【正文】 鋸齒波波形跟引腳9的電阻R9有關(guān)，電阻R9的大小影響著鋸齒波的斜率，當(dāng)直流電壓輸入不變，改變R9的大小，鋸齒波斜率就會(huì)隨之改變，脈沖信號(hào)的相位也會(huì)發(fā)生變化；圖中跟鋸齒波相交的水平線就是從引腳11輸入的直流電壓信號(hào)V11，V11的大小跟引腳11端口的輸入電阻值有關(guān)，當(dāng)R9不變，11端口輸入電阻變化，V11也會(huì)發(fā)生變化，脈沖信號(hào)相位也隨之改變。從圖34可以看出脈沖信號(hào)產(chǎn)生的原理：脈沖信號(hào)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)直流電壓信號(hào)與一個(gè)鋸齒波信號(hào)的復(fù)合，在直流電壓大于鋸齒波電壓的時(shí)刻輸出高電平，低于鋸齒波電壓時(shí)輸出低電平。這樣，通過調(diào)節(jié)圖33中可變電阻R4和R7的大小，就可以很方便的調(diào)節(jié)輸出觸發(fā)脈沖的相位。這就是觸發(fā)電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的原理。 脈沖信號(hào)放大電路通過調(diào)節(jié)TCA785芯片引腳11的端電壓V11和端子9的電阻R9就可以調(diào)節(jié)輸出觸發(fā)脈沖的相位和脈沖寬度，但是調(diào)節(jié)電路輸出的觸發(fā)脈沖信號(hào)太弱，不足以驅(qū)動(dòng)可控硅模塊。需要對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大處理，即脈沖信號(hào)放大電路。 放大電路的工作原理如圖35所示為基本共射放大電路，它由NPN型硅管及若干電阻組成，其中晶體管是起放大作用的核心元件。輸入信號(hào)ui為正弦波電壓。當(dāng)ui=0時(shí)，稱放大電路處于靜態(tài)。在輸入回路中，基極電源VBB使晶體管be間電壓UBE大于開啟電壓Uon，并與基極電阻Rb共同決定基極電流IB；在輸出回路中，集電極電源VCC應(yīng)足夠高，使晶體管的集電結(jié)反向偏置，以保證晶體管工作在放大狀態(tài)，因此集電極電流IC=βIB；集電極電阻RC上的電流等于IC，因而RC上的電壓為ICRC，從而確定了ce間電壓UCE=VCCICRC。當(dāng)ui不為0時(shí)，在輸入回路中，必將在靜態(tài)值的基礎(chǔ)上產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的基極電流ib；當(dāng)然，在輸出回路就可得到動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)電壓uO，從而實(shí)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(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，并作為輸出的能源。對(duì)于晶體管放大電路，電源的機(jī)型和大小應(yīng)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(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管放大電路，電源的極性和大小應(yīng)為場(chǎng)效應(yīng)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(dāng)，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(hào)必須能夠作用于放大管的輸入回路。對(duì)于晶體管，輸入信號(hào)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(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管，輸入信號(hào)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(hào)。⑷ 當(dāng)負(fù)載接入時(shí)，必須保證放大管輸出回路的動(dòng)態(tài)電流（晶體管的ΔiC或場(chǎng)效應(yīng)管的ΔiD）能夠作用于負(fù)載，從而使負(fù)載獲得比輸入信號(hào)大得多的信號(hào)電流或信號(hào)電壓。在本次設(shè)計(jì)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(hào)一般不直接給可控硅門極施壓，要通過一個(gè)變壓器給可控硅提供門極觸發(fā)脈沖信號(hào)，變壓器可以對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)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(jìn)行電磁隔離。另外，考慮到觸發(fā)脈沖的下降沿時(shí)，變壓器一次側(cè)電流不可能突變?yōu)榱悖€需要與一次側(cè)繞組并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)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(hào)作為放大電路的輸入信號(hào)從NPN型三極管的基極輸入，脈沖信號(hào)進(jìn)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(jié)反向偏置，保證了晶體管工作在放大狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的放大。電容CC2為濾波電容，可以減小電源波動(dòng)對(duì)電路系統(tǒng)的影響。變壓器T作為電磁隔離，它的一次側(cè)并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，當(dāng)輸入脈沖信號(hào)從高電平變?yōu)榈碗娖?，變壓器一次?cè)繞組由于電感作用，電流不會(huì)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(gè)輸出端與兩個(gè)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(gòu)成了整個(gè)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(duì)可控硅進(jìn)行觸發(fā)導(dǎo)通。脈沖信號(hào)由TCA785芯片及相關(guān)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(wù)，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(wù)。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(shí)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(hào)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(hào)與被調(diào)工頻電壓的同步。只有信號(hào)同步，輸出觸發(fā)脈沖才能在相應(yīng)的時(shí)刻控制可控硅導(dǎo)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(duì)主電路的MATLAB仿真 MATLAB仿真簡(jiǎn)介及在電力電子系統(tǒng)中的應(yīng)用MATLAB是集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算、及圖形處理等強(qiáng)大功能于一體的科學(xué)計(jì)算工具，作為強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算平臺(tái)，它幾乎可以滿足所有的計(jì)算要求。另外，MATLAB還針對(duì)許多專門的領(lǐng)域開發(fā)出了功能強(qiáng)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(lǐng)域的專家開發(fā)出來的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的模型而不需要自己編寫代碼。當(dāng)今社會(huì)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(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最基本要求，模型化、模塊化以及動(dòng)態(tài)仿真是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)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(gè)工具軟件之一。MATLAB提供的Simulink仿真軟件實(shí)際上提供了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的建模與動(dòng)態(tài)仿真的圖形用戶環(huán)境，并且憑借MATLAB在科學(xué)計(jì)算上的強(qiáng)大功能，建立了從設(shè)計(jì)構(gòu)思到最終要求的可視化橋梁，大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，特別對(duì)于復(fù)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(dòng)畫的處理方法，使用戶可以方便地觀察到仿真的整個(gè)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(biāo)準(zhǔn)格式寫成用戶自己定義的功能模塊，其擴(kuò)充性非常強(qiáng)。