兩種單相交流調壓電路的比較研究

李 瀚，趙 歡，李 強，梁曉楠，榮 軍,2

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兩種單相交流調壓電路的比較研究

李 瀚1，趙 歡1，李 強1，梁曉楠1，榮 軍1,2

（1.湖南理工學院信息與通信工程學院，湖南岳陽414006；2.復雜工業物流系統智能控制與優化湖南省重點實驗室，湖南岳陽414006）

闡述了單相交流調壓電路在純電阻和阻感性負載下的工作原理，并且給出其在MATLAB/Simulink中的仿真模型和仿真結果，仿真結果表明純電阻負載下負載電壓與負載電流波形相同，負載電壓波形是電源電壓的一部分。負載為阻感負載時，電流因為負載阻抗性質，而滯后于電源電壓，與理論分析完全一致。

單相交流調壓電路 負載 純電阻 阻感性負載

0 引言

傳統的交流調壓用自耦變壓器或者變壓器實現，這種調壓技術效率比較低。后來隨著變流技術出現后，采用電力電子器件的交流調壓，不僅可以實現電壓的連續調節、控制簡便靈活，而且裝置的質量小、體積小，在國民經濟各行各業得到了廣泛應用。用于工業電網的單相交流220V活兩相交流380V的單相電氣設備，往往有調壓的需求。比如實驗室與家用的小功率電爐的溫度控制、家用臺燈以及舞臺、打醒演播廳的燈光調節、家用電扇的調速，都可以用交流調壓電路來實現，因為這種電路能很簡便地調節輸出電壓的有效值[1,2]。

1 單相交流調壓電路負載為純電阻和阻感性負載情況下的工作原理介紹

單相交流調壓電路在純電阻負載下的工作電路和工作波形圖如圖1所示[3]，電路由輸入交流電源、晶閘管VT1和VT2、負載R、L以及觸發電路組成，其中VT1和VT2也可以用一個雙向晶閘管代替。在交流電源的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的觸發延遲角進行控制就可以調節輸出電壓。在穩態情況下，應使正負半周的相等。這時負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流和負載電壓的波形相同，因此可以通過觸發延遲角的變化可以實現輸出電壓的控制。單相交流調壓電路負載為純電阻時，負載電壓有效值、負載電流有效值、晶閘管電流的有效值和電路的功率因數分別為：

（1）

(2)

（3）

（4）

單相交流調壓電路在阻感性負載下的工作電路和工作波形圖如圖2所示[3]。假設負載的阻抗角為。如果用導線把晶閘管完全短接，穩態時負載電流應該是正弦波，其相位滯后于電源電壓的角度為。在用晶閘管控制時，由于只能通過觸發脈沖延遲角推遲晶閘管的開通，所以晶閘管的觸發脈沖應在電流過零點之后，使負載電流更為滯后，而無法使其超前。為了方便，把仍定義在電源電壓過零的時刻，顯然，阻感負載下穩態時的移相范圍為。另外，由于阻感性負載對電流起阻礙作用，就是在電壓過零時，VT1管還是導通，直到電感中儲存的能量釋放完畢，也就是輸出電流為零，VT1關斷，然后VT2才開通。

2 兩種單相調壓電路在MATLAB/Simulink的建模與仿真

2.1 兩種單相交流調壓電路的仿真模型

(a) 工作電路圖

(b) 工作波形圖

圖1 單相交流調壓電路在純電阻負載下的工作電路圖和波形圖

(a) 工作電路圖

(b) 工作波形圖

圖2 單相交流調壓電路在阻感性負載下的工作電路圖和波形圖

單相交流調壓電路負載為純電阻和阻感性負載在MATLAB/Simulink中的仿真模型圖分別如圖3和圖4所示[4,6]，圖3和圖4中的模型主要由交流電源AC、晶閘管、信號發生器、RLC負載以及測量模塊等構成。

2.2 仿真結果及其分析

單相交流調壓電路負載為純電阻和阻感性負載的仿真結果分別如如圖5和圖6所示，圖5和圖6中的仿真波形從上而下依次為電源電壓、觸發脈沖1、觸發脈沖2、晶閘管電壓、晶閘管電流、輸出電壓和輸出電流。從圖5仿真波形可以看出，純電阻負載下負載電壓與負載電流波形完全相同，而且負載電壓波形是電源電壓的一部分。從圖6中仿真波形可以看出，由于負載為阻感性負載時，電流由于電感的阻礙作用，在電流變為零之前，晶閘管一直導通，直到電流為零為止。

3 結束語

本文利用MATLAB/Simulink仿真軟件對單相交流調壓電路在負載分別為純電阻和阻感性負載情況下的工作原理進行了驗證分析，通過對仿真結果的比較分析，當觸發延遲角大于阻抗角時，兩種電路都可以對交流電壓的有效值進行控制，差別在于阻感性負載的情況下，晶閘管在電壓過零時，繼續導通，原因在于阻感性負載阻礙電流的變化，直至電流為零時，晶閘管才關斷。

圖5 純電阻負載的電壓和電流的仿真波形圖

圖6 感阻負載下的仿真波形圖

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Comparative Study on Two Single-phase AC Voltage Regulating Circuits

Li Han1, Zhao Huan1, Li Qiang1, Liang Xiaonan1, Rong Jun1,2

（1.Department of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, Hunan, China；2.Key Laboratory of Hunan Province on Intelligent Control and Optimization of Complex Industrial Logistics System, Yueyang 414006, Hunan, China)

TM46

A

1003-4862（2017）07-0028-04

2017-03-15

湖南省科技計劃項目經費資助（2016TP1021）

李瀚（1992-），男，本科。研究方向：自動化。

榮軍（1978-），男，碩士，講師。研究方向：開關電源及電機控制技術。