三相交流調(diào)壓電路的MATLAB仿真

1、三相交流調(diào)壓電路的MATLAB仿真目錄一、電路的選定11.1單相交流調(diào)壓11.2 三相交流調(diào)壓的設(shè)計(jì)選擇1二、三相交流調(diào)壓電路的原理與分析2三、交流調(diào)壓電路觸發(fā)信號43.1單脈沖觸發(fā)方式43.2寬脈沖觸發(fā)方式6四、主電路器件的選擇7五、仿真系統(tǒng)的建立95.1.Simulink建模方法95.2.Simulink建模的步驟95.3.主電路的建模和參數(shù)設(shè)置105.4.三相交流電源的建模和參數(shù)設(shè)置115.5.晶閘管三相交流調(diào)壓器的建模115.6脈沖的設(shè)置125.7負(fù)載的設(shè)定13六、仿真結(jié)果13七、仿真結(jié)果分析15結(jié)束語16一、電路的選定1.1單相交流調(diào)壓所謂交流調(diào)壓就是將兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電

2、路中，在每半個周波內(nèi)通過控制晶閘管開通相位，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。下面是單相交流調(diào)壓電路圖1.1。圖1.1單相交流調(diào)壓電路正、負(fù)半周起始時刻（=0），均為電壓過零時刻。在時，對VT1施加觸發(fā)脈沖，當(dāng)VT1正向偏置而導(dǎo)通時，負(fù)載電壓波形與電源電壓波形相同；在時，電源電壓過零，因電阻性負(fù)載，電流也為零，VT1自然關(guān)斷。在時，對VT2施加觸發(fā)脈沖，當(dāng)VT2正向偏置而導(dǎo)通時，負(fù)載電壓波形與電源電壓波形相同；在時，電源電壓過零，VT2自然關(guān)斷。1.2 三相交流調(diào)壓的設(shè)計(jì)選擇根據(jù)單相交流調(diào)壓電路的原理，可設(shè)計(jì)三相交流調(diào)壓電路。常用的三相交流調(diào)壓線路有星型聯(lián)結(jié)，支路控制三角形聯(lián)結(jié)和中點(diǎn)控制三角形聯(lián)

3、結(jié)。其中星型聯(lián)結(jié)有分為三相三線和三相四線如圖1.2，1.3。三相四線時，相當(dāng)于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開120度工作，電流中有基波和奇次諧波。組成三相電路后，基波和3的整數(shù)倍以外的諧波在三相之中流動，不流過中性線。因此，中性線會有很大的3次諧波電流及其他3的整數(shù)倍次諧波電流，當(dāng)控制角=90°時，中性線電流甚至和各相電流的有效值接近。因此，選用三相三線連接效果更好。圖1.2三相三線圖1.3三相四線二、三相交流調(diào)壓電路的原理與分析三相交流調(diào)壓的電路有三相三線Y形連接、三相四線Y形連接、負(fù)載角型連接等形式，這其中性能最好、用得最多的三相三線Y形連接的調(diào)壓電路（見下圖）。下面以

4、圖2.1電阻負(fù)載為例說明其工作原理。圖2.1 三相交流調(diào)壓電路電路中由于沒有中性線，若要構(gòu)成電流，是電流流通，則至少要有兩相導(dǎo)通，因此在中，至少要有一相正向晶閘管與另外一相的反向晶閘管同時導(dǎo)通。要想保證電路能正常工作，能同時導(dǎo)通兩個晶閘管，要求采用寬脈沖或雙窄脈沖觸發(fā)電路；對于晶閘管的各觸發(fā)信號來說，它們之間應(yīng)嚴(yán)格的保持一定的相位關(guān)系，當(dāng)然它們必須與自己相應(yīng)的電源有著相同的相序，只有這樣才能保證輸出的是對稱的三相電壓。對圖2.1的調(diào)壓電路，要求A、B、C三相電路中正向晶閘管T1、T3、T5的觸發(fā)信號相位互差120°，反向晶閘管的觸發(fā)信號相位也互差120°，而同一相中反并聯(lián)的

