三相交流调压电路的MATLAB仿真.docx

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三相交流调压电路的MATLAB仿真

一、电路的选定1

1.1单相交流调压1

1.2三相交流调压的设计选择1

二、三相交流调压电路的原理与分析2

三、交流调压电路触发信号4

3.1单脉冲触发方式4

3.2宽脉冲触发方式5

四、主电路器件的选择7

五、仿真系统的建立9

5.1.Simulink建模方法9

5.2.Simulink建模的步骤9

5.3.主电路的建模和参数设置10

5.4.三相交流电源的建模和参数设置11

5.5.晶闸管三相交流调压器的建模11

5.6脉冲的设置12

5.7负载的设定13

六、仿真结果13

七、仿真结果分析15

结束语16

一、电路的选定

1.1单相交流调压

所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。

下面是单相交流调压电路图1.1。

图1.1单相交流调压电路

正、负半周起始时刻（=0），均为电压过零时刻。

在t时，对VT1施加触发脉冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在t时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。

在t时，对VT2施加触发脉冲，当VT2正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在t2时，电源电压过零，VT2自然关断。

1.2三相交流调压的设计选择

根据单相交流调压电路的原理，可设计三相交流调压电路。

常用的三相交流调压线路有星型联结，支路控制三角形联结和中点控制三角形联结。

其中星型联结有分为三相三线和三相四线如图1.2，1.3。

三相四线时，相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120度工作，电流中有基波和奇次谐波。

组成三相电路后，基波和

3的整数倍以外的谐波在三相之中流动，不流过中性线。

因此，中性线会有很大的3次谐波电流及其他3的整数倍次谐波电流，当控制角α=90°时，中性线电流甚至和各相电流的有效值接近。

因此，选用三相三线连接效果更好。

图1.2三相三线

图1.3三相四线

二、三相交流调压电路的原理与分析

三相交流调压的电路有三相三线Y形连接、三相四线Y形连接、负载角型连接等形式，这其中性能最好、用得最多的三相三线Y形连接的调压电路（见下图）。

下面以图2.1电阻负载为例说明其工作原理。

图2.1三相交流调压电路

电路中由于没有中性线，若要构成电流，是电流流通，则至少要有两相导通，因此在中，至少要有一相正向晶闸管与另外一相的反向晶闸管同时导通。

要想保证电路能正常工作，能同时导通两个晶闸管，要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发电路；对于晶闸管的各触发信号来说，它们之间应严格的保持一定的相位关系，当然它们必须与自己相应的电源有着相同的相序，只有这样才能保证输出的是对称的三相电压。

对图2.1的调压电路，要求A、B、C三相电路中正向晶闸管T1、T3、T5的触发信号相位互差120°，反向晶闸管的触发信号相位也互差120°，而同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差180°，即各晶闸管触发脉冲的序列应按了T1、T2、T3、T4、T5、T6的次序，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60°。

如果把晶闸管换成二极管后可以看出，相电流和相电压同相位，且相电压过零时二极管开始导通，因此应将控制角α=0°的时刻选为电源相应波形起始点，以此点作为触发角α的基准点。

在三相三线电路中，是靠线电压来完成两相之间的导通的，而相电压落后线电压30°，因此触发角α的移相范围是0-150°。

在任意时刻，电路可以根据晶闸管导通状态分为三种情况：

一种是三相中每一相都有一个处于导通状态，这时电源相电压与负载相电压相等；另一种是三相中只有两相导通，另一相不导通，这时导通相负载相电压是电源线电压的一半；第三种是三相晶闸管均不导通，这时负载电压为零。

根据任意时刻晶闸管导通的个数以及半个周波内电流是否连续，可将0-150°的移相范围分为如下三段：

当0°≤α≤60°时，电路处在三相导通和两相导通情况的交替状态。

每个晶闸管导通角为180°-α。

但α=0时是一种特殊情况，一直是三个晶闸管导通。

三相导通时，每相电阻电压为相电压；两相导通时，导通相电阻电压为导通两相线电压的一半，不导通相电阻电压为零。

当60°≤α≤90°时，因为任一时刻都存在两相是导通的，所以导通相电阻电压为导通两相线电压的一半；同上一样，不导通相电阻电压为零。

每个晶闸管的导通角为120°。

当90°≤α≤150°时，电路处于两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管导通角为300°-2α，而且这个导通角被分割为不连续的两部分，在半周波内形成两个断续的波头。

