三相交交變頻電路設(shè)計(jì)與仿真

1、安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院課程教學(xué)實(shí)習(xí)（設(shè)計(jì)）總結(jié) 實(shí)習(xí)內(nèi)容： 三相AC-AC變頻器的仿真設(shè)計(jì) 實(shí)習(xí)地點(diǎn)： 力行樓5樓電力電子實(shí)驗(yàn)室 實(shí)習(xí)時(shí)間： 2015 學(xué)年第 1 學(xué)期第 15 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 133 2015年12月11日組員姓名學(xué)號(hào)承擔(dān)的主要工作成績(jī)*單相和三相變頻主電路的建模設(shè)計(jì)及封裝，撰寫論文*邏輯無(wú)環(huán)流控制器（DLC）的建模設(shè)計(jì)及封裝*同步電源及六脈沖觸發(fā)電路建模設(shè)計(jì)*查閱資料和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置及調(diào)整電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)目的1、培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力與實(shí)際動(dòng)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

2、的設(shè)計(jì)方法。二、設(shè)計(jì)題目和內(nèi)容（一）設(shè)計(jì)題目三相AC-AC變頻器的仿真設(shè)計(jì)（二） 設(shè)計(jì)內(nèi)容要求： 1、利用MATLAB仿真設(shè)計(jì)三相交-交變頻器仿真模型；2、對(duì)單相交-交變頻電路子系統(tǒng)進(jìn)行建模與封裝；3、將三個(gè)單相交-交變頻組合設(shè)計(jì)成三相交-交變頻器；4、給出輸出頻率f=10Hz、25HZ時(shí)的仿真波形。三、設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫要求1設(shè)計(jì)任務(wù)書2設(shè)計(jì)方案3主電路圖4驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路圖5電路參數(shù)計(jì)算及元器件選擇清單6主電路和驅(qū)動(dòng)電路工作原理分析7主要節(jié)點(diǎn)電壓和電流波形8參考文獻(xiàn)四、考核方式1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書中的內(nèi)容；2、寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告；3、指導(dǎo)教師檢查設(shè)計(jì)電路的完成情況；4、驗(yàn)收時(shí)由指導(dǎo)教師指定1名學(xué)生

3、敘述設(shè)計(jì)內(nèi)容、自己所做的工作，實(shí)事求事地回答指導(dǎo)教師提出的問題。根據(jù)以上四項(xiàng)內(nèi)容和學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中的工作態(tài)度按五級(jí)記分制（優(yōu)、良、中、及格、不及格）給出成績(jī)。 指導(dǎo)教師：* 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(diǎn)法為例詳細(xì)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(jì)了三相交-交變頻器仿真模型，其中包括對(duì)單相交-交變頻電路子系統(tǒng)進(jìn)行建模與封裝、將三個(gè)單相交-交變頻組合設(shè)計(jì)成三相交-交變頻器、給出輸出頻率f=10Hz、25HZ時(shí)的仿真波形。關(guān)鍵詞：交交變頻；余弦交點(diǎn)法；MATLAB仿真模型引言：交交變頻器是通過電力電

4、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(fù)半波可以實(shí)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(jī)調(diào)速的應(yīng)用場(chǎng)合。1、 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入單相輸出的交交變頻電路，電路由P組（正組）和N

5、組（反組）晶閘管相控整流電路反并聯(lián)組成。如圖所示： 這里以阻感性負(fù)載為例來(lái)分析單相交交變頻電路的工作狀態(tài)，分析時(shí)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?cè)谌魏螘r(shí)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(shí)，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(shí)，負(fù)載Z的電流方向向下；當(dāng)反組N整流工作時(shí)，負(fù)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(fù)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 為了使負(fù)載上得到的輸出電壓的波形接近正弦波，可以按正弦規(guī)律對(duì)觸發(fā)角進(jìn)行控制，在

6、正組橋P整流工作時(shí)，設(shè)法使控制角由大到小再變大去控制正組晶閘管，如從，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；正組橋P逆變工作時(shí)，使控制角由小變大再變小，如從，就可獲得平均值可變的正組逆變電壓；反組橋N整流工作時(shí)，使控制角由大變小再變大，如從，就獲得平均值可變的反組整流電壓；反組橋N逆變工作時(shí)，使控制角由小變大再變小，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(duì)輸出頻率高出很多倍，就能得到由低到高，再由高到低接近正弦波規(guī)律變化的交流輸出。如果改變 ，的變化范圍，使它們?cè)?范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，輸出平均電壓正弦波幅值也會(huì)改變，從而達(dá)到調(diào)壓目的。而能實(shí)現(xiàn)這樣輸出電壓平均值為