5、兩個正、反向晶閘管的觸發(fā)脈沖相位應(yīng)互差180°，即各晶閘管觸發(fā)脈沖的序列應(yīng)按了T1、T2、T3、T4、T5、T6的次序，相鄰兩個晶閘管的觸發(fā)信號相位差為60°。如果把晶閘管換成二極管后可以看出，相電流和相電壓同相位，且相電壓過零時二極管開始導(dǎo)通，因此應(yīng)將控制角=0°的時刻選為電源相應(yīng)波形起始點(diǎn)，以此點(diǎn)作為觸發(fā)角的基準(zhǔn)點(diǎn)。在三相三線電路中，是靠線電壓來完成兩相之間的導(dǎo)通的，而相電壓落后線電壓30°，因此觸發(fā)角的移相范圍是0-150°。在任意時刻，電路可以根據(jù)晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)分為三種情況：一種是三相中每一相都有一個處于導(dǎo)通狀態(tài)，這時電源相電壓與負(fù)載相

6、電壓相等；另一種是三相中只有兩相導(dǎo)通，另一相不導(dǎo)通，這時導(dǎo)通相負(fù)載相電壓是電源線電壓的一半；第三種是三相晶閘管均不導(dǎo)通，這時負(fù)載電壓為零。根據(jù)任意時刻晶閘管導(dǎo)通的個數(shù)以及半個周波內(nèi)電流是否連續(xù)，可將0-150°的移相范圍分為如下三段：當(dāng)0°60°時，電路處在三相導(dǎo)通和兩相導(dǎo)通情況的交替狀態(tài)。每個晶閘管導(dǎo)通角為180°-。但=0時是一種特殊情況，一直是三個晶閘管導(dǎo)通。三相導(dǎo)通時，每相電阻電壓為相電壓；兩相導(dǎo)通時，導(dǎo)通相電阻電壓為導(dǎo)通兩相線電壓的一半，不導(dǎo)通相電阻電壓為零。當(dāng)60°90°時，因?yàn)槿我粫r刻都存在兩相是導(dǎo)通的，所以導(dǎo)通相電阻電

7、壓為導(dǎo)通兩相線電壓的一半；同上一樣，不導(dǎo)通相電阻電壓為零。每個晶閘管的導(dǎo)通角為120°。當(dāng)90°150°時，電路處于兩個晶閘管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)，每個晶閘管導(dǎo)通角為300°-2，而且這個導(dǎo)通角被分割為不連續(xù)的兩部分，在半周波內(nèi)形成兩個斷續(xù)的波頭。兩相導(dǎo)通時負(fù)載輸出電壓如前所述。三相都不通時，則三相負(fù)載電壓都為零當(dāng) >150°時，觸發(fā)脈沖不起作用，晶閘管不導(dǎo)通。從上面的分析我們可以看出：無論是負(fù)載電壓還是電流波形，交流調(diào)壓所輸出的都不是正弦波，并且當(dāng)角增大時，負(fù)載電壓相應(yīng)會逐漸變小，負(fù)載電流則開始出現(xiàn)斷續(xù)。當(dāng)帶電感性負(fù)載時，交流調(diào)

8、壓輸出的波形就不僅與有關(guān)，也與負(fù)載的有關(guān)，這時負(fù)載電流和負(fù)載電壓也不再同相了，其移相角范圍為-150°。三相三線交流調(diào)壓電路的電流中含有很多諧波。在進(jìn)行傅里葉分析后可知，其中所含諧波的次數(shù)為6k±1（k=1,2,3，），這和三相橋式全控整流電路交流側(cè)電流所含諧波次數(shù)的完全相同，而且也是諧波的次數(shù)越低，其含量越大。三相三線調(diào)壓電路由于其三相對稱的特性，并不含有3的整數(shù)次倍的諧波，它們不能流過三相三線電路。在阻感負(fù)載的情況下，=時，負(fù)載電流會達(dá)到最大值并且為正弦波，同短接晶閘管的情況相同，一般來說，電感大時，諧波電流的含量要小一些。三、交流調(diào)壓電路觸發(fā)信號晶閘管的觸發(fā)信號有單脈

