三相交交變頻電路設(shè)計與仿真_1575

1、安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院課程教學(xué)實習(xí)（設(shè)計）總結(jié)實習(xí)內(nèi)容：三相 AC-AC變頻器的仿真設(shè)計實習(xí)地點：力行樓 5 樓電力電子實驗室實習(xí)時間：2015 學(xué)年第 1 學(xué)期第 15專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：1332015年12月11日1/22組員姓名學(xué)號承擔(dān)的主要工作成績單相和三相變頻主電*路的建模設(shè)計及封裝，撰寫論文邏輯無環(huán)流控制器*（DLC）的建模設(shè)計及封裝同步電源及六脈沖觸*發(fā)電路建模設(shè)計查閱資料和相關(guān)參數(shù)*的設(shè)置及調(diào)整2/22電力電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計目的1、培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識解決問題的能力與實際動手能力；2、加深理解電力電子技術(shù)課程的基本理論；3、初步掌握電力電子電路的設(shè)

2、計方法。二、設(shè)計題目和內(nèi)容（一）設(shè)計題目三相 AC-AC變頻器的仿真設(shè)計（二）設(shè)計內(nèi)容要求：1 、利用 MATLAB仿真設(shè)計三相交 - 交變頻器仿真模型；2、對單相交 - 交變頻電路子系統(tǒng)進行建模與封裝；3、將三個單相交 - 交變頻組合設(shè)計成三相交- 交變頻器；4、給出輸出頻率 f=10Hz、25HZ時的仿真波形。三、設(shè)計報告撰寫要求1設(shè)計任務(wù)書2設(shè)計方案3主電路圖4驅(qū)動電路和保護電路圖5電路參數(shù)計算及元器件選擇清單6主電路和驅(qū)動電路工作原理分析7主要節(jié)點電壓和電流波形8參考文獻四、考核方式1、課程設(shè)計任務(wù)書中的內(nèi)容；2、寫出課程設(shè)計報告；3、指導(dǎo)教師檢查設(shè)計電路的完成情況；4、驗收時由指導(dǎo)教

3、師指定1名學(xué)生敘述設(shè)計內(nèi)容、自己所做的工作，實事求事地回答指導(dǎo)教師提出的問題。根據(jù)以上四項內(nèi)容和學(xué)生在課程設(shè)計過程中的工作態(tài)度按五級記分制（優(yōu)、良、中、及格、不及格）給出成績。指導(dǎo)教師： *3/22摘要：本文首先以三相輸入單相輸出的交交變頻電路為例介紹了交交變頻電路的工作原理，接著以余弦交點法為例詳細分析了交交變頻電路的觸發(fā)控制方法。最后利用MATLAB仿真設(shè)計了三相交 - 交變頻器仿真模型，其中包括對單相交 - 交變頻電路子系統(tǒng)進行建模與封裝、將三個單相交 - 交變頻組合設(shè)計成三相交 - 交變頻器、給出輸出頻率 f=10Hz、 25HZ 時的仿真波形。關(guān)鍵詞： 交交變頻；余弦交點法；MATL

4、AB仿真模型引言：交交變頻器是通過電力電子電路的開關(guān)控制，而不通過中間直流環(huán)節(jié)，只需通過一次變換把工頻交流電直接變換成不同頻率的交流電的交流電路，利用兩組整流電路的輸出電壓分別構(gòu)成正弦波的正負半波可以實現(xiàn)由一種頻率的交流電到另一種頻率的交流電的變換，這樣的電路稱為晶閘管移相控制交交直接變頻電路，也稱周波變流器。周波變流器一般采用晶閘管作為功率開關(guān)器件，適合于大功率電機調(diào)速的應(yīng)用場合。一、單相交交變頻電路1、單相交交變頻電路的工作原理交-交變頻器依據(jù)相位控制角 的不同規(guī)律， 其輸出可獲得正弦波、 方波和梯形波， 這里的交 -交變頻器是根據(jù)相位控制角 按余弦規(guī)律變化得到正弦波。由晶閘管組成的三相輸