7、正弦的變化規(guī)律，通常采用的是余弦交點(diǎn)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(shí)值最接近于理想正弦電壓的瞬時(shí)值，即整流輸出電壓瞬時(shí)值與所期望正弦電壓的瞬時(shí)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(dá)式為： （1）整流輸出電壓瞬時(shí)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(shí)值為： ； （2）：整流組所能輸出的最高直流電壓。當(dāng)P組開放時(shí)，即 （3）當(dāng)N組開放時(shí)，即 （4）則可得到： （5） （6） 其中，稱為輸出變壓比。上述式子就是利用余弦交點(diǎn)法求變流電路控制角的基本公式（2）電路的工作狀態(tài)分析： I.反組逆變：在此時(shí)間段期間，反組N工作，正組P被封鎖，形成負(fù)的負(fù)

8、載電流，反組相控角工作在有源逆變狀態(tài)，負(fù)載回饋電能給N組回路。II.正組整流：在此時(shí)間段期間，正組P工作，反組N被封鎖，形成正的負(fù)載電流，正組相控角工作在正組整流狀態(tài)，P組電路輸出功率。III.正組逆變：在此時(shí)間段期間，正組P工作，反組N被封鎖，形成正的負(fù)載電流,正組相控角工作在正組逆變狀態(tài)，負(fù)載回饋電能給P組回路。IV.反組整流：在此時(shí)間段期間，反組N工作，正組P被封鎖，形成負(fù)的負(fù)載電流,負(fù)組相控角工作在反組整流狀態(tài)，N組電路輸出功率。可見，在組感性負(fù)載輸出電壓的一個(gè)周期內(nèi)交交變頻電路有四種工作狀態(tài)，那組變流電路工作取決于負(fù)載電流的方向，而該組變流電路的工作狀態(tài)取決于負(fù)載電壓和負(fù)載電流的方向

9、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(diǎn)是P組和N組工作的切換時(shí)刻，輸出電壓的過零點(diǎn)是整流狀態(tài)切換到逆變狀態(tài)的切換時(shí)刻。2、 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 反組變流器負(fù)載正組變流器6脈沖觸發(fā)電路6觸發(fā)脈沖電路邏輯無(wú)環(huán)流控制電路DLC移相角控制電路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(gè)部分，6脈沖觸發(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(gè)晶閘

10、管，模塊如圖： A、輸入與輸出：（I）alpha_deg:移相控制角信號(hào)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(duì)觸發(fā)脈沖進(jìn)行移相控制。（II）AB、BC、CA:同步電壓,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(duì)觸發(fā)器模塊的開通與封鎖操作。當(dāng)施加0信號(hào)時(shí)，觸發(fā)器被打開，當(dāng)施加大于0的信號(hào)時(shí)，觸發(fā)脈沖被封鎖。（IV）pulses:輸出為一個(gè)6維脈沖，包含6個(gè)觸發(fā)脈沖。B、參數(shù)設(shè)置： 邏輯無(wú)環(huán)流控制器（DLC）A、邏輯無(wú)環(huán)流控制器DLC的工作原理邏輯無(wú)環(huán)流控制器DLC模塊任務(wù)是在正組P工

11、作時(shí)開放正組脈沖，封鎖反組脈沖；在反組N工作時(shí)開放反組脈沖，封鎖正組脈沖。邏輯控制器的輸出信號(hào)和分別通過6脈沖觸發(fā)器來(lái)控制是否產(chǎn)生和封鎖觸發(fā)脈沖，輸出信號(hào)和的狀態(tài)必須始終保持相反，以保證兩組整流電路不會(huì)同時(shí)處于工作狀態(tài)。邏輯控制器的兩個(gè)輸入信號(hào)和是邏輯控制器判別改變輸出信號(hào)狀態(tài)的重要條件，其中輸入信號(hào)是由輸入電壓的極性來(lái)決定，輸入信號(hào)是由輸入電流是否過零點(diǎn)來(lái)決定。B、邏輯無(wú)環(huán)流控制器的建模與封裝：邏輯控制器由電平檢測(cè)、邏輯判斷、延時(shí)電路和連鎖保護(hù)電路四個(gè)部分組成。電平檢測(cè)電平檢測(cè)是將輸入模擬信號(hào)（,）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（,），轉(zhuǎn)換由兩個(gè)滯環(huán)控制模塊（Realy）實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換原則：轉(zhuǎn)換極性檢測(cè)：當(dāng)時(shí)，

12、；當(dāng)時(shí)，；零電流檢測(cè)：當(dāng)電流不為零時(shí)，當(dāng)電流為零時(shí)，。電路如圖： 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(hào)和零電流信號(hào)（，），輸出為邏輯切換信號(hào)（，），當(dāng)由正變負(fù)時(shí)，開放正組，封鎖反組。當(dāng)由負(fù)變正時(shí)，開放反組，封鎖正組。通過零電流檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)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(yùn)行。DLC的輸出和邏輯關(guān)系為： （7） （8）電壓信號(hào)極性和電流檢測(cè)信號(hào)共同發(fā)出換組指令，當(dāng)電壓信號(hào)改變極性時(shí)，查詢零電流檢測(cè)信號(hào)，只有當(dāng)檢測(cè)到零電流時(shí)，才允許封鎖原工作組開放另一組。延時(shí)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