9、沖、寬脈沖和雙觸沖三種。三相三線Y型調(diào)壓電路不能使用單脈沖觸發(fā)，只能使用大于 60°的寬脈沖或雙窄脈沖。下面分析一下：3.1單脈沖觸發(fā)方式：圖3.1三相交流調(diào)壓電路的單（窄）脈沖觸發(fā)示意圖若是三相四線型調(diào)壓電路，有N線與負(fù)載電路中性點(diǎn)連接，這樣每相就會同N線相連形成回路，實(shí)質(zhì)上電路相當(dāng)于三個單相調(diào)壓電路，但若去掉N線，變成三相三線，每相必須與另兩相構(gòu)成電流回路，才能保證電路繼續(xù)工作。此時，若A相擁有正的電壓而C相則為負(fù)的電壓，晶閘管VT1、VT2應(yīng)該同時在觸發(fā)信號的作用開通，形成由AVT1RL1RL3VT2C相的電流通路，單脈沖觸發(fā)，是無法滿足這個要求的，若使A相正半波觸發(fā)信號是在t

10、1時刻給出，相對應(yīng)C相負(fù)半波觸發(fā)信號在t2時刻給出。UA觸發(fā)脈沖出現(xiàn)時，A相與C相同時處于電壓極性為正的狀態(tài)（C相的電壓幅度有時甚至高于A相電壓），二者不具備形成電流通路的條件，盡管晶閘管VT1得到觸發(fā)信號，但由于不具備開通條件從而處于關(guān)斷狀態(tài)；VT2在t2時刻得到觸發(fā)信號，此時C相電壓處于負(fù)半波期間時，但由于VT1的觸發(fā)脈沖信號已經(jīng)消失，VT1處于關(guān)斷狀態(tài)，VT2也不具備開通條件，說明單窄脈沖觸發(fā)信號，對三相調(diào)壓電路，是失效的。因此對三相三線星形連接或角接負(fù)載電路來說，在工作時若想要形成負(fù)載電流回路，在每一時刻至少要有兩相形成通路，因而必須有2只晶閘管是同時導(dǎo)通的（實(shí)際上存在3只晶閘管短時導(dǎo)

11、通時候）。而要達(dá)到上述要求，晶閘管的觸發(fā)信號就需使用寬脈沖或雙脈沖，它們之間應(yīng)嚴(yán)格的保持一定的相位關(guān)系，必須與自己相應(yīng)的電源有著相同的相序。3.2寬脈沖觸發(fā)方式：圖3.2 三相交流調(diào)壓電路的單（寬）脈沖觸發(fā)示意圖寬脈沖方式：如果在t1時刻，觸發(fā)脈沖UA出現(xiàn)，晶閘管滿足導(dǎo)通條件之一，由于UA為寬脈沖，會一直維持至t2時刻UC-觸發(fā)脈沖的出現(xiàn)以后，在UA與UC-兩個脈沖產(chǎn)生t2t3時段內(nèi)的重疊區(qū)，意味著主電路晶閘管VT1、VT2被同時觸發(fā)開通，形成了A相正半波期間流經(jīng)負(fù)載電路RL1的電流通路。當(dāng)負(fù)載為電阻性時，要求UA（UC-）的脈沖寬度須大于60°而小于120°，而當(dāng)負(fù)載為阻

12、感性時，因晶閘管在電壓過零后，有延時關(guān)斷過程，需要觸發(fā)脈沖的寬度為大于60而小于120，即脈沖出現(xiàn)時刻足以維持到所對應(yīng)相半波期間觸發(fā)脈沖的出現(xiàn)，以保障最低有對應(yīng)相兩只晶閘管的同時開通，以形成負(fù)載電流通路。不過由于寬脈沖直流分量大，容易造成晶閘管的柵陰結(jié)發(fā)熱和驅(qū)動電路功耗過大、使脈沖變壓器直流磁化，因而實(shí)際使用時往往對寬脈沖進(jìn)行高頻調(diào)制處理后，變?yōu)楦哳l開關(guān)波形，再作為觸發(fā)脈沖送出。而雙脈沖觸發(fā)方式，是應(yīng)用最普遍的一種方式。不過由于雙脈沖觸發(fā)方式比寬脈沖觸發(fā)方式復(fù)雜的多，本次設(shè)計(jì)又是仿真設(shè)計(jì)，無需實(shí)際器件，故而選擇寬脈沖的觸發(fā)方式。四、主電路器件的選擇三相交流調(diào)壓器的主電路中所用到得器件主要有22

