MATLAB在電力電子技術課程教學中的應用研究

許昌學院電氣工程學院（機電工程學院） 歐陽峰

MATLAB在電力電子技術課程教學中的應用研究

許昌學院電氣工程學院（機電工程學院） 歐陽峰

本文對晶閘管單相交流調壓電路進行了主電路的設計，并在負載是電阻性負載的條件下，利用MATLAB進行仿真。通過在仿真電路中調節晶閘管的開通角，得到了不同值開通角情況下的仿真波形，將開通角和輸出電壓的關系清晰的展現出來。通過仿真進行輔助教學，幫助學生高效理解課程內容，順利克服重點難點。

晶閘管；單相交流調壓；開通角；電阻性負載

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。在變化過程中，可調節電壓值、頻率和初始相位。根據有無中間直流環節，交變電路分成直接和間接兩種形式。因為間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。對變流電路來說，改變電壓、電流而不改變頻率稱為交流電力控制電路，改變頻率稱為變頻電路。在半個周波內，控制晶閘管開通的相位，能控制輸出電壓有效值，我們稱之為交流調壓電路。

MATLAB是以矩陣為基礎的一種科學計算語言。1993年出現的Simulink可掛在MATLAB上，以模塊框圖進行仿真和計算。Simulink的模塊庫內容非常豐富，利用電力系統模塊庫的模塊，可以進行基本正弦交流電路、模擬數字電路和電力電子電路等的仿真。

1 交流調壓電路的工作原理

把兩個晶閘管反并聯，然后串聯，晶閘管就能控制交流輸出。因為不改變頻率，所以稱為交流電力控制電路。在半個周波內，控制晶閘管開通的相位，即可控制輸出電壓有效值，此電路稱為交流調壓電路。

交流調壓電路主要用于異步電動機的軟啟動，也可用于異步電動機調速。在大電壓或大電流的直流電源中，交流調壓電路也經常被用來調節變壓器的一次電壓。交流調壓電路調節變壓器一次側的電壓，數值適中，并且變壓器二次側只需連接整流二極管即可。所以電路體積不大、成本不高、且設計制造都比較簡單。

2 主電路設計

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

圖2-1 主電路圖

計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：

根據計算結果，可選額定電壓是800V，額定電流是40A的晶閘管。

3 帶電阻負載時交流調壓電路波形及相控特性分析

圖3-1 單相交流調壓電路及其波形

圖3-1所示是負載是電阻性負載時的單相交流調壓電路圖及波形。

晶閘管VT1和VT2用一個雙向晶閘管取代也是可行的。在u1的正半周期，對VT1的開通角進行控制；在u1的負半周期，對VT2的開通角α進行控制。初始時刻（α=0）是電壓處于過零時刻，處于穩態時正負半周的α相同。

此電路可在MATLAB中進行構建電路仿真模型。

（1）當α=0°時，電阻R=4Ω，VT1導通180°之后，VT2開始導通，導致VT2時間比VT1大0.01s，所以：

仿真結果如圖3-2所示。從圖3-2波形可以看出，當α=0°時，相當于晶閘管一直導通，VT1導通180°后，VT2導通，兩管交替導通，輸出電壓最大，uo=u1，功率因數角λ=1。

圖3-2 單相調功電阻負載時α=0°時的波形

（2）當α=30°時，電阻R=4Ω，延遲30°，VT1導通180°之后，VT2導通，導致VT2的時間比VT1大0.01s，所以：

仿真結果如圖3-3所示。從圖3-3波形可以看出，當α=30°時，對于VT1來說，當u1為正向電壓時，由于觸發角的存在，晶閘管不會立刻導通，延遲30°之后晶閘管導通，晶閘管導通后兩端電壓為0；同理，當u1為反向電壓時，反向晶閘管會延時30°之后導通導通后晶閘管兩端的電壓為0。延遲30°之后負載的波形和輸出電壓的波形一樣。

（3）當α=90°時，電阻R=4Ω，延遲90°之后，VT1導通，由于VT1導通180°后，VT2導通，所以VT2的設置時間比VT1多0.01s，所以VT1和VT2觸發脈沖設置的時間分別為：

仿真結果如圖3-4所示。從圖3-4波形可以看出，當α=90°時，對于VT1，當u1為向電壓時，由于觸發角的存在，晶閘管不會立刻導通，延遲90°之后晶閘管導通，晶閘管導通后，此時晶閘管兩端電壓為0；同理，當u1為反向電壓時，反向晶閘管會延時90°之后導通，導通后晶閘管兩端的電壓為0。延遲90°之后負載的波形和輸出電壓的波形一樣。

圖3-4 單相調功電阻負載時α=90°時的波形

（4）當α=120°時，電阻R=4Ω，延遲120°之后，VT1導通，由于VT1導通180°后，VT2導通，VT2的設置時間比VT1多0.01s，VT1和VT2觸發脈沖設置的時間分別為：

仿真結果如圖3-5所示。從圖3-5波形可以看出，當α=120°時，對于VT1來說，當u1為正向電壓時，由于觸發角的存在，晶閘管不會立刻導通，延遲120°之后晶閘管導通，晶閘管導通后兩端電壓為0；同理，當u1為反向電壓時，反向晶閘管會延時120°之后導通，導通后晶閘管兩端的電壓為0。延遲120°之后負載的波形和輸出電壓波形一樣。

（5）當α=180°時，電阻R=4Ω，延遲180°之后，VT1導通，由于VT1導通180°后，VT2導通，所以VT2的設置時間比VT1多0.01s，所以VT1和VT2觸發脈沖設置的時間分別為：

圖3-6 單相調功電阻負載時α=180°時的波形

仿真結果如圖3-6所示。從圖3-6波形可以看出，此時u1為正向電壓，由于VT2的延時時間到，所以在這段時間內為VT2導通，所以此時晶閘管的波形與u1相反；同理，當α=180°時，VT2關斷，VT1導通，此時u1為反向電壓，晶閘管的輸出波形與u1相反。而對于負載來說，雖然觸發角到來了，但是電壓的方向不能滿足晶閘管的導通條件，因此負載的波形近似輸出為0。

4 計算與分析

負載電壓有效值：

故移相范圍為0°≤α≤180°。α=0°時，輸出電壓達到最大值，uo=u1。當α逐漸增大，uo會越來越小，α=180°時，uo=0。

負載電流有效值：

晶閘管電流有效值：

功率因數：

α=0°時，功率因數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 結束語

本設計的電路圖比較基礎，但通過對仿真結果的分析，將調壓電路中開通角α的變化對波形的影響非常清晰的呈現了出來。

本設計也進一步展現了MATLAB仿真的強大功能，隨著基于MATLAB的仿真平臺及相關模塊庫的進一步豐富，MATLAB必會成為越來越完善的仿真工具。在教學中引入現代化教育手段，實現理論與實驗的結合，增強教學的直觀性和靈活性，克服教學中的難點和重點，激發學生的學習興趣，加深學生對原理的理解，提高授課效率，收到了令人滿意的效果。

[1]王兆安.電力電子技術[M].機械工業出版社,2009.

[2]王云亮.電力電子技術[M].電子工業出版社,2009.

[3]李宏.常用晶閘管觸發器集成電路及應用[M].科學出版社,2011.

[4]趙良炳.現代電力電子技術基礎[M].清華大學出版社,1999.

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