5、入單相輸出的交交變頻電路，電路由P 組（正組）和 N 組（反組）晶閘管相控整流電路反并聯(lián)組成。如圖所示：4/22這里以阻感性負載為例來分析單相交交變頻電路的工作狀態(tài)，分析時忽略輸出電壓和電流中的高次諧波，并設(shè)電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。為了避免兩組整流電路間產(chǎn)生環(huán)流，我們在任何時候只讓一組整流電路工作，即給某一組整流電路施加觸發(fā)脈沖時，封鎖另一組整流電路的觸發(fā)脈沖。當(dāng)正組P 整流工作時，負載 Z 的電流方向向下； 當(dāng)反組 N 整流工作時， 負載 Z 的電流方向向上。 讓兩組整流電路一一定頻率交替工作，則負載Z 上就得到了該頻率的交流電，改變切換頻率，就可以改變交流電的頻率。（ 1）輸出正弦波形的獲得方法

6、為了使負載上得到的輸出電壓 U 0 的波形接近正弦波，可以按正弦規(guī)律對觸發(fā)角 進行控制，在正組橋 P 整流工作時，設(shè)法使控制角 P 由大到小再變大去控制正組晶閘管，如從0，必然引起輸出的平均電壓由低到高再到低的變化，即獲得正組整流電壓；22正組橋 P 逆變工作時，使控制角P 由小變大再變小，如從，就可獲得平均值22可變的正組逆變電壓；反組橋N 整流工作時，使控制角N 由大變小再變大，如從5/220，就獲得平均值可變的反組整流電壓；反組橋N 逆變工作時，使控制角N 由22小變大再變小， 如從，就獲得平均值可變的反組逆變電壓。只要電網(wǎng)頻率相對22輸出頻率高出很多倍，就能得到由低到高，再由高到低接近

7、正弦波規(guī)律變化的交流輸出。如果改變P ，N 的變化范圍，使它們在0范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，輸出平均電壓正弦波幅值2也會改變，從而達到調(diào)壓目的。而能實現(xiàn)這樣輸出電壓平均值為正弦的變化規(guī)律，通常采用的是余弦交點法。其移相控制角 的變化規(guī)律應(yīng)使整流輸出電壓的瞬時值最接近于理想正弦電壓的瞬時值，即整流輸出電壓瞬時值與所期望正弦電壓的瞬時值相等。設(shè)交交變頻電路期望輸出的交流電壓波形為已知的正弦波，其表達式為：vo Vom sinot（ 1）整流輸出電壓瞬時值由整流組P 和整流組 N 切換提供，各整流組輸出電壓瞬時值為：vPVDm cos P ； vNVDm cos N（2）VDm ：整流組所能輸出的最高直流電壓。當(dāng)

8、 P 組開放時， vovP ，即Vom sintVDm cos P當(dāng) N 組開放時， vovN ，即Vom sintVDm cos N則可得到：VomPa r c c o s s i n ta r c c Ko s i n (P )VDmNarccosVom sin tarccosK sintPVDm其中 KVom ，稱為輸出變壓比。VDo（3）（4）（5）（6）上述式子就是利用余弦交點法求變流電路控制角的基本公式6/22（ 2）電路的工作狀態(tài)分析：I.反組逆變：在此時間段期間，vo0，0，反組N工作，正組P被封鎖，形成負的負載電流i N，io反組相控角工作在NP 有源逆變狀態(tài)，負載回饋電能給

9、 N 組回路。II.正組整流：在此時間段期間， vo0，i o0 ，正組 P 工作，反組 N 被封鎖，形成正的負載電流 iP ，正組相控角工作在P 正組整流狀態(tài)， P 組電路輸出功率。III.正組逆變：在此時間段期間， vo0，io0 ，正組 P 工作，反組 N 被封鎖，形成正的負載電流 iP ,正組相控角工作在P 正組逆變狀態(tài)，負載回饋電能給 P 組回路。IV.反組整流：在此時間段期間， vo0，io0 ，反組 N 工作，正組 P 被封鎖，形成負的負載電流 i N ,負組相控角工作在NP 反組整流狀態(tài)， N 組電路輸出功率?？梢姡诮M感性負載輸出電壓的一個周期內(nèi)交交變頻電路有四種工作狀態(tài)，那