13、0V三相交流電源，6個反并聯(lián)的晶閘管，還有三個電阻負(fù)載。其中6個反并聯(lián)的晶閘管可用三個雙相晶閘管代替，也可以用一個串聯(lián)諧振代替2個反并聯(lián)的晶閘管。晶閘管的選擇：1 選擇正反向電壓可控硅在門極無信號，控制電流Ig為0時，在陽(A)一一陰(K)極之間加正向電壓，(J2)處于反向偏置，所以，器件呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，稱為正向阻斷狀態(tài)，若增大而達(dá)到一定值，可控硅由阻斷突然轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，這個值稱為正向轉(zhuǎn)折電壓，這種導(dǎo)通是非正常導(dǎo)通，會減短器件的壽命。所以必須選擇足夠正向重復(fù)阻斷峰值電壓。在陽一一陰極之間加上反向電壓時，器件的第一和第三PN結(jié)(J1和J3)處于反向偏置，呈阻斷狀態(tài)。當(dāng)加大反向電壓達(dá)到一定值時可控硅的反

14、向從阻斷突然轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，此時是反向擊穿，器件會被損壞。而且和值隨電壓的重復(fù)施加而變小。在感性負(fù)載的情況下，如磁選設(shè)備的整流裝置。在關(guān)斷的時候會產(chǎn)生很高的電壓，如果電路上未有良好的吸收回路，此電壓將會損壞可控硅器件。因此，器件也必須有足夠的反向重復(fù)峰值電壓?？煽毓柙谧兞髌?如電機(jī)車)中工作時，必須能夠以電源頻率重復(fù)地經(jīng)受一定的過電壓而不影響其工作，所以正反向峰值電壓參數(shù)、應(yīng)保證在正常使用電壓峰值的2-3倍以上，考慮到一些可能會出現(xiàn)的浪涌電壓因素，在選擇代用參數(shù)的時候,只能向高一檔的參數(shù)選取。2 選擇額定工作電流參數(shù)可控硅的額定電流是在一定條件的最大通態(tài)平均電流，即在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定冷卻

15、條件，器件在阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波，導(dǎo)通角不少于l70的電路中，當(dāng)穩(wěn)定的額定結(jié)溫時所允許的最大通態(tài)平均電流。而一般變流器工作時，各臂的可控硅有不均流因素。可控硅在多數(shù)的情況也不可能在170導(dǎo)通角上工作，通常是少于這一角度。這樣就必須選用可控硅的額定電流稍大一些，一般應(yīng)為其正常電流平均值的1.5-2.0倍。3 選擇門極(控制級)參數(shù)可控硅門極施加控制信號使它由阻斷變成導(dǎo)通需經(jīng)歷一段時間，這段時問稱開通時間，它是由延遲時間和上升時間組成。從門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%，這段時間稱為延時時間； tr是陽極電流從l0上升到穩(wěn)態(tài)值的90所經(jīng)歷的時間?？梢婇_通時間與可控硅門極的

16、可觸發(fā)電壓、電流有關(guān)，與可控硅結(jié)溫，開通前陽極電壓、開通后陽極電流有關(guān)，普通可控硅的在10s以下。在外電路回路電感較大時可達(dá)幾十甚至幾百s以上(陽極電流的上升慢)。在選用可控硅時，特別是在有串并聯(lián)使用時，應(yīng)盡量選擇門極觸發(fā)特征接近的可控硅用在同一設(shè)備上，特別是用在同一臂的串或并聯(lián)位置上，這樣可以提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和使用壽命。如果觸發(fā)特性相差太大的可控硅在串聯(lián)運(yùn)行時將引起正向電壓無法平均分配，使較長的可控硅管受損，并聯(lián)運(yùn)行時較短的可控硅管將分配更大的電流而受損，這對可控硅器件是不利的，所以同一臂上串或并聯(lián)的可控硅觸發(fā)電壓、觸發(fā)電流要盡量一致，也就是配對使用。在不允許可控硅有受干擾而誤導(dǎo)通的設(shè)備

