三相交交變頻電路設(shè)計(jì)與仿真

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：XXX學(xué)年第4學(xué)期第15專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： XXX 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(xiě)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(shū)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(wèn)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MATLA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(xiě)要求?設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)?設(shè)計(jì)方案3.主電路圖4?驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路圖電路參數(shù)計(jì)算及元器件選擇清單主電路和驅(qū)動(dòng)電路工作原理分析主要節(jié)點(diǎn)電壓和電流波形參考文獻(xiàn)四、 考核方式1、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中的內(nèi)容；2、 寫(xiě)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(wèn)題。根據(jù)以上四項(xiàng)內(nèi)容和學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)電力電子電路的開(kāi)關(guān)控制，而不通過(guò)中間直流環(huán)節(jié)，只需通過(guò)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(chēng)為晶閘管移相控制交交直接變頻電路，也稱(chēng)周波變流器。周波變流器一般采用晶閘管作為功率開(kāi)關(guān)器件，適合于大功率電機(jī)調(diào)速的應(yīng)用場(chǎng)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a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a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。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從->0>2，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;為了使負(fù)載上得到的輸出電壓U。的波形接近正弦波，可以按正弦規(guī)律對(duì)觸發(fā)角a進(jìn)行控制，在正組橋P整流工作時(shí)，設(shè)法使控制角:p由大到小再變大去控制正組晶閘管，如正組橋P逆變工作時(shí)，使控制角p由小變大再變小，如從「二，就可獲得平均值Jt 71->0>-，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:N由可變的正組逆變電壓；反組橋 N整流工作時(shí)，使控制角：N由大變小再變大，如從圏2正弦型交一交變頻器輻出電莊浹慫小變大再變小，如從2》二'2，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:p，:?n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2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a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：TOC\o"1-5"\h\zV。二VomSinot (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：Vp=VDmCOS：=p；vn二_VDmCOS^n (2)VDm:整流組所能輸出的最高直流電壓。當(dāng)P組開(kāi)放時(shí)，V。二Vp，即VOmSint“Dmcosp (3)當(dāng)N組開(kāi)放時(shí)，V。=vN，即VomSint=VDmCOS：N (4)則可得到：「VGp=arccoSFsint=arcdKsie?)) (5)"m 丿「VoN=arccos一―in仞t=arccoS—Ksin灼t)=x—ap (6)IVDm 丿其中k二如，稱(chēng)為輸出變壓比。Vdo上述式子就是利用余弦交點(diǎn)法求變流電路控制角a上述式子就是利用余弦交點(diǎn)法求變流電路控制角a的基本公式(2)電路的工作狀態(tài)分析:反組整流|IVI反組整流|IVI.^1.^1.^1^1^1^1^1^1」組逆變皿1-7O組n厲臥!IE 長(zhǎng)亦因變=反組逆變：在此時(shí)間段期間，Vo0,io0,反組N工作，正組P被封鎖，形成負(fù)的負(fù)載電流iN,反組相控角工作在：飛-二一p有源逆變狀態(tài)，負(fù)載回饋電能給N組回路。正組整流：在此時(shí)間段期間，V。0，io0，正組P工作，反組N被圭寸鎖，形成正的負(fù)載電流iP，正組相控角工作在:＞正組整流狀態(tài)，P組電路輸出功率。正組逆變：在此時(shí)間段期間，Vo:0，io0，正組P工作，反組N被封鎖，形成正的負(fù)載電流ip,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。反組整流：在此時(shí)間段期間，Vo0，io0，反組N工作，正組P被封鎖，形成負(fù)的負(fù)載電流iN,負(fù)組相控角工作在：卡-二一p反組整流狀態(tài)，N組電路輸出功率?？梢?jiàn)，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(guò)零點(diǎn)是P組和N組工作的切換時(shí)刻，輸出電壓的過(guò)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:(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)晶閘管，模塊如圖：ABBCpulsesBCCABlockSynchronized6-PulseGeneratorA、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（ill）Block:觸發(fā)器模塊的使能端，用于對(duì)觸發(fā)器模塊的開(kāi)通與封鎖操作。當(dāng)施加 0信號(hào)時(shí)，觸發(fā)器被打開(kāi)，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：蜀FunctionBlockParameters:Synchronized6-PulseGeneratorSynchronized6-p口丄gmgerberator(nask)(link)Usethisblocktofirethe6thyristorsofaG-pulseconverter*Theoutputisavectoraf6pulses(0-1)individuallysynchronizedonthe6cojunutationvoltages?Pulsesaregeneratedalphadegreesaftertheincreasingzero-crossingsoftheconnu'tationvoltages.ParametersFrequencyerfsynchronisationvoltages(Hz):50Pulsewidth(decrees):IDDoublepulsingOK Cancel Help Apply②邏輯無(wú)環(huán)流控制器（DLCA、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工作時(shí)開(kāi)放正組脈沖，封鎖反組脈沖；在

反組N工作時(shí)開(kāi)放反組脈沖，封鎖正組脈沖。邏輯控制器的輸出信號(hào) Uf和Ur分別通過(guò)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)UF和Ur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) U和I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) u是由輸入電壓的極性來(lái)決定，輸入信號(hào)I是由輸入電流是否過(guò)零點(diǎn)來(lái)決定。B邏輯無(wú)環(huán)流控制器的建模與圭寸裝：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)（u,i）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（Ut,Ui），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)u0時(shí)，Ut=1；當(dāng)u:：:0時(shí)，Ut=0;零電流檢測(cè)：當(dāng)電流I不為零時(shí)，Ui=0，當(dāng)電流I為零時(shí)，Ui=0電路如圖：Relay邏輯判斷電路邏輯判斷電路由與非門(mén)組成，其輸入為電流給定極性信號(hào)和零電流信號(hào)（ Ut，Ui），輸出為邏輯切換信號(hào)（Uf，Ur），當(dāng)Ut由正變負(fù)時(shí)，開(kāi)放正組，封鎖反組。當(dāng)Ut由負(fù)變正時(shí)，開(kāi)放反組，封鎖正組。通過(guò)零電流檢測(cè)信號(hào)Ui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Uf和Ur邏輯關(guān)系為：UtUf二Ur（UtUi） （7）Ur=Uf（UtUi）Ui1 （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(xún)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(kāi)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(guò)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(kāi)