10、組變流電路工作取決于負載電流的方向，而該組變流電路的工作狀態(tài)取決于負載電壓和負載電流的方向是否一致，二者方向一致工作在整流，方向相反工作在逆變。輸出電流的過零點是P 組和 N 組工作的切換時刻，輸出電壓的過零點是整流狀態(tài)切換到逆變狀態(tài)的切換時刻。7/222、單相交交變頻器的建模與仿真（ 1）單相交交變頻器的控制原理及電路結(jié)構(gòu)如下：三相電源正組變流器負反組變流器載6 觸發(fā)脈沖電路6 脈沖觸發(fā)電路邏輯無環(huán)流控制移相角控制電路電路 DLC期望頻率和幅值的正弦波（參考波形）（ 2）相關(guān)子系統(tǒng)模塊：同步電源與 6 脈沖觸發(fā)器1同步電源與 6 脈沖觸發(fā)器模塊包括同步電源和 6脈沖觸發(fā)器兩個部分， 6 脈沖

11、觸發(fā)器需要與三相線電壓同步，同步電源是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。同步 6 脈沖觸發(fā)器模塊用于觸發(fā)三相全控整流橋的6 個晶閘管，模塊如圖：A、輸入與輸出：（ I）alpha_deg:8/22移相控制角信號輸入端，單位為度，該輸入端可與“常數(shù)”模塊相連，也可與控制系統(tǒng)中的控制器輸出端相連，從而對觸發(fā)脈沖進行移相控制。（ II）AB 、BC 、 CA:同步電壓 VAB , VBC ,VCA 輸入端，同步電壓就是連接到整流橋的三相交流電壓的線電壓。（ III） Block ：觸發(fā)器模塊的使能端，用于對觸發(fā)器模塊的開通與封鎖操作。當(dāng)施加0 信號時，觸發(fā)器被打開，當(dāng)施加大于0 的信號時，觸發(fā)脈沖

12、被封鎖。（ IV） pulses:輸出為一個 6 維脈沖，包含 6 個觸發(fā)脈沖。B、參數(shù)設(shè)置：2 邏輯無環(huán)流控制器（ DLC）A、邏輯無環(huán)流控制器DLC的工作原理邏輯無環(huán)流控制器DLC模塊任務(wù)是在正組P 工作時開放正組脈沖，封鎖反組脈沖；在反組 N 工作時開放反組脈沖，封鎖正組脈沖。邏輯控制器的輸出信號U F 和 U R 分別通過 6脈沖觸發(fā)器來控制是否產(chǎn)生和封鎖觸發(fā)脈沖，輸出信號 U F 和 U R 的狀態(tài)必須始終保持相反，以保證兩組整流電路不會同時處于工作狀態(tài)。邏輯控制器的兩個輸入信號U和I是邏輯控制器判別改變輸出信號狀態(tài)的重要條件，其中輸入信號 U 是由輸入電壓的極性來決定，輸入信號 I

13、 是由輸入電流是否過零點來決定。B、邏輯無環(huán)流控制器的建模與封裝：9/225ms 。發(fā)出切換指令后，邏輯控制器由電平檢測、邏輯判斷、延時電路和連鎖保護電路四個部分組成。1電平檢測電平檢測是將輸入模擬信號（U , I ）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（ U T ,U I ），轉(zhuǎn)換由兩個滯環(huán)控制模塊（ Realy）實現(xiàn)，轉(zhuǎn)換原則：轉(zhuǎn)換極性檢測：當(dāng) U0時， UT1；當(dāng) U0時， UT0；零電流檢測：當(dāng)電流I 不為零時， U I0 ，當(dāng)電流 I 為零時， U I0。電路如圖：2邏輯判斷電路邏輯判斷電路由與非門組成，其輸入為電流給定極性信號和零電流信號（U T ， U i ），輸出為邏輯切換信號（ U F ， U R

14、 ），當(dāng) U T 由正變負時，開放正組，封鎖反組。當(dāng) U T 由負變正時，開放反組，封鎖正組。通過零電流檢測信號 U I 檢測主回路電流是否下降到零，避免環(huán)流的出現(xiàn)，保證系統(tǒng)安全可靠運行。 DLC的輸出 U F 和 U R 邏輯關(guān)系為：UT UFUR(UTUI )（7）UR UF (UTUI )UI（8）電壓信號極性和電流檢測信號共同發(fā)出換組指令，當(dāng)電壓信號改變極性時，查詢零電流檢測信號，只有當(dāng)檢測到零電流時，才允許封鎖原工作組開放另一組。3延時電路邏輯判斷電路發(fā)出切換指令后還不能立即改變整流器的工作狀態(tài)。 由于輸入端是 50Hz 的交流信號，所以主回路中的晶閘管管壓降也是交流信號，存在自然過