在對(duì)電力電子系統(tǒng)進(jìn)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(jī)等系統(tǒng)的仿真和分析，功能十分強(qiáng)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(xué)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(duì)本次設(shè)計(jì)的移相控制可控硅調(diào)壓的主電路進(jìn)行仿真分析，并得出仿真結(jié)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(fù)載為阻性負(fù)載。通過設(shè)定各個(gè)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(jì)算機(jī)仿真包含三項(xiàng)基本活動(dòng)：1）建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；2）建立系統(tǒng)的仿真模型（又稱二次建模），即設(shè)計(jì)算法并轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)仿真模型；3）運(yùn)行仿真模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，再根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)一步修正系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。在這些活動(dòng)中，尤其要注意一下兩個(gè)步驟：1） 建立可控硅調(diào)壓主電路的數(shù)學(xué)模型，及輸出與輸入。經(jīng)過計(jì)算，得出本設(shè)計(jì)中可控硅 圖41 可控硅調(diào)壓電路調(diào)壓電路的數(shù)學(xué)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(shè)定元器件的選擇和參數(shù)的設(shè)定是電路仿真的關(guān)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(hào)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(shè)置負(fù)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(shè)定，其周期必須與交流電壓源的周期相一致，在phase delay中設(shè)定不同的導(dǎo)通時(shí)刻，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電壓的相位調(diào)壓。 仿真模型建立及仿真結(jié)果分析仿真模型如圖42所示。在設(shè)定完各元器件參數(shù)后即可開始運(yùn)行仿真模型。圖42 可控硅調(diào)壓電路仿真模型從仿真結(jié)果上可以看出，隨著的逐漸增大，負(fù)載電阻上的電壓有效值逐漸減小。因此，本調(diào)壓電路對(duì)電阻性負(fù)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(shí)的電壓電流波形（電阻負(fù)載）圖44 串聯(lián)RLC支路在60176。調(diào)壓角時(shí)的電壓電流波形（電阻負(fù)載）電路模型的仿真結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果完全吻合。通過對(duì)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(hù)一個(gè)完整的模型，評(píng)估不同的算法和結(jié)構(gòu)并驗(yàn)證系統(tǒng)性能。應(yīng)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(duì)于教學(xué)和個(gè)人學(xué)習(xí)有很大幫助，而且對(duì)于移相可控硅交流調(diào)壓電路的研究具有巨大的推動(dòng)作用和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。結(jié) 論現(xiàn)代電力電子技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件、綜合自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)(微處理器)技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交叉技術(shù)。當(dāng)前，電力電子技術(shù)在節(jié)能、節(jié)材、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)上，正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。電力電子技術(shù)主要用于電力交換，對(duì)市電或強(qiáng)電進(jìn)行控制與變換。其作用就是根據(jù)負(fù)荷和負(fù)載的特殊要求，對(duì)市電、強(qiáng)電進(jìn)行各種形式的變換，以使電氣設(shè)備得到最佳的電能供給，使電力系統(tǒng)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，從而使電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效、安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行?？煽毓枵{(diào)壓技術(shù)正是電力電子在電力交換上的一種應(yīng)用，鑒于可控硅交流調(diào)壓技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn)（控制開關(guān)可靠、電壓穩(wěn)定、供電可靠、無接觸點(diǎn)、使用壽命長(zhǎng)，容易實(shí)現(xiàn)交流斷電相位控制等優(yōu)點(diǎn)），它在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，尤其是工程工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。因此其性能的好壞將直接關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)中供電系統(tǒng)的正常工作，由此，對(duì)可控硅交流調(diào)壓技術(shù)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(shù)的重要作用，以磁粉檢測(cè)中周向磁化電源裝置為研究對(duì)象，在電力電子調(diào)壓技術(shù)的理論基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)計(jì)。主電路的主要元器件是可控硅模塊、RC保護(hù)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(hù)作用外，另外兩個(gè)都是調(diào)壓元器件。其中，降壓變壓器的變比結(jié)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(gè)脈沖放大電路，主要作用是對(duì)輸出脈沖進(jìn)行放大，還有與主電路進(jìn)行電磁隔離的功能。隨著各種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷的改進(jìn)，對(duì)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(gè)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(fù)雜。因此為了簡(jiǎn)化觸發(fā)電路，可以用一個(gè)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(gè)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(jiǎn)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(cè)中周向磁化電源裝置為研究對(duì)象，因此最終輸出的電流為交流磁化電流。隨著新技術(shù)的發(fā)展和新理論的進(jìn)步，出現(xiàn)了新的磁化電流技術(shù)，低頻磁化電流是一種新的磁力探測(cè)方法，它突破了目前磁粉探傷只能探測(cè)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(diǎn)，根據(jù)趨膚效應(yīng)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(dòng)電流，它能使磁粉行列輕微的振動(dòng)，有助于磁粉的排列并形成磁痕，同時(shí)低頻電流又具有交流電的特點(diǎn)，探傷后不用退磁。因此，以后磁粉探傷中低頻磁化電流會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，促進(jìn)了器件電路及其控制技術(shù)向著集成化、高頻化、全控化、電路弱電化、控制技術(shù)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(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展，新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會(huì)開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。