毕业设计（论文）-基于matlab的单相交流调压电路的设计与仿真.docx

目录刖百1 •主电路设计 41.1 •设计目的及任务 41.2.设计内容及耍求 41.3•设计结果 41.4.设计原理 41. 5.建模仿真 82开环仿真 112.1 •电阻性负载仿真波形 112. 1. 1 •波形分析 122. 2.阻感性负载 132.2. 1 •波形分析 132. 3•阻感性负载 142. 3. 1.波形分析 143 •闭环控制的仿真 143.1闭环控制的实现步骤 143. 2闭环控制下的仿真电路图 153.2. 1输出波形 153. 3谐波分析 184.设计体会 2021参考文献摘耍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床电路的工 作情况与负载的性质有很大的关系，交流调斥电路nJ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，使之导通与和控整流电路一样，通过控制晶闸管开通吋所对 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H的 其晶闸管可以利用屯源自然换札无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节, 系统响应速度较快，但它也存在深控吋功率因数较低，易产牛高次谐波等缺点。

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-体的科学计算 工具，作为强大的科学计算平台，它儿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 码肖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，rfl] 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、FORTRAY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來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，同吋 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丿玄电路（移相控制或者斩波控制）负载上的电床110V（有效值），电流为4A2、 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/SIMULIXK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床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吋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u,负载阻抗角e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0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吋，其电流滞后于电压的角度为片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" > 必"=札心三种工况分别进行讨论1）Q〉0情况T1OU1OT2*LR图（1）主电路图图（2）工作波形图（>0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％•的正半周理角吋，7；触发导通, 输出电压叫等于电源电压，电流波形匚从0开始上升由于是感性负载，电流 滞后于电床叫，当电压达到过零点时电流不为0,之后匚继续下降，输出电压叫 出现负值，直到电流下降到0时，7；自然关断，输出 电压等于0,正半周结束, 期间电流匚从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q〉0工况下，^<180因此在笃脉冲到来之前打已关断，正负电流不 连续在电源的负半周匚导通，工作原理与正半周和同，在仃断续期间，晶闸管 两端电压波形。

为了分析负载电流，的表达式及导通角&与Q、0之间的关系，假设电压坐 标原点如图所示，在（ot = a时刻晶闸管TI导通，负载电流i（）应满足方程L血+ &o = s\n cot （］—］）dt其初始条件为 iol^z = =0 （］—2）解该方程，可以得出负载电流i 在aH + B区间内的表达式为io二，、一 =［sin（妙-0）-sin（Q-0宠"”）伽］. （1—3）强+（讥）当妙= cr + &时，io=O,代入JL式得，可求出&与a、0之间的关系为sin （& + &・0） =sin （a・0） e_/7/lan^ （1—）利用上式，可以把&与Q、0之间的关系用下图的一•簇曲线来表示图（3） &与a、0之间的关系曲线图中以0为参变量，当0=0时代表电阻性负载，此时&=180-6z；若0为某一特定角度，则当a <0吋，6^=180 ,当a〉时，〃随着Q的增加血减小上述电路在控制角为Q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1丁分别为Io=2IomaxIr = V20 + sin la 一 sin(2cz + 20)It1 o max71(1—5)(1—6)(1—7)式小，1。

叭为当&=0吋，负载电流的最大有效值，其值为(1—8)*/丁为晶闸管有效值的标玄值，其值为sin&cos(2a + 0 + &)2/TCOS0(1—9)由上式可以看出，人是及0的函数下图给出了以负载阻抗角0为参变量吋，晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线图（4）晶闸管电流标幺值与控制角a的关系曲线M、0已知时，可由该曲线查出晶闸管电流标幺值，进血求出负载电流有 效值I及晶闸管电流有效值11(2) 情况当控制角二0时，负载电流讥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，此吋导通角^180,即当正半周晶闸管T1关断吋，T2恰 好触发导通，负载电流辻连续，该工况下两个晶闸管相半于两个二极管，或输入 输岀直接和连，输岀电压及电流连续，无调压作用3) X0情况在工况下，阻抗角炉相对较大，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，晶闸管的导通吋间较长，此时式仍然适用，由于 公式右端小于0,只有当(&+D>i8(r时左端才能小于o,因此0>180如 图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在賊时刻人被触发导通，由于其导通角 大于180,在负半周痕=& +乃时刻为笃发岀出发脉冲时，人还未关断，人因 受反压不能导通，人继续导通直到在川=(" +兀)吋刻因人电流过零关断吋，％的 窄脉冲心2已撤除，厂2仍然不能导通，直到下一周期人再次被触发导通。

这样就 形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情况，g始终为单一方向，在电路中产生 较人的直流分量；因此为了避免这利惴况发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式1. 5.建模仿真1. 建立-■个仿真模型的新文件在MATLAB的菜单栏上点击F订e,选择 New,再在弹出菜单中选择Model,这时出现一个空片的仿真平台，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simpowersysterns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，如下图所示为开环仿真电路图乜I untitled ・三 ▼題El tt固圍File Edit View Display Diagram Simulation Analysis Code Tools Helpuntitled4 1 —Readyni i View 2 warnings 100% ode23t表图(5)开环仿真电路图1单相可控交流调压电路仿真模型兀器件名称及用途序号元器件(模块名)用途1AC Voltage交流电压源2Linear Transformer线性变压器3Thyristor晶闸管，用于调压4Series of RLC branch串联RLC支路，设置负载类型5Pulse Generator脉冲发生器6PoweKJUI电力图形用户接口，用来进行 电力系统稳态分析7Voltage measurement电压表8Current measurement电流表9Scope示波器10Ground接地装置4. 参数设置(1)触发脉冲参数设置如下图所示：其中将周期(period)设置为0.02触发脉冲宽度(pulse width)设置为5相位滞后(phase delay)也就是触发角可设为0-0.01之间的任意数，他们之间的对应关系如卜表2触发角换算公式触发角a相位滞后换算公式00相位滞后=(触。