两相导通时负载输出电压如前所述。

三相都不通时，则三相负载电压都为零当α>150°时，触发脉冲不起作用，晶闸管不导通。

从上面的分析我们可以看出：

无论是负载电压还是电流波形，交流调压所输出的都不是正弦波，并且当α角增大时，负载电压相应会逐渐变小，负载电流则开始出现断续。

当带电感性负载时，交流调压输出的波形就不仅与α有关，也与负载的ψ有关，这时负载电流和负载电压也不再同相了，其移相角范围为ψ-150°。

三相三线交流调压电路的电流中含有很多谐波。

在进行傅里叶分析后可知，其中所含谐波的次数为6k±1（k=1,2,3，⋯），这和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波次数的完全相同，而且也是谐波的次数越低，其含量越大。

三相三线调压电路由于其三相对称的特性，并不含有3的整数次倍的谐波，它们不能流过三相三线电路。

在阻感负载的情况下，α=ψ时，负载电流会达到最大值并且为正弦波，同短接晶闸管的情况相同，一般来说，电感大时，谐波电流的含量要小一些。

三、交流调压电路触发信号

晶闸管的触发信号有单脉冲、宽脉冲和双触冲三种。

三相三线Y型调压电路不能使用单脉冲触发，只能使用大于60°的宽脉冲或双窄脉冲。

下面分析一下：

3.1单脉冲触发方式：

A相正半波

A、C-单窄脉冲

图3.1三相交流调压电路的单（窄）脉冲触发示意图

若是三相四线型调压电路，有N线与负载电路中性点连接，这样每相就会同N线相连形成回路，实质上电路相当于三个单相调压电路，但若去掉N线，变成三相三线，，每相必须与另两相构成电流回路，才能保证电路继续工作。

此时，若A相拥有正的电压而C相则为负的电压，晶闸管VT1、VT2应该同时在触发信号的作用开通，形成由A→VT1→RL1→RL3→VT2→C相的电流通路，单脉冲触发，是无法满足这个要求的，若使A相正半波触发信号是在t1时刻给出，相对应C相负半波触发信号在t2时刻给出。

UA触发脉冲出现时，A相与C相同时处于电压极性为正的状态（C相的电压幅度有时甚至高于A相电压），二者不具备形成电流通路的条件，尽管晶闸管VT1得到触发信号，但由于不具备开通条件从而处于关断状态；VT2在t2时刻得到触发信号，此时C相电压处于负半波期间时，但由于VT1的触发脉冲信号已经消失，VT1处于关断状态，VT2也不具备开通条件，说明单窄脉冲触发信号，对三相调压电路，是失效的。

因此对三相三线星形连接或角接负载电路来说，在工作时若想要形成负载电流回路，在每一时刻至少要有两相形成通路，因而必须有2只晶闸管是同时导通的（实际上存在3只晶闸管短时导通时候）。

而要达到上述要求，晶闸管的触发信号就需使用宽脉冲或双脉冲，它们之间应严格的保持一定的相位关系，必须与自己相应的电源有着相同的相序。

3.2宽脉冲触发方式：

宽脉冲方式：

如果在t1时刻，触发脉冲UA出现，晶闸管ＶＴ１满足导通条件之一，由于UA为宽脉冲，会一直维持至t2时刻UC-触发脉冲的出现以后，在UA与UC-两个脉冲产生t2~t3时段内的重叠区，意味着主电路晶闸管VT1、VT2被同时触发开通，形成了A相正半波期间流经负载电路RL1的电流通路。

当负载为电阻性时，要求UA（UC-）的脉冲宽度须大于60°而小于120°，而当负载为阻感性时，因晶闸管在电压过零后，有延时关断过程，需要触发脉冲的宽度为大于60而小于120，

