关键词：Matlab Simulink仿真模块；单相交流；调压；晶闸管

Abstract: Taking the Simulink template of MATLAB as the simulation platform, the component parameters of single-phase AC voltage regulator are adjusted. When the parameters change, the corresponding output waveform results change to achieve the desired purpose. Through the research on the simulation operation of single-phase AC voltage regulator, it is clear that the material loss can be reduced.

Key words: Matlab Simulink simulation module; Single phase AC; Voltage regulation; Thyristor

1  引言

交流调压电路广泛用于灯光控制(如调光台灯和舞台灯光控制)及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。在电力系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。在这些电源中如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联，这都是十分不合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压、电流值都比较适中，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计创造。

2  单相交流调压原理

图1为单相交流调压电路原理图，交流调压可分为采用相位控制的交流电力控制电路和采用通断控制的交流电力控制电路。采用两个晶闸管并联与负载串联，图1中晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的触发延迟角α进行控制就可以调节输出电压，当电流正向流通时VT1导通、当电流反向流通时VT2导通。

图1  单相交流调压电路原理图

3  主电路仿真图

交流调压可分为采用相位控制的交流电力控制电路和采用通断控制的交流电力控制电路。图2所示为采用相位控制的交流电力控制电路仿真图，其采用两个门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristo,GTO)反并联与负载串联的形式组成。图3所示为采用通断控制的交流电力控制电路仿真图，其采用两个绝缘栅双极晶体管（Insula-ted-gate Gipolar Transistor，IGBT或IGT)反并联与负载串联的形式组成。

图2  采用相位控制的交流电力控制电路仿真图

图3  采用通断控制的交流电力控制电路仿真图

4  仿真结果

对仿真参数进行参数设定。如图4所示，运行起始时间为0，停止时间为0.08s，相对误差为1e-3，采用算法为ode23tb。

图4  仿真参数设置

采用Simulink对单相交流调压电路进行仿真。对其中元器件参数进行设置，图5为晶闸管和触发脉冲的参数设定，脉冲延迟设置为0.003333、幅值为2、频率为50Hz，触发脉冲α不同，对应产生的波形也有很大变化。

当采用相位控制的交流电力控制电路接电阻性负载时，其输出波形如图6所示。在交流电源u1的正半周，当触发脉冲到来时VT1导通，通过设置其触发延迟角α可实现对输出电压的控制，随着α增大，U0逐渐减小。

图6  电阻性负载波形交流调压电路工作波形

当采用相位控制的交流电力控制电路接阻感性负载时，其输出波形如图7所示。其负载阻抗角设置为ψ=0.03333，稳态时负载电流应是正弦波，其相位滞后于电源电压u1的角度为ψ。在用晶闸管控制时，由于只能通过触发延迟角α推迟晶闸管的导通。显然，阻感性负载下稳态时α的移向范围为ψ≤α≤Π。

图7  ψ≤α≤Π时阻感性负载交流调压电路工作波形

当触发脉冲0≤α<ψ时，其输出波形和谐波分析如图8所示。当某一时刻触发VT1导通，VT1的导通时间将超过过π。到ωt二π+α时刻触发VT2时，负载电流i0尚未过零，VT1仍在导通，VT2不会导通，只有i0过零后VT2才会开通。因为α<ψ，VT1提前开通，负载L被过充电，其放电时间也将延长，使得VT,结束导电时刻大于Π+ψ，并使VT2推迟开通，VT2的导通角当然小于Π。如图所示，其中含有大量的3、5、7、....，等次谐波，但随着次数的增加，谐波含量不断减少。

图8  0≤α<ψ时阻感性负载交流调压电路工作波形图、谐波图

采用通断控制的交流电力控制电路，其输出波形如图9所示。斩控式交流调压电路其中采用IGBT进行斩波控制和给负载提供续流通道，导通比α=ton/T0,可以通过改变α来改变输出电压大小。

图9  斩控式交流调压电路波形

5  结论

本次课题对单相交流调压电路进行仿真研究，在电阻性负载和阻感性负载两种情况下，通过控制触发延迟角α的大小来调节输出电压，以达到研究目的。在采用相位控制接电阻性负载时，触发延迟角α越大，负载电压有效值U0、负载电流有效值I0均越小。在接阻感性负载时，当0≤α<ψ时输出波形呈连续型，同时其中存在次谐波，和电阻性负载相比，阻感性负载比电阻性负载的谐波电流含量少一些，由傅里叶分析阻感性负载的谐波率为34.33%，电阻性负载为37.77%。当ψ≤α≤Π时，其波形会滞后角度ψ，同时因为阻感性负载的影响其电流波形也会产生较大的改变。当采用通断控制的交流电力控制电路时，波形呈断续状态并且十分明显。调压的应用非常广泛，几乎覆盖整个电力电子行业，具有良好的发展前景，日后还需要多加学习于研究。

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