【正文】 電流ic；集電極電阻RC將集電極電流的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化，即使得管壓降uCE產(chǎn)生變化，管壓降的變化量就是輸出動態(tài)電壓uO，從而實現(xiàn)了電壓放大。直流電源VCC為輸出提供所需能量。⑴ 必須根據(jù)所用放大管的類型提供直流電源，以便設置合適的靜態(tài)工作點，并作為輸出的能源。對于晶體管放大電路，電源的機型和大小應使晶體管基極與發(fā)射極之間處于正向偏置，靜態(tài)電壓∣UBEQ∣大于開啟電壓Uon；而集電極與基極之間處于反向偏置；即保證晶體管工作在放大 圖35 基本共射放大電路區(qū)。對于場效應管放大電路，電源的極性和大小應為場效應管的柵極與源極、漏極與源極之間提供合適的電壓，從而使之工作在恒流區(qū)。⑵ 電阻取值得當，與電源配合，使放大管有合適的靜態(tài)工作電流。⑶ 輸入信號必須能夠作用于放大管的輸入回路。對于晶體管，輸入信號必須能夠改變基極與發(fā)射極之間的電壓，產(chǎn)生ΔuBE，或改變基極電流，產(chǎn)生Δib（或ΔiE）。對于場效應管，輸入信號必須能夠改變柵極與源極之間的電壓，產(chǎn)生ΔuGS。這樣，才能改變放大管輸出回路的電流，從而放大輸入信號。⑷ 當負載接入時，必須保證放大管輸出回路的動態(tài)電流（晶體管的ΔiC或場效應管的ΔiD）能夠作用于負載，從而使負載獲得比輸入信號大得多的信號電流或信號電壓。在本次設計中，脈沖放大電路所用的核心元件為NPN型三極管，除了三極管外，放大電路還包括濾波電容以及若干電阻。此外放大處理后的脈沖信號一般不直接給可控硅門極施壓，要通過一個變壓器給可控硅提供門極觸發(fā)脈沖信號，變壓器可以對脈沖信號進一步調(diào)節(jié)，但主要作用還是使觸發(fā)電路與調(diào)壓主工作電路進行電磁隔離。另外，考慮到觸發(fā)脈沖的下降沿時，變壓器一次側電流不可能突變?yōu)榱?，還需要與一次側繞組并聯(lián)一個續(xù)流二極管構成續(xù)流回路。脈沖放大電路各元件參數(shù)及電路圖如圖36所示。圖36 放大電路各元件參數(shù)及電路圖放大電路工作過程：移相觸發(fā)集成電路TCA785輸出的脈沖信號作為放大電路的輸入信號從NPN型三極管的基極輸入，脈沖信號進入后，基極電壓為高電平，晶體管基極電壓UBE大于開啟電壓Uon；在輸出回路中，集電極電源VCC（15V）足夠高，使晶體管的集電結反向偏置，保證了晶體管工作在放大狀態(tài)，從而實現(xiàn)脈沖信號的放大。電容CC2為濾波電容，可以減小電源波動對電路系統(tǒng)的影響。變壓器T作為電磁隔離，它的一次側并聯(lián)一個續(xù)流二極管，當輸入脈沖信號從高電平變?yōu)榈碗娖?，變壓器一次側繞組由于電感作用，電流不會突降為零，所以加入續(xù)流二極管與繞組電感形成續(xù)流回路。 整體觸發(fā)電路工作過程將以TCA785芯片為核心的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路的兩個輸出端與兩個相同的脈沖放大電路的輸入端連接在一起，兩放大電路輸出端作為觸發(fā)電路輸出，這樣就構成了整個脈沖觸發(fā)電路。根據(jù)可控硅的要求，門極觸發(fā)電路的輸出端必須一端連接門極，另一端連接陰極，這樣才能對可控硅進行觸發(fā)導通。脈沖信號由TCA785芯片及相關電路產(chǎn)生，然后通過放大電路放大脈沖幅值，經(jīng)電磁隔離提供給可控硅模塊。觸發(fā)電路主要為可控硅調(diào)壓主電路服務，其主要作用就是產(chǎn)生相位可調(diào)的觸發(fā)脈沖，所以調(diào)節(jié)脈沖相位是觸發(fā)電路的主要任務。相位調(diào)節(jié)主要靠改變端口9的電阻以及端口11電壓來實現(xiàn)，輸出脈沖的寬度由端口12電容C4調(diào)節(jié)。