即脉冲出现时刻足以维持到所对应相半波期间触发脉冲的出现，以保障最低有对应相两只晶闸管的同时开通，以形成负载电流通路。

不过由于宽脉冲直流分量大，容易造成晶闸管的栅阴结发热和驱动电路功耗过大、使脉冲变压器直流磁化，因而实际使用时往往对宽脉冲进行高频调制处理后，变为高频开关波形，再作为触发脉冲送出。

而双脉冲触发方式，是应用最普遍的一种方式。

不过由于双脉冲触发方式比宽脉冲触发方式复杂的多，本次设计又是仿真设计，无需实际器件，故而选择宽脉冲的触发方式。

四、主电路器件的选择

三相交流调压器的主电路中所用到得器件主要有220V三相交流电源，6个反并联的晶闸管，还有三个电阻负载。

其中6个反并联的晶闸管可用三个双相晶闸管代替，也可以用一个串联谐振代替2个反并联的晶闸管。

晶闸管的选择：

1选择正反向电压

可控硅在门极无信号，控制电流Ig为0时，在阳（A）一一阴（K）极之间加正向电压，（J2）处于反向偏置，所以，器件呈高阻抗状态，称为正向阻断状态，若UAK增大而达

到一定值UBO，可控硅由阻断突然转为导通，这个UBO值称为正向转折电压，这种导通是非正常导通，会减短器件的寿命。

所以必须选择足够正向重复阻断峰值电压UDRM。

在阳一一阴极之间加上反向电压时，器件的第一和第三PN结（J1和J3）处于

反向偏置，呈阻断状态。

当加大反向电压达到一定值URB时可控硅的反向从阻断突然转变为导通状态，此时是反向击穿，器件会被损坏。

而且UBO和URB值随电压的重复施加而变小。

在感性负载的情况下，如磁选设备的整流装置。

在关断的时候会产生很高的电压，如果电路上未有良好的吸收回路，此电压将会损坏可控硅器件。

因此，器件也必须有足够的反向重复峰值电压URRM。

可控硅在变流器（如电机车）中工作时，必须能够以电源频率重复地经受一定的过电压而不影响其工作，所以正反向峰值电压参数UDRM、URRM应保证在正常使用电压峰值的2-3倍以上，考虑到一些可能会出现的浪涌电压因素，在选择代用参数的时候,只能向高一档的参数选取。

2选择额定工作电流参数

可控硅的额定电流是在一定条件的最大通态平均电流IT（AV），即在环境温度为

+40℃和规定冷却条件，器件在阻性负载的单相工频正弦半波，导通角不少于l70℃的电路中，当稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。

而一般变流器工作时，各臂的可控硅有不均流因素。

可控硅在多数的情况也不可能在170℃导通角上工作，通常是少于这一角度。

这样就必须选用可控硅的额定电流稍大一些，一般应为其正常电流平均值的1.5-2.0倍。

3选择门极（控制级）参数可控硅门极施加控制信号使它由阻断变成导通需经历一段时间，这段时问称开通时间tgt，它是由延迟时间td和上升时间tr组成。

从门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%，这段时间称为延时时间td；tr是阳极电流从l0％上升到稳态值的90％所经历的时间。

可见开通时间tgt与可控硅门极的可触发电压、电流有关，与可控硅结温，开通前阳极电压、开通后阳极电流有关，普通可控硅的tgt在10μs以下。

在外电路回路电感较大时可达几十甚至几百μs以上（阳极电流的上升慢）。

在选用可控硅时，特别是在有串并联使用时，应尽量选择门极触发特征接近的可控硅用在同一设备上，特别是用在同一臂的串或并联位置上，这样可以提高设备运行的可靠性和使用寿命。

如果触发特性相差太大的可控硅在串联运行时将引起正向电压无法平均分配，使tgt较长的可控硅管受损，并联运行时tgt较短的可控硅管将分配更大的电流而受损，这对可控硅器件是不利的，所以同一臂上串或并联的可控硅触发电压、触发电流要尽量一致，也就是配对使用。