13、號(hào)，所以主回路中的晶閘管管壓降也是交流信號(hào)，存在自然過零點(diǎn)，在檢測(cè)到電流為零時(shí)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(shí)一段時(shí)間再開放，但不能延時(shí)過長(zhǎng)，否則將造成輸出的低頻波死區(qū)過長(zhǎng)，波形畸變變大，諧波增加。因此，設(shè)置關(guān)斷延時(shí)，開放延時(shí)。發(fā)出切換指令后，必須先經(jīng)過關(guān)斷延時(shí)封鎖原導(dǎo)通脈沖，再經(jīng)過開放延時(shí)才能開放另一組脈沖。無(wú)論在任何情況下，兩組晶閘管絕不允許同時(shí)加觸發(fā)脈沖，當(dāng)一組工作時(shí)，另一組的觸發(fā)脈沖必須被封鎖住，否則會(huì)出現(xiàn)短路。關(guān)斷延時(shí)和開放延時(shí)由邏輯控制器中的延時(shí)電路產(chǎn)生。電路如圖： 將其封裝后如圖： 連鎖保護(hù)電路 為了保護(hù)正反兩組整流器不會(huì)發(fā)生同時(shí)開放

14、，邏輯控制器中由與非門組成了連鎖保護(hù)電路，采用與非門是因?yàn)檩敵龊偷碾娖脚c觸發(fā)單元Block端的電平要求一致。在和同時(shí)為“1”時(shí)，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： 邏輯無(wú)環(huán)流控制器（DLC）控制原理和輸入輸出邏輯關(guān)系見下表：邏輯控制器輸入（模擬信號(hào)）數(shù)字信號(hào)邏輯控制器輸出（邏輯切換信號(hào)）說(shuō)明輸入電壓信號(hào)輸入電流信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換極性檢測(cè)信號(hào)零電流檢測(cè)信號(hào)正組整流器P（）反組整流器N（）反組到正組1101為正，,反組向正組切換整組P工作,反組N阻斷整組整流1001和均為正，正組整流，輸出功率為正整組逆變 0001反向，

15、仍為正，正組逆變，輸出功率為負(fù)正組到反組0110為負(fù)，正組向反組切換反組N工作，正組P阻斷反組整流0010和均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正反組逆變1010反向，仍為負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù)因給定信號(hào)是正弦信號(hào)，而移相控制角為，所以要將給定信號(hào)通過反余弦函數(shù)變換為的角度，單位是弧度，再用的放大器將以弧度為單位的角度變?yōu)橐远葹閱挝坏慕嵌龋瑑陕芬葡嗫刂平窍辔魂P(guān)系還要滿足，從而滿足控制要求。為了將仿真結(jié)果與給定信號(hào)對(duì)比，給定電流計(jì)算為 （9）其中,（交流電源，工頻、幅值）。移相角控制電路：根據(jù)前面對(duì)余弦交點(diǎn)法的介紹，可在simulink中設(shè)計(jì)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

16、路如圖： （3）單相交交變頻電路仿真主電路如圖：封裝后的子系統(tǒng)如圖： （4）主電路外接負(fù)載和給定波形信號(hào)及檢測(cè)仿真電路圖如圖：（5）相關(guān)參數(shù)設(shè)置及波形圖：負(fù)載參數(shù)設(shè)置：負(fù)載電阻，。 正弦調(diào)制波參數(shù)：A.變頻器輸出頻率時(shí)，正弦波調(diào)整參數(shù)設(shè)置： B.變頻器輸出頻率時(shí)，正弦波調(diào)整參數(shù)設(shè)置： 變頻器輸出頻率時(shí),幅值為20，角頻率為（），初相位為0，仿真結(jié)果如圖：變頻器輸出頻率時(shí),幅值為20，角頻率為（），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(gè)單相輸出交交變頻器的一個(gè)輸出端連在一起，另一個(gè)輸出端Y輸出。三相交交變頻器仿真模型結(jié)構(gòu)圖如圖：負(fù)載為RL負(fù)載，負(fù)載采用Y連接，3根引出線與變頻器的3根輸出線對(duì)應(yīng)相連，移相控制心號(hào)為3個(gè)相位互差120度的正弦信號(hào)。三相交交變頻器仿真電路如圖：2、變頻器輸出頻率時(shí)：參數(shù)設(shè)置：角頻率為（），初相位參數(shù)設(shè)置分別為0（），（rad），。仿真結(jié)果如圖：3、變頻器輸出頻率時(shí)：參數(shù)設(shè)置：角頻率為，初相位參數(shù)設(shè)置分別為0，。仿真結(jié)果如圖：以上兩圖，光滑的波形為正弦調(diào)制波波形，非光滑的波形為三相交交變頻器輸出波形，仿真表明，三相交交變頻器的輸出波形接近于正弦調(diào)制波