17、中，如電機(jī)調(diào)速等，可選擇門極觸發(fā)電壓、電流稍大一些的管子(如可觸發(fā)電壓>2V，可觸發(fā)電流>150mA)以保證不出現(xiàn)誤導(dǎo)通，在觸發(fā)脈沖功率強(qiáng)的電路中也可選擇觸發(fā)電壓、電流稍大一點(diǎn)的管。在磁選礦設(shè)備中，特別是舊的窄脈沖觸發(fā)電路中，可選擇一些、低一些的管子，如<1.5V、在100mA以下。可減少觸發(fā)不通而出現(xiàn)缺相運(yùn)行。以上所述說明在某些情況下應(yīng)對和參數(shù)進(jìn)行選擇。(以上舉例對500A的可控硅參考參數(shù))4 選擇關(guān)斷時間(tg)可控硅在陽極電流減少為0以后，如果馬上就加上正向陽極電壓，即使無門極信號，它也會再次導(dǎo)通，假如在再次加上正向陽極電壓之前使器件承受一定時間的反向偏置電壓，也不會誤

18、導(dǎo)通，這說明可控硅關(guān)斷后需要一定的時間恢復(fù)其阻斷能力。從電流過0到器件能阻斷重加正向電壓的瞬間為止的最小時聞間隔是可控硅的關(guān)斷時間，由反向恢復(fù)時間和門極恢復(fù)時間構(gòu)成，普通可控硅的約150-200s，通常能滿足一般工頻下變流器的使用，但在大感性負(fù)載的情況下可作一些選擇。在中頻逆轉(zhuǎn)應(yīng)用，如中頻裝置、電機(jī)車斬波器，變頻調(diào)速等情況中使用，一定要對關(guān)斷時間參數(shù)作選擇，一般快速可控硅(即kk型晶閘管) 的關(guān)斷時間在10-50s，其工作頻率可達(dá)到1K-4KHZ；中速可控硅(即KPK型晶閘管)的關(guān)斷時間在60-100s，其工作頻率可達(dá)幾百至lKHZ，即電機(jī)車的變頻頻率。五、仿真系統(tǒng)的建立5.1.Simulin

19、k建模方法Simulink這一名字的含義是相當(dāng)直觀的。因?yàn)樗^明顯地表明此軟件的兩個顯著功能：Simu（仿真）與Link（連接）。傳統(tǒng)的仿真軟件是利用微分方程、差分方程來完成建模的，而Simulink建模更加地方便、直觀、靈活。Simulink用戶先建立一個新的圖形窗口，然后用鼠標(biāo)像筆在紙上操作一樣，在所建立的新的圖形窗口中畫出系統(tǒng)所需要的控制模型。然后利用Simulink提供的功能來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真或分析。用戶可以按照遞階結(jié)構(gòu)的方式，從上到下、從下到上來用Simulink創(chuàng)建模型。這樣用戶就可以清晰的看到整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，模塊的詳細(xì)信息以及各模塊之間的聯(lián)系。用戶可以在MATLAB的命令窗口中輸入

20、相應(yīng)的命令、通過Simulink的菜單，來對定義完的新的模型進(jìn)行仿真。在仿真進(jìn)行的過程中，我們可以通過Scope模塊和其它的畫圖模塊，來觀察系統(tǒng)的即時變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到MATLAB工作空間里做事后處理。5.2.Simulink建模的步驟Simulink建模的具體步驟如下：（1）開始準(zhǔn)備。Simulink建模的第一步就是啟動Simulink程序。啟動Simulink的方法：在MATLAB命令窗口中輸入simulink命令，系統(tǒng)不僅會顯示出Simulink模型的模塊庫窗口，還會自動打開一個空白的模型編輯窗口，我們就可以在這個新的模型編輯窗中建立系統(tǒng)模型。（2）畫出系統(tǒng)的各個模塊。打開