在不允许可控硅有受干扰而误导通的设备中，如电机调速等，可选择门极触发电压、电流稍大一些的管子（如可触发电压UGT>2V，可触发电流IGT>150mA）以保证不出现误导通，在触发脉冲功率强的电路中也可选择触发电压、电流稍大一点的管。

在磁选矿设备中，特别是旧的窄脉冲触发电路中，可选择一些UG、IG低一些的管子，如UGT<1.5V、IGT在≤100mA以下。

可减少触发不通而出现缺相运行。

以上所述说明在某些情况下应对UGT和IGT参数进行选择。

（以上举例对500A的可控硅参考参数）

4选择关断时间（tg）

可控硅在阳极电流减少为0以后，如果马上就加上正向阳极电压，即使无门极信号，它也会再次导通，假如在再次加上正向阳极电压之前使器件承受一定时间的反向偏置电压，也不会误导通，这说明可控硅关断后需要一定的时间恢复其阻断能力。

从电流

过0到器件能阻断重加正向电压的瞬间为止的最小时闻间隔是可控硅的关断时间tq，

由反向恢复时间trr和门极恢复时间tgr构成，普通可控硅的tq约150-200μs，通常能满足一般工频下变流器的使用，但在大感性负载的情况下可作一些选择。

在中频逆转应用，如中频装置、电机车斩波器，变频调速等情况中使用，一定要对关断时间参数作选择，一般快速可控硅（即kk型晶闸管）的关断时间在10-50μ，s其工作频率可达到1K-4KHZ；中速可控硅（即KPK型晶闸管）的关断时间在60-100μ，s其工作频率可达几百至lKHZ，即电机车的变频频率。

五、仿真系统的建立

5.1.Simulink建模方法

Simulink这一名字的含义是相当直观的。

因为它较明显地表明此软件的两个显著功能：

Simu（仿真）与Link（连接）。

传统的仿真软件是利用微分方程、差分方程来完成建模的，而Simulink建模更加地方便、直观、灵活。

Simulink用户先建立一个新的图形窗口，然后用鼠标像笔在纸上操作一样，在所建立的新的图形窗口中画出系统所需要的控制模型。

然后利用Simulink提供的功能来对系统进行仿真或分析。

用户可以按照递阶结构的方式，从上到下、从下到上来用Simulink创建模型。

这样用户就可以清晰的看到整个系统的结构，模块的详细信息以及各模块之间的联系。

用户可以在MATLAB的命令窗口中输入相应的命令、通过Simulink的菜单，来对定义完的新的模型进行仿真。

在仿真进行的过程中，我们可以通过Scope模块和其它的画图模块，来观察系统的即时变化情况。

仿真的结果还可以存放到MATLAB工作空间里做事后处理。

5.2.Simulink建模的步骤

Simulink建模的具体步骤如下：

（1）开始准备。

Simulink建模的第一步就是启动Simulink程序。

启动Simulink的方法：

在MATLAB命令窗口中输入simulink命令，系统不仅会显示出Simulink模型的模块库窗口，还会自动打开一个空白的模型编辑窗口，我们就可以在这个新的模型编辑窗中建立系统模型。

（2）画出系统的各个模块。

打开相应的子模块库，选择所需的模块，拖动到模型编辑窗口的合适的位置。

（3）给出各个模块的参数。

双击模块的图标，然后根据提示，对对话框里相应的默认参数进行修改。

（4）画出连接线。

要构成完整的系统，就要用连线把所有的模块，根据相应的关系连接起来。

连接线的画法：

先点击开始模块的输出端，然后拖动鼠标，根据模块之间的关系，找到终止模块的输入端，最后松开鼠标，在两个模块之间就会自动出现带有箭头的连接线。

（5）指定输入和输出端子。

在Simulink下允许两类输入输出的信号，若用户提取系统的线性模型，则需要打开Simulink模块库中的“continuous（”连续模块）图标，从中选取相应的输入输出端子，若只想对系统进行仿真分析，则需从“sourse（”信号