在產(chǎn)生脈沖信號觸發(fā)可控硅過程中，一定要注意的問題就是同步，即脈沖信號與被調(diào)工頻電壓的同步。只有信號同步，輸出觸發(fā)脈沖才能在相應的時刻控制可控硅導通，從而改變輸出電壓。觸發(fā)電路電路圖及整體調(diào)壓電路圖見本文附圖。 第四章 對主電路的MATLAB仿真 MATLAB仿真簡介及在電力電子系統(tǒng)中的應用MATLAB是集數(shù)值計算、符號運算、及圖形處理等強大功能于一體的科學計算工具，作為強大的科學計算平臺，它幾乎可以滿足所有的計算要求。另外，MATLAB還針對許多專門的領域開發(fā)出了功能強大的模塊集或工具箱，如電力系統(tǒng)仿真工具箱（SimPowerSystems）等。一般來說，它們都是由特定領域的專家開發(fā)出來的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的模型而不需要自己編寫代碼。當今社會發(fā)展的如此迅猛，高性能、低成本以及生產(chǎn)和更新?lián)Q代周期短已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)對產(chǎn)品設計的最基本要求，模型化、模塊化以及動態(tài)仿真是產(chǎn)品設計者對設計工具的最基本要求，而MATLAB中的Simulink是其中可以完全滿足此要求的幾個工具軟件之一。MATLAB提供的Simulink仿真軟件實際上提供了一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真的圖形用戶環(huán)境，并且憑借MATLAB在科學計算上的強大功能，建立了從設計構思到最終要求的可視化橋梁，大大彌補了傳統(tǒng)設計和開發(fā)工具的不足。Simulink是用模塊組合的方法來使用戶能夠快速、準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型，特別對于復雜的非線性系統(tǒng)，效果更加明顯。Simulink模型可以用來模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)。另外，Simulink還為用戶提供一套圖形動畫的處理方法，使用戶可以方便地觀察到仿真的整個過程。它還能夠用MATLAB自身語言或C、C++語言、FORTRAN語言，根據(jù)S函數(shù)的標準格式寫成用戶自己定義的功能模塊，其擴充性非常強。在對電力電子系統(tǒng)進行仿真過程中，主要用到了Simulink里的電力系統(tǒng)工具箱，它專門用于解決電路、電力電子、電機等系統(tǒng)的仿真和分析，功能十分強大工具箱內(nèi)部的元件庫提供了經(jīng)常使用的各種電力元件數(shù)學模型，并且提供了可以自己編程的方式創(chuàng)建適合的元件模型。下面正是基于MATLAB仿真軟件對本次設計的移相控制可控硅調(diào)壓的主電路進行仿真分析，并得出仿真結果。 可控硅調(diào)壓主電路MATLAB仿真圖41所示電路即為要仿真的調(diào)壓電路，負載為阻性負載。通過設定各個元器件參數(shù)以及輸入觸發(fā)脈沖的參數(shù)得到輸出電壓和電流的波形。眾所周知，計算機仿真包含三項基本活動：1）建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；2）建立系統(tǒng)的仿真模型（又稱二次建模），即設計算法并轉(zhuǎn)化為計算機仿真模型；3）運行仿真模型，進行仿真實驗，再根據(jù)仿真實驗的結果，進一步修正系統(tǒng)的數(shù)學模型和仿真模型。在這些活動中，尤其要注意一下兩個步驟：1） 建立可控硅調(diào)壓主電路的數(shù)學模型，及輸出與輸入。