2.2.阻感性负载(H=0.02)16.波形分析19203.触发电路的设计204设计体会 23参考文献24前言这次基础强化训练主要究单相交流调压电路的设计。电力电子线路的基本形式之一,即交流交流变换电路,它是将一种形式的交流电能变换成另一种形式交流电能电路。在进行交流交流变换时,可以改变交流电的电压、电流、频率或相位等。用晶闸管组成的交流电压控制电路,可以调节输出电压有效值。可用于电炉温控、灯光调节、异步电动机的启动和调速等。交流调压器与常规的交流调压变压器相比,它的体积和重量都要小得多。交流调压器的 输出仍是交流电压,它不是正弦波,其谐波分量较大,功率因数也较低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。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。1主电路的设计1.1.设计内容及技术要初始条件:输入为单相交流电源,有效值220V。要求完成的主要任务: (1)掌握单相交流调压电路的原理;(2)设计出系统结构图,并采用matlab对单相交流调压电路进行仿真;(3)采用protel设计出单相交流调压主电路及采用KJ004控制电路1.2工作原理主电路工作情况 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下图1-1所示。产生的滞后是因为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,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。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。图1-1电路图(1)情况上图1-1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,在的正半周时,在时触发Vt1,Vt1导通,输出电压= ,电流 从0开始上升。当电压到达过零点时,由于是感性负载,电流滞后于电压,当电压达到过零点时电流不为0电流不为零,之后继续下降,Vt1仍然导通,输出电压出现负值。直到电流下降到零时,Vt1自然关断,输出电压为零。正半周结束,期间电流从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角。由后面的分析可知,在工况下,因此在脉冲来之前已关断,正负电流不连续。在电源的负半周导通,工作原理与正半周相同,在断续期间,晶闸管两端电压波如下图图1-2(情况下的波形)(2)=情况当控制角=时,当正半周Vt1关断时,Vt2恰好触发导通,在一个周期内两只晶闸管轮流导通180。此时负载电流i。临界连续,负载电流是一个滞后电源电压角的正弦电流。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,相当于晶闸管失去控制,无调压作用。图1-3=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,只有当时左端才能小于0,因此,如图所示,如果用窄脉冲触发晶闸管,在时刻被触发导通,由于其导通角大于180,在负半周时刻为发出出发脉冲时,还未关断,因受反压不能导通,继续导通直到在时刻因电流过零关断时,的窄脉冲已撤除,仍然不能导通,直到下一周期再次被触发导通。这样就形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情况,这一现象称为“半相半波整流现象”负载电流i。始终为单一方向,在电路中产生较大的直流分量;因此为了避免这种情况发生,应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。图1-4下窄脉冲触发方式时输出波形 晶闸管的介绍晶体闸流管简称晶闸管,也称为可控硅整流元件(SCR),是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件。在性能上,晶闸管不仅具有单向导电性,而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性,它只有导通和关断两种状态。三、晶闸管的工作原理分析在分析SCR的工作原理时,常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。此时,其工作过程如下:图1-5 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理图a) 双晶体管模型 b) 工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理如果IG(门极电流)注入V2基极,V2导通,产生IC2( 2IG )。它同时为V1的基极电流,使V1导通,且IC1= 1IC2,IC1加上IG进一步加大V2的基极电流,从而形成强烈的正反馈,使V1.V2很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通,通过SCR的电流由R确定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的饱和压降约为1V。此时,将IG调整为0,即UGK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U、负载电流有效值I、晶闸管电流有效值I分别为U=UI=2II= I式中,I为当=0时,负载电流的最大有效值,其值为I=为晶闸管有效值的标玄值,其值为=由上式可以看出,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。 1-7晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线当、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I及晶闸管电流有效值I。1.4单相交流调压主电路及触发电路图如下:1.5仿真参数设置1建立一个仿真模型的新文件。在 MATLAB 的菜单栏上新建一个Model文件这时出现一个空白的仿真平台,在这个平台上可以绘制电路的仿真模型。 2.在simulink菜单下面找到simpowersystems和simulink从中找出所需的晶闸管,交流电源,电压表,电流表,示波器,阻感负载等。3.将找到的模型正确的连接起来,如下图所示4.参数设置 触发脉冲参数设置如下图所示:其中将周期(period)设置为触发脉冲宽度(pulse width)设置为5相位滞后(phase delay)脉冲一触发角可设为A=之间的任意数,脉冲二的触发角为B=A+0.01,他们之间的对应关系如下触发角相位滞后换算公式00相位滞后=(触发角/180)30603390120150180 负载参数设置如果负载为电阻性负载,则将电感(inductance)设为0,电容(capacitance)设为inf,电阻设置为200。如果主电路改接电阻电感负载,R可以再100200范围内调节,取R=100,确定阻抗角a为30 ,由公式计算可得L=0.184H。电源参数设置电源电压设为220V,频率设为50Hz,相位角设为0,采样时间设为0。仿真器设置为便于观察波形,将仿真时间设为(三个周期)仿真算法(solver)设为ode23t,其他参数设为默认,设置好后的参数如下图所示:2.仿真参数设置好后,点击(start simulink)开始仿真,为便于比较,先将负载设为电阻性负载,改变触发角,观察波形变化,不同触发角时的波形如下电阻性负载仿真波形R=200,触发角为0R=200,触发角为60R=20,触发角为120R=200,触发角为180波形分析以上各图分别为电阻性负载触发角A为0,60, 120,150时所得的仿真波波形,图中第一个波形为触发脉冲的波形,第二个为晶闸管两端电压的波形,第三个波形为负载电流的波形,第四个波形为负载电压的波形。此时负载为电阻性负载时,阻抗角为零,当触发角为零时即=0时,负载电流时连续的,
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