許昌學(xué)院電氣工程學(xué)院（機(jī)電工程學(xué)院） 歐陽(yáng)峰

MATLAB在電力電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

許昌學(xué)院電氣工程學(xué)院（機(jī)電工程學(xué)院） 歐陽(yáng)峰

本文對(duì)晶閘管單相交流調(diào)壓電路進(jìn)行了主電路的設(shè)計(jì)，并在負(fù)載是電阻性負(fù)載的條件下，利用MATLAB進(jìn)行仿真。通過(guò)在仿真電路中調(diào)節(jié)晶閘管的開(kāi)通角，得到了不同值開(kāi)通角情況下的仿真波形，將開(kāi)通角和輸出電壓的關(guān)系清晰的展現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)仿真進(jìn)行輔助教學(xué)，幫助學(xué)生高效理解課程內(nèi)容，順利克服重點(diǎn)難點(diǎn)。

晶閘管；單相交流調(diào)壓；開(kāi)通角；電阻性負(fù)載

0 前言

交流至交流的變流電路可將交流電流從一種形式變化到另外一種形式。在變化過(guò)程中，可調(diào)節(jié)電壓值、頻率和初始相位。根據(jù)有無(wú)中間直流環(huán)節(jié)，交變電路分成直接和間接兩種形式。因?yàn)殚g接方式是交直流組合上直交流變換電路，所以交交變流主要討論直接方式。對(duì)變流電路來(lái)說(shuō)，改變電壓、電流而不改變頻率稱(chēng)為交流電力控制電路，改變頻率稱(chēng)為變頻電路。在半個(gè)周波內(nèi)，控制晶閘管開(kāi)通的相位，能控制輸出電壓有效值，我們稱(chēng)之為交流調(diào)壓電路。

MATLAB是以矩陣為基礎(chǔ)的一種科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言。1993年出現(xiàn)的Simulink可掛在MATLAB上，以模塊框圖進(jìn)行仿真和計(jì)算。Simulink的模塊庫(kù)內(nèi)容非常豐富，利用電力系統(tǒng)模塊庫(kù)的模塊，可以進(jìn)行基本正弦交流電路、模擬數(shù)字電路和電力電子電路等的仿真。

1 交流調(diào)壓電路的工作原理

把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)，然后串聯(lián)，晶閘管就能控制交流輸出。因?yàn)椴桓淖冾l率，所以稱(chēng)為交流電力控制電路。在半個(gè)周波內(nèi)，控制晶閘管開(kāi)通的相位，即可控制輸出電壓有效值，此電路稱(chēng)為交流調(diào)壓電路。

交流調(diào)壓電路主要用于異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，也可用于異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。在大電壓或大電流的直流電源中，交流調(diào)壓電路也經(jīng)常被用來(lái)調(diào)節(jié)變壓器的一次電壓。交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)的電壓，數(shù)值適中，并且變壓器二次側(cè)只需連接整流二極管即可。所以電路體積不大、成本不高、且設(shè)計(jì)制造都比較簡(jiǎn)單。

2 主電路設(shè)計(jì)

輸入交流電頻率為50Hz，電壓有效值為220V，負(fù)載取為R=4Ω的電阻性負(fù)載。主電路圖如2-1所示。

圖2-1 主電路圖

計(jì)算晶閘管電流有效值IVT的最大值：

那么額定電流的值是：

最大反向電壓是：

考慮到安全裕量，額定電壓的值取為：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可選額定電壓是800V，額定電流是40A的晶閘管。

3 帶電阻負(fù)載時(shí)交流調(diào)壓電路波形及相控特性分析

圖3-1 單相交流調(diào)壓電路及其波形

圖3-1所示是負(fù)載是電阻性負(fù)載時(shí)的單相交流調(diào)壓電路圖及波形。

晶閘管VT1和VT2用一個(gè)雙向晶閘管取代也是可行的。在u1的正半周期，對(duì)VT1的開(kāi)通角進(jìn)行控制；在u1的負(fù)半周期，對(duì)VT2的開(kāi)通角α進(jìn)行控制。初始時(shí)刻（α=0）是電壓處于過(guò)零時(shí)刻，處于穩(wěn)態(tài)時(shí)正負(fù)半周的α相同。

此電路可在MATLAB中進(jìn)行構(gòu)建電路仿真模型。

（1）當(dāng)α=0°時(shí)，電阻R=4Ω，VT1導(dǎo)通180°之后，VT2開(kāi)始導(dǎo)通，導(dǎo)致VT2時(shí)間比VT1大0.01s，所以：

仿真結(jié)果如圖3-2所示。從圖3-2波形可以看出，當(dāng)α=0°時(shí)，相當(dāng)于晶閘管一直導(dǎo)通，VT1導(dǎo)通180°后，VT2導(dǎo)通，兩管交替導(dǎo)通，輸出電壓最大，uo=u1，功率因數(shù)角λ=1。

圖3-2 單相調(diào)功電阻負(fù)載時(shí)α=0°時(shí)的波形

（2）當(dāng)α=30°時(shí)，電阻R=4Ω，延遲30°，VT1導(dǎo)通180°之后，VT2導(dǎo)通，導(dǎo)致VT2的時(shí)間比VT1大0.01s，所以：