經(jīng)過計算，得出本設計中可控硅 圖41 可控硅調(diào)壓電路調(diào)壓電路的數(shù)學模型為：2） 可控硅調(diào)壓電路仿真模型元器件的選擇與參數(shù)的設定元器件的選擇和參數(shù)的設定是電路仿真的關鍵，現(xiàn)列出本次電路仿真所用元器件名稱（模塊名）及用途，見表1。表1 可控硅調(diào)壓電路仿真模型元器件名稱及用途序號元器件（模塊名）用途1AC Voltage交流電壓源2Linear Transformer線性變壓器3Thyristor晶閘管，用于調(diào)壓4Series of RLC branch串聯(lián)RLC支路，設置負載類型5Pulse Generator脈沖發(fā)生器6Voltage measurement電壓表7Current measurement電流表8Scope示波器其中，最主要的是Pulse Generator的參數(shù)設定，其周期必須與交流電壓源的周期相一致，在phase delay中設定不同的導通時刻，這樣就可以實現(xiàn)對交流電壓的相位調(diào)壓。 仿真模型建立及仿真結果分析仿真模型如圖42所示。在設定完各元器件參數(shù)后即可開始運行仿真模型。圖42 可控硅調(diào)壓電路仿真模型從仿真結果上可以看出，隨著的逐漸增大，負載電阻上的電壓有效值逐漸減小。因此，本調(diào)壓電路對電阻性負載，其電壓可調(diào)范圍為 ，移相角的移相范圍為，見圖4圖44。圖43 串聯(lián)RLC支路在30176。調(diào)壓角時的電壓電流波形（電阻負載）圖44 串聯(lián)RLC支路在60176。調(diào)壓角時的電壓電流波形（電阻負載）電路模型的仿真結果與理論計算的結果完全吻合。通過對移相可控硅交流調(diào)壓電路的仿真看出，MATLAB中的Simulink仿真工具可以方便地創(chuàng)建和維護一個完整的模型，評估不同的算法和結構并驗證系統(tǒng)性能。應用MATLAB中的Simulink仿真工具可以大大加快產(chǎn)品的開發(fā)過程。MATLAB中的Simulink仿真工具還是不可多得的科研用模擬仿真工具，掌握它不僅對于教學和個人學習有很大幫助，而且對于移相可控硅交流調(diào)壓電路的研究具有巨大的推動作用和現(xiàn)實價值。結 論現(xiàn)代電力電子技術是應用電力電子半導體器件、綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊緣交叉技術。當前，電力電子技術在節(jié)能、節(jié)材、自動化、智能化、機電一體化的基礎上，正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。電力電子技術主要用于電力交換，對市電或強電進行控制與變換。其作用就是根據(jù)負荷和負載的特殊要求，對市電、強電進行各種形式的變換，以使電氣設備得到最佳的電能供給，使電力系統(tǒng)處于最佳的運行狀態(tài)，從而使電氣設備和電力系統(tǒng)實現(xiàn)高效、安全、經(jīng)濟的運行?？煽毓枵{(diào)壓技術正是電力電子在電力交換上的一種應用，鑒于可控硅交流調(diào)壓技術的種種優(yōu)點（控制開關可靠、電壓穩(wěn)定、供電可靠、無接觸點、使用壽命長，容易實現(xiàn)交流斷電相位控制等優(yōu)點），它在國民經(jīng)濟各個領域，尤其是工程工業(yè)上得到廣泛的應用。因此其性能的好壞將直接關系到工業(yè)生產(chǎn)中供電系統(tǒng)的正常工作，由此，對可控硅交流調(diào)壓技術的研究具有非常重要的意義。 本文正是由于可控硅交流調(diào)壓技術的重要作用，以磁粉檢測中周向磁化電源裝置為研究對象，在電力電子調(diào)壓技術的理論基礎上，提出了通過調(diào)節(jié)可控硅門極觸發(fā)脈沖的相位來實現(xiàn)對交流調(diào)壓控制的方法，完成可控硅交流調(diào)壓主電路和觸發(fā)電路的設計。主電路的主要元器件是可控硅模塊、RC保護及降壓變壓器，除了RC電路是用來防止可控硅模塊過電壓起保護作用外，另外兩個都是調(diào)壓元器件。