三相交交變頻電路設(shè)計與仿真

1、三相交交變頻電路設(shè)計與仿真7/23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AGAC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月日組員姓洛學(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

2、子電路的設(shè)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(jìn)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(hù)電路圖5. 電路參數(shù)訃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(xiàn)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

3、完成情況；4、驗收時IIl指導(dǎo)教師指定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：*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(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(jìn)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二IoHz、25HZ 時的仿真波形。關(guān)鍵詞：交交變頻；余弦交點法

4、；MATLAB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(fù)半波可以實現(xiàn)山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Ct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。Ill晶閘管

5、組成的三相輸入單相輸出的交交變頻電路，電路山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：正組P反組N/ <Z這里以阻感性負(fù)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(fù)載Z的電流方向向下；當(dāng)反組N整流工作時，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

6、形的獲得方法(b>圖2正弦型交一交變頻器輸出電圧淤形為了使負(fù)載上得到的輸岀電壓“°的波形接近正弦波，可以按正弦規(guī)律對觸發(fā)角進(jìn)行 控制，在正組橋P整流工作時，設(shè)法使控制角QP由大到小再變大去控制正組晶閘管，如 從蘭ToT冬，必然引起輸出的平均電壓山低到高再到低的變化，即獲得正組整流電壓；2 2正組橋P逆變工作時，使控制角QP由小變大再變小，如從-,就可獲得平均值2 2三相交交變頻電路設(shè)計與仿真可變的正組逆變電壓；反組橋N整流工作時，使控制角y(l大變小再變大，如從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，使控制角由 2 2小變大再變小，如從-,就獲得平均值可變的反

7、組逆變電壓。只要電網(wǎng)頻率相對 2 2輸出頻率高出很多倍，就能得到山低到高，再ill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，使它們在O VQV彳范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，輸出平均電壓正弦波幅值也會改變，從而達(dá)到調(diào)壓的。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(dá)式為：(1)整流輸岀電丿玉瞬時值山整流組P和整流組N切換提供，各整流組輸出電壓瞬時值為:VP =勺加 COS Qp : VN =

8、% CoS J( 2)v,:整流組所能輸出的最高直流電壓。當(dāng)P組開放時，Ve = Vp,即½OTSin x = VDWCOSap(3)當(dāng)N組開放時m即VZMSin期=%cosajv(4)則可得到:Sill t =accoj(-KSin 勁)=r-apOtZ =arccoj(5)(6)10/23V其中K =詳，稱為輸出變壓比。三相交交變頻電路設(shè)計與仿真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（2）電路的工作狀態(tài)分析:ZOQo5組逆變III1Hq,(!IE彳|IlIR<l¾!l,變二反組整流IIV :I. 反組逆變：在此時間段期間，vt, >0, <

9、;0,反組N工作，正組P被封鎖，形成負(fù)的負(fù)載電流鼻， 反組相控角工作在弘=兀一冷有源逆變狀態(tài)，負(fù)載回饋電能給N組回路。Il正組整流：在此時間段期間，v0 >0, o>0,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Qp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，比<0, >0,正組P工作，反組N被封鎖，形成正的負(fù)載電流S， 正組相控角工作在Qp正組逆變狀態(tài)，負(fù)載回饋電能給P組回路。IV. 反組整流：在此時間段期間，Vf,<, /；<0,反組N工作，正組P被封鎖，形成負(fù)的負(fù)載電流0, 負(fù)組相控角工作在J=-J反組整流

10、狀態(tài)，N組電路輸出功率?？梢姡诮M感性負(fù)載輸出電壓的一個周期內(nèi)交交變頻電路有四種丄作狀態(tài)，那組變流 電路I：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，二者方向一致丄作在整流，方向相反工作在逆變。輸出電流的過零點是三相交交變頻電路設(shè)計與仿真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。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

11、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：三相交交變頻電路設(shè)計與仿真alpha-degABBCJt* 1ISeSCABIQCkSynChrO niNd6-Pulse GeneratOrA、輸入與輸出：(I) alpha_deg: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(jìn)行移相控制。(II) AB、BC、CA:同步電壓匕b,%c,Vgi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)

12、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: FUnCtiOln BIOCk Parameters: SynChrOniZecl 6PUISe GeneratorXSynchronised 6-plse g&nerator (JkaSk) CILnk)IJSe this block to fire the 6 thyristors Of a 6-pulse COnVerter The OUtPUt is a VeCtOr Of 6 PUlSeS CO-I) individually Sy

13、nChrOniZed On the 6 COIiUrLUtaIi on VO It ages. PULSeS are generated alpha degrees after Ihe increasing ZerO-CrOSSLngS Of Izhg COITIJTlUtat iOn VOLt ages.ParaJrIeterSFreqUenCy Of SynChrOniSat ion VOLt ages CHZ):50PUISe width CdegreeS):11/23三相交交變頻電路設(shè)計與仿真Q）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

14、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“尸和Ur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“尸和UR的狀態(tài)必須始終保持相反, 以保證兩組整流電路不會同時處于工作狀態(tài)。邏輯控制器的兩個輸入信號U和/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是山輸入電壓的極性來決定，輸 入信號/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：邏輯控制器山電平檢測、邏輯判斷、延時電路和連鎖保護(hù)電路四個部分組成。電平檢測電平檢測是將輸入模擬信號（UM）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號2,Uj,轉(zhuǎn)換曲兩個滯環(huán)控 制