仿真結(jié)果如圖3-3所示。從圖3-3波形可以看出，當(dāng)α=30°時(shí)，對(duì)于VT1來(lái)說(shuō)，當(dāng)u1為正向電壓時(shí)，由于觸發(fā)角的存在，晶閘管不會(huì)立刻導(dǎo)通，延遲30°之后晶閘管導(dǎo)通，晶閘管導(dǎo)通后兩端電壓為0；同理，當(dāng)u1為反向電壓時(shí)，反向晶閘管會(huì)延時(shí)30°之后導(dǎo)通導(dǎo)通后晶閘管兩端的電壓為0。延遲30°之后負(fù)載的波形和輸出電壓的波形一樣。

（3）當(dāng)α=90°時(shí)，電阻R=4Ω，延遲90°之后，VT1導(dǎo)通，由于VT1導(dǎo)通180°后，VT2導(dǎo)通，所以VT2的設(shè)置時(shí)間比VT1多0.01s，所以VT1和VT2觸發(fā)脈沖設(shè)置的時(shí)間分別為：

仿真結(jié)果如圖3-4所示。從圖3-4波形可以看出，當(dāng)α=90°時(shí)，對(duì)于VT1，當(dāng)u1為向電壓時(shí)，由于觸發(fā)角的存在，晶閘管不會(huì)立刻導(dǎo)通，延遲90°之后晶閘管導(dǎo)通，晶閘管導(dǎo)通后，此時(shí)晶閘管兩端電壓為0；同理，當(dāng)u1為反向電壓時(shí)，反向晶閘管會(huì)延時(shí)90°之后導(dǎo)通，導(dǎo)通后晶閘管兩端的電壓為0。延遲90°之后負(fù)載的波形和輸出電壓的波形一樣。

圖3-4 單相調(diào)功電阻負(fù)載時(shí)α=90°時(shí)的波形

（4）當(dāng)α=120°時(shí)，電阻R=4Ω，延遲120°之后，VT1導(dǎo)通，由于VT1導(dǎo)通180°后，VT2導(dǎo)通，VT2的設(shè)置時(shí)間比VT1多0.01s，VT1和VT2觸發(fā)脈沖設(shè)置的時(shí)間分別為：

仿真結(jié)果如圖3-5所示。從圖3-5波形可以看出，當(dāng)α=120°時(shí)，對(duì)于VT1來(lái)說(shuō)，當(dāng)u1為正向電壓時(shí)，由于觸發(fā)角的存在，晶閘管不會(huì)立刻導(dǎo)通，延遲120°之后晶閘管導(dǎo)通，晶閘管導(dǎo)通后兩端電壓為0；同理，當(dāng)u1為反向電壓時(shí)，反向晶閘管會(huì)延時(shí)120°之后導(dǎo)通，導(dǎo)通后晶閘管兩端的電壓為0。延遲120°之后負(fù)載的波形和輸出電壓波形一樣。

（5）當(dāng)α=180°時(shí)，電阻R=4Ω，延遲180°之后，VT1導(dǎo)通，由于VT1導(dǎo)通180°后，VT2導(dǎo)通，所以VT2的設(shè)置時(shí)間比VT1多0.01s，所以VT1和VT2觸發(fā)脈沖設(shè)置的時(shí)間分別為：

圖3-6 單相調(diào)功電阻負(fù)載時(shí)α=180°時(shí)的波形

仿真結(jié)果如圖3-6所示。從圖3-6波形可以看出，此時(shí)u1為正向電壓，由于VT2的延時(shí)時(shí)間到，所以在這段時(shí)間內(nèi)為VT2導(dǎo)通，所以此時(shí)晶閘管的波形與u1相反；同理，當(dāng)α=180°時(shí)，VT2關(guān)斷，VT1導(dǎo)通，此時(shí)u1為反向電壓，晶閘管的輸出波形與u1相反。而對(duì)于負(fù)載來(lái)說(shuō)，雖然觸發(fā)角到來(lái)了，但是電壓的方向不能滿(mǎn)足晶閘管的導(dǎo)通條件，因此負(fù)載的波形近似輸出為0。

4 計(jì)算與分析

負(fù)載電壓有效值：

故移相范圍為0°≤α≤180°。α=0°時(shí)，輸出電壓達(dá)到最大值，uo=u1。當(dāng)α逐漸增大，uo會(huì)越來(lái)越小，α=180°時(shí)，uo=0。

負(fù)載電流有效值：

晶閘管電流有效值：

功率因數(shù)：

α=0°時(shí)，功率因數(shù)λ=1，α變大，電流相位滯后于電壓相位，λ降低。晶閘管承受最大正反向電壓為：

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的電路圖比較基礎(chǔ)，但通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，將調(diào)壓電路中開(kāi)通角α的變化對(duì)波形的影響非常清晰的呈現(xiàn)了出來(lái)。

本設(shè)計(jì)也進(jìn)一步展現(xiàn)了MATLAB仿真的強(qiáng)大功能，隨著基于MATLAB的仿真平臺(tái)及相關(guān)模塊庫(kù)的進(jìn)一步豐富，MATLAB必會(huì)成為越來(lái)越完善的仿真工具。在教學(xué)中引入現(xiàn)代化教育手段，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性和靈活性，克服教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)原理的理解，提高授課效率，收到了令人滿(mǎn)意的效果。

[1]王兆安.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

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[5]洪乃亮.電力電子和電機(jī)拖動(dòng)的控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1993.