15、零點，在檢測到電流為零時并不一定真正為零；同樣，為了保證截止的整流器能夠恢復(fù)阻斷狀態(tài)，也需要整流器延時一段時間再開放，但不能延時過長，否則將造成輸出的低頻波死區(qū)過長，波形畸變變大，諧波增加。因此，設(shè)置關(guān)斷延時t12ms ，開放延時 t 2必須先經(jīng)過關(guān)斷延時封鎖原導(dǎo)通脈沖，再經(jīng)過開放延時才能開放另一組脈沖。無論在任何情況下，兩組晶閘管絕不允許同時加觸發(fā)脈沖，當(dāng)一組工作時，另一組的觸發(fā)脈沖必須被封鎖住，否則會出現(xiàn)短路。關(guān)斷延時和開放延時由邏輯控制器中的延時電路產(chǎn)生。電路如圖：10/22將其封裝后如圖：4連鎖保護電路為了保護正反兩組整流器不會發(fā)生同時開放，邏輯控制器中由與非門組成了連鎖保護電路，采用

16、與非門是因為輸出U F 和 U R 的電平與觸發(fā)單元Block 端的電平要求一致。在 U F和 U R 同時為“ 1”時，兩組整流器都關(guān)斷，避免發(fā)生整流器短路故障。將以上各部分按功能要求連接，就可得到 DLC仿真模型如圖：封裝后的子系統(tǒng)如圖：11/22邏輯無環(huán)流控制器（ DLC）控制原理和輸入輸出邏輯關(guān)系見下表：12/22邏輯控制器輸入數(shù)字信號邏輯控制器輸出（模擬信號）（邏輯切換信號）電壓轉(zhuǎn)換零電流檢正組整流器反組整流器說明輸入電壓輸入電流極性檢測信號 U信號 I信號 UT測信號 UIP（UF）N（U R）反組到正組U0I01101U為正，I0,反組向正組切換整組整整組P流工作 ,反組 N阻斷

17、整組逆變正組到反組反組整反組N流工作，正組 P阻斷反組逆變U0I01001U0I00001U0I00110U0I00010U0I01010U 和 I 均為正，正組整流，輸出功率為正U 反向， I 仍為正，正組逆變，輸出功率為負U 為負， I0 ，正組向反組切換U 和 I 均為負，反組整流，輸出功率為正U 反向， I 仍為負，反組逆變，輸出功率為負13/22因給定信號是正弦信號，而移相控制角為0，所以要將給定信號通過反余弦函數(shù)變換為0的角度，單位是弧度，再用180 的放大器將以弧度為單位的角度變?yōu)橐远葹閱挝坏慕嵌?，兩路移相控制角相位關(guān)系還要滿足PN180 ，從而滿足控制要求。為了將仿真結(jié)果與給定

18、信號對比，給定電流計算為I2.34U 2c o sR（9）其中 U2U m100 V , R 1 ,（交流電源，工頻、幅值 U m100V ）。223 移相角控制電路：根據(jù)前面對余弦交點法的介紹，可在 simulink 中設(shè)計出移相角控制電路，按規(guī)律改變正反組變流電路的相控角。仿真電路如圖：（3）單相交交變頻電路仿真主電路如圖：14/22封裝后的子系統(tǒng)如圖：（4）主電路外接負載和給定波形信號及檢測仿真電路圖如圖：15/22（5）相關(guān)參數(shù)設(shè)置及波形圖：1 負載參數(shù)設(shè)置：負載電阻 R1， L0.001H 。2 正弦調(diào)制波參數(shù)：A.變頻器輸出頻率f10 Hz 時，正弦波調(diào)整參數(shù)設(shè)置：B.變頻器輸出頻率f25 Hz 時，正弦波調(diào)整參數(shù)設(shè)置：16/22變頻器輸出頻率 f 10 Hz 時 ,幅值為 20，角頻率為 20 （ rad s ），初相位為 0，仿真結(jié)果如圖：17/22變頻器輸出頻率 f 25Hz 時 ,幅值為 20，角頻率為 50 （ rad s ），初相位為 0，仿真結(jié)果如圖：二、三相交交變頻器的建模與仿真1、三相交交變頻器的建模：大容量三相交交變頻器通常采用 Y 形連接方式，即將 3 個單相輸出交交變頻器的一個輸出端連在一起，另一個輸出端 Y 輸出。三相交交變頻