15、模塊（Realy）實現(xiàn)，轉(zhuǎn)換原則： 轉(zhuǎn)換極性檢測：當(dāng)">0時，UT = 1 ；當(dāng)UVo時，U=0;零電流檢測：當(dāng)電流/不為零時，UI =0,當(dāng)電流/為零時，Ul 0o 電路如圖：Relayl 邏輯判斷電路邏輯判斷電路山與非門組成，其輸入為電流給定極性信號和零電流信號（匕.，4）, 輸出為邏輯切換信號（U F , Ur）,當(dāng)片由正變負(fù)時，開放正組，封鎖反組。當(dāng)4由負(fù)變 正時，開放反組，封鎖正組。通過零電流檢測信號/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UF和Ur邏輯關(guān)系為：(7)(8)UT UF=UR(UTUjUR=UUj電壓信號極性和電

16、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。 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SOHz10 / 23三相交交變頻電路設(shè)計與仿真的交流信號，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Z1 = 2/775 ,開放延時t2=5mso發(fā)出切換指令后， 必須先經(jīng)

17、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)斷延時和開放延時山邏輯控制器中的延時電路產(chǎn)生。電路如圖：InlTranSPoirt DelayDStS TyPe COnVeXSion14 / 23將其封裝后如圖:delay 連鎖保護(hù)電路為了保護(hù)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(hù) 電路，采用與非門是因為輸出片和匕的電平與觸發(fā)單元BIoCk端的電平要求一致。在S 和UR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

18、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:邏輯無環(huán)流控制器（DLC）控制原理和輸入輸出邏輯關(guān)系見下表:三相交交變頻電路設(shè)計與仿真邏輯控制器輸入（模擬信號）數(shù)字信號邏輯控制器輸出 （邏輯切換信號）說明輸入電丿I、. 信號U輸入電流 信號/電壓轉(zhuǎn)換 極性檢測信號S零電流檢 測信號S正組整流器P （UF ）反組整流器N（UQ反組到正組u>oZ=O1101U為正，7=0,反組向正組切換整組P1作， 反組N 阻斷整組整 流u>oz>o1001和/均為正，正組整流，輸出功率為 正整組逆 變Uvoz>o0001U反向，/仍為正，正組逆變，輸岀功 率為負(fù)正組到反組

19、UvO7=00110U為負(fù)，/=0,正組向反組切換反組N 工作， 正組P 阻斷反組整 流UVOZ<00010卩和/均為負(fù)，反組整流，輸出功率為 正反組逆變U>0z<o1010反向，/仍為負(fù)，反組逆變，輸出功 率為負(fù)13 / 23三相交交變頻電路設(shè)計與仿真因給定信號是正弦信號，而移相控制角為OT/F,所以要將給定信號通過反余弦函數(shù)1 QA變換為Or的角度，單位是弧度，再用竺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6Zp+v=18Os,從而滿足控制要求。為了將仿真結(jié)果與給定信號對比，給定電流計算為r 2.3477cos/心Z= /R（9）（

20、交流電源,工頻、幅值 = IoOV ）o20 / 23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：Add（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)載和給定波形信號及檢測仿真電路圖如圖:（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R = IG, L = 0.00IH oGl BlOCk Paramctcrs: SCnCS RLC BronCh永SerieS RLC BranCh (mask) (Iink)IjnPIeJnentS a SerieS branch O

21、f RLC elemerrts.USe the , BranCh type, ParanIeter Io add Or remove element S from, the branch.ParQJrlet ersEranCh type: RL ReSiSt ance <01 InLS):1IndUGt 2mcc (H):O. OOlI S ci: the ini*tial inductor CUrrCntMeaSUr ement S NOne IOKCanCeI HeLP APPIy丿正弦調(diào)制波參數(shù)：A.變頻器輸出頻率f = IOHz時，正弦波調(diào)整參數(shù)設(shè)置:¾ SOUrCe

22、BIOCk Parameter: "Sine W-aveUSe The SaJnPIe-based Sine type if numerical PrObLem,s due to rmuitg for IargC t imc；s (o g: CyVOir£loW in absoLut C 七 xe) OCCUr-ParajnLCt CrSSine type: Tinle basedTiJnC (t ) : Use SXjnullatIorx t im.eAmDLitUde:20Bias:OFreQuenCy (radSeC):20*piPhaSe (rad):OSamPIe

23、 -fame:OIJl Iriirerpre?+ vec七0匕 Parane*twrs: as 1D IEI OK CanCelHelP22B變頻器輸出頻率/ = 25HZ時，正弦波調(diào)整參數(shù)設(shè)置: SOUrCe BIOCk Paranneters: Sine WaVeUse the 5rpLc-based SinC "type Xf nxumcrical PKOblCJrlS due to rurining for Iarge tInleS (e- g OVeHflOW in absolut e "tune) OCCUrPaxsunctcrsSine type: Time

24、basedTilne <t) : USe SinIULatiOTl tineAJTlPlitUdC :20Bias:OFreqUenCy (XadZSeC):S50*pPhSC (rad):OSaJnDIe time:O<InterPret VeCtOr ParaJneterS as I-DIOKI CQnCeLHelP三相交交變頻電路設(shè)計與仿真變頻器輸出頻率/ = IOHz時,幅值為20,角頻率為20;T(3%)，初相位為0,仿真結(jié) 果如圖：變頻器輸岀頻率/ = 25HZ時,幅值為20,角頻率為50兀(rads ),初相位為0,仿真結(jié) 果如圖：21 / 23三相交交變頻電路設(shè)計與仿真二、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。三相交交變頻器仿真模型結(jié)構(gòu)圖如