21、相應(yīng)的子模塊庫，選擇所需的模塊，拖動到模型編輯窗口的合適的位置。（3）給出各個模塊的參數(shù)。雙擊模塊的圖標(biāo)，然后根據(jù)提示，對對話框里相應(yīng)的默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行修改。（4）畫出連接線。要構(gòu)成完整的系統(tǒng)，就要用連線把所有的模塊，根據(jù)相應(yīng)的關(guān)系連接起來。連接線的畫法：先點(diǎn)擊開始模塊的輸出端，然后拖動鼠標(biāo)，根據(jù)模塊之間的關(guān)系，找到終止模塊的輸入端，最后松開鼠標(biāo)，在兩個模塊之間就會自動出現(xiàn)帶有箭頭的連接線。（5）指定輸入和輸出端子。在Simulink下允許兩類輸入輸出的信號，若用戶提取系統(tǒng)的線性模型，則需要打開Simulink 模塊庫中的“continuous”（連續(xù)模塊）圖標(biāo)，從中選取相應(yīng)的輸入輸出端子，若只想

22、對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，則需從“sourse”（信號源）圖標(biāo)中取輸入信號端子，從“Sinks”（輸出源）圖標(biāo)中取輸出端子即可。5.3.主電路的建模和參數(shù)設(shè)置圖5.1三相交流調(diào)壓電路帶阻感負(fù)載電路原理圖主電路是按照圖2.1所示的三相四線交流調(diào)壓電路搭建的。由三相對稱交流電壓源、晶閘管三相交流調(diào)壓器、脈沖觸發(fā)器及一些顯示器件等部分組成。模型圖見圖5.1。5.4.三相交流電源的建模和參數(shù)設(shè)置 5.2三相電源的設(shè)置從電源模塊組中選取一個交流電壓源模塊，修改三相電源名稱為A相、B相、C相。具體的操作方法：雙擊A相交流電壓源圖標(biāo)，就可以設(shè)置對話框修改參數(shù)，電壓的幅值設(shè)為220V，頻率設(shè)為50Hz，初相位設(shè)為0

23、o。以上是A相參數(shù)的設(shè)置方法，B相的設(shè)置方法：雙擊B相交流電壓源圖標(biāo)，就可以設(shè)置對話框修改參數(shù)，電壓的幅值設(shè)為220V，頻率設(shè)為50Hz，初相位設(shè)為120o；C相的設(shè)置方法：雙擊C相交流電壓源圖標(biāo)，就可以設(shè)置對話框修改參數(shù)，電壓的幅值設(shè)為220V，頻率設(shè)為50Hz，初相位設(shè)為240o。這樣就可以得到三相對稱交流電源。5.5.晶閘管三相交流調(diào)壓器的建模晶閘管三相交流調(diào)壓器由3對晶閘管組成。這3對晶閘管元件每個都采用“相位控制”方式，再采用反并聯(lián)的方式構(gòu)成晶閘管三相交流調(diào)壓器，其中并利用了電網(wǎng)自然換流。圖5.3所示為晶閘管三相交流調(diào)壓器的仿真模型。圖5.3三相交流調(diào)壓模塊電路接線圖5.6脈沖的設(shè)置頻率：50HZ，同時選擇雙脈沖圖5.4脈沖的設(shè)置5.7負(fù)載的設(shè)定電阻R：10，電感L：0.001，電容C無窮?。╥nf）5.5負(fù)載的設(shè)定六、仿真結(jié)果仿真的結(jié)果如下圖所示：仿真結(jié)果及示波器輸出波形注：此次仿真采用5個示波器，其中第一個為脈沖輸出波形，第二個為輸入三相線電壓波形，第三個為輸入三相線電流波形，第三個為輸出線電壓波形，第五個為輸出相電壓波形。（1）當(dāng)a=0°時的示波器輸出波形。如圖6.1圖6.1（2）當(dāng)a=30°時的示波器輸