源）图标中取输入信号端子，从“Sinks（”输出源）图标中取输出端子即可。

5.3.主电路的建模和参数设置

图5.1三相交流调压电路带阻感负载电路原理图

主电路是按照图2.1所示的三相四线交流调压电路搭建的。

由三相对称交流电压

源、晶闸管三相交流调压器、脉冲触发器及一些显示器件等部分组成。

模型图见图

5.1。

5.4.三相交流电源的建模和参数设置

5.2三相电源的设置

从电源模块组中选取一个交流电压源模块，修改三相电源名称为A相、B相、C

相。

具体的操作方法：

双击A相交流电压源图标，就可以设置对话框修改参数，电压的幅值设为220V，频率设为50Hz，初相位设为0o。

以上是A相参数的设置方法，B相的设置方法：

双击B相交流电压源图标，就可以设置对话框修改参数，电压的幅值设为220V，频率设为50Hz，初相位设为120o；C相的设置方法：

双击C相交流电压源图标，就可以设置对话框修改参数，电压的幅值设为220V，频率设为50Hz，初相位设为240o。

这样就可以得到三相对称交流电源。

5.5.晶闸管三相交流调压器的建模

晶闸管三相交流调压器由3对晶闸管组成。

这3对晶闸管元件每个都采用“相位控制”方式，再采用反并联的方式构成晶闸管三相交流调压器，其中并利用了电网自然换流。

图5.3所示为晶闸管三相交流调压器的仿真模型。

图5.3三相交流调压模块电路接线图

5.6脉冲的设置

频率：

50HZ，同时选择双脉冲

图5.4脉冲的设置

5.7负载的设定

电阻R：

10，电感L：

0.001，电容C无穷小（inf）

5.5负载的设定

六、仿真结果

仿真的结果如下图所示：

仿真结果及示波器输出波形

注：

此次仿真采用5个示波器，其中第一个为脉冲输出波形，第二个为输入三相线电压波形，第三个为输入三相线电流波形，第三个为输出线电压波形，第五个为输出相电压波形。

（1）当a=0°时的示波器输出波形。

如图6.1

图6.1

2）当a=30°时的示波器输出波形。

如图6.2

图6.2

3）当a=90°时的示波器输出波形。

如图6.3

七、仿真结果分析

在0°时触发，由于触发有一段延迟，由上图可以看出交流电流滞后于电压，

并且当一组晶闸管立刻关断时，另一组晶闸管并不能立刻导通，是因为有电感的作用。

交流调压所得的负载电压和电流波形都不是正弦波，且随着α角增大，负载电压相应变小，负载电流开始出现断续。

当负载为电感性时，交流调压输出的波形就不仅与α有关，也与负载的阻抗角β有关。

根据以上分析可以得出通过控制晶闸管的触发角来调节负载端的电压。

我们利用晶闸管设计三相交流调压电路，这种电路性能优越，很好的实现一种交流电到交流电的变换。

随着控制角α的不同，结果也不同。

由于电感有储能作用，电阻负载和阻感负载相比较，结果不同，且电感大时，谐波电流的含量要小一些。

因此，三相交流调压电路是通过控制一个周期内的导通角来实现调压功能的，它与交流调功电路不同，调功电路是通过改变通态周期数和断态周期数的比，可以方便的调节输出功率的平均值。

结束语

本文对交流调压电路的调压原理进行了研究与探讨，对交流调压电路在MATLAB/Simulink软件模块中的仿真进行了研究与分析，主要完成的工作与结论如下：

1）阐述了三相交流调压的基本原理。

2）介绍了本文所用的仿真软件MATLAB/Simulink，建立了交流调压电路在

MATLAB/Simulink中的模型，分析了各种参数变化对交流调压的影响。

本课设采用MATLAB软件环境进行电路的仿真设计。

通过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角和负载特性的影响，通过应用Matlab的可视化仿真工具Simulink对三相桥式全控整流电路及逆变电路的仿真结果进行了详细分析，并与常规电路理论分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。

最后，感谢老师的教导和同学们的帮助。