其中，降壓變壓器的變比結合輸出要求是固定的，主要的調(diào)壓部分就是可控硅模塊，通過觸發(fā)脈沖控制可控硅的通斷來調(diào)節(jié)輸出。觸發(fā)電路的核心是移相觸發(fā)集成電路TCA785，它是德國西門子公司開發(fā)的第三代可控硅單片移相觸發(fā)集成電路。它的主要作用就是通過改變端口的電壓、電阻或電容輸出相位、幅值及寬度可調(diào)的觸發(fā)脈沖。此外，觸發(fā)電路還包括兩個脈沖放大電路，主要作用是對輸出脈沖進行放大，還有與主電路進行電磁隔離的功能。隨著各種科學技術的發(fā)展，電力電子技術在各個領域的應用也在不斷的改進，對于本課題的可控硅調(diào)壓電路來講，觸發(fā)電路需要輸出兩個脈沖寬度和幅值相同，但相位互差180176。的觸發(fā)脈沖，電路比較復雜。因此為了簡化觸發(fā)電路，可以用一個小功率雙向晶閘管控制兩只反并聯(lián)的雙向晶閘管來代替可控硅模塊。這樣主電路雖然還是兩個普通晶閘管反并聯(lián)，但控制電路只需控制一只雙向晶閘管就行了，故觸發(fā)電路簡單，工作可靠，體積小，成本降低。另外，本課題的可控硅交流調(diào)壓電路主要是以磁粉檢測中周向磁化電源裝置為研究對象，因此最終輸出的電流為交流磁化電流。隨著新技術的發(fā)展和新理論的進步，出現(xiàn)了新的磁化電流技術，低頻磁化電流是一種新的磁力探測方法，它突破了目前磁粉探傷只能探測金屬表面和近表面缺陷的局限。探傷深度深，靈敏度高，不需要打磨工件表面就可以直接探傷，探傷后不需退磁，探傷速度快、體積小、重量輕，節(jié)能省電。低頻交流綜合了交流電、直流電、整流電、沖擊電流的優(yōu)點，根據(jù)趨膚效應理論：工件磁化的深度與電流的頻率成反比。采用低頻電流基本接近直流電的探傷深度，而低頻電流是一種脈動電流，它能使磁粉行列輕微的振動，有助于磁粉的排列并形成磁痕，同時低頻電流又具有交流電的特點，探傷后不用退磁。因此，以后磁粉探傷中低頻磁化電流會得到越來越廣泛的應用。電力電子技術的高速發(fā)展，促進了器件電路及其控制技術向著集成化、高頻化、全控化、電路弱電化、控制技術數(shù)字化及多功能化的方向發(fā)展。總而言之，電力電子技術因應用需求不斷向前發(fā)展，新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會開拓更多更新的應用領域。致 謝本論文是在導師梁平老師的悉心指導下完成的。導師嚴謹求實的治學態(tài)度、深厚的理論功底、誨人不倦的作風使我受益匪淺。寬厚善良的品德、忘我的工作熱情更使我終生難忘。借此謹向?qū)煴硎菊\摯的敬意和深深的謝意。在課題的研究和論文的撰寫過程中，得到了梁老師以及各位同學的幫助，在此表示深深的感謝。最后特別感謝我培育了四年的母校及各位老師的辛勤培養(yǎng)！參 考 文 獻[1] 葉代平 蘇李廣編著. 磁粉檢測. 機械工業(yè)出版社. 2004[2] 兵器工業(yè)無損檢測委員會編. 磁粉探傷. 兵器工業(yè)出版社. 1999[3] 任吉林編. 電磁無損檢測. 機械工業(yè)出版社. 1989[4] 王兆安 黃俊編. 電力電子技術. 機械工業(yè)出版社 2006[5] 洪乃剛編. 電力電子技術基礎. 清華大學出版社. 2008[6] 李序葆 趙永健編. 電力電子器件及應用. 機械工業(yè)出版社. 1996[7] . 機械工業(yè)出版社. 2001[8] 佘志勇 . 1998[9] 蔣光祖編.《晶閘管交流電力控制器》. 機械工業(yè)出版社. 1988[10] 王明彥 . 機械工業(yè)出版社. 1996[11] SIEMENS . Phase Control IC TCA785[12] Harashima F . Power electronics and motion control—a future perspective . Proceedings of IEEE 1994,