三相交交变频电路设计与仿真

1、三相交交变频电路设计与仿真7/23安徽科技学院电气与电子工程学院课程教学实习（设计）总结实习内容： 三相AGAC变频器的仿真设计实习地点： 力行楼5楼电力电子实验室实习时间：2015学年第1学期第15专业：电气工程及其自动化班级：1332015年12月日组员姓洛学号承担的主要工作成绩*单相和三相变频主电 路的建模设计及封装， 撰写论文*逻辑无环流控制器(DLC)的建模设计及封装*同步电源及六脉冲触 发电路建模设计*查阅资料和相关参数 的设置及调整电力电子技术课程设计任务书一、设计目的1、培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力；2、加深理解电力电子技术课程的基本理论；3、初步掌握电力电

2、子电路的设计方法。二、设计题目和内容（一）设计题目三相AC-AC变频器的仿真设计（二）设计内容要求：1、利用MATLAB仿真设计三相交-交变频器仿真模型；2、对单相交-交变频电路子系统进行建模与封装；3、将三个单相交-交变频组合设计成三相交-交变频器；4、给出输出频率f=10Hz> 25HZ时的仿真波形。三、设计报告撰写要求1. 设计任务书2. 设计方案3. 主电路图4. 驱动电路和保护电路图5. 电路参数讣算及元器件选择清单6. 主电路和驱动电路工作原理分析7. 主要节点电压和电流波形8. 参考文献四、考核方式1、课程设计任务书中的内容；2、写出课程设计报告；3、指导教师检查设计电路的

3、完成情况；4、验收时IIl指导教师指定1名学生叙述设计内容、自己所做的工作，实事求事地回答 指导教师提出的问题。根据以上四项内容和学生在课程设计过程中的工作态度按五级记分制（优、良、中、 及格、不及格）给出成绩。指导教师：*摘要：本文首先以三相输入单相输出的交交变频电路为例介绍了交交变频电路的工作原 理，接着以余弦交点法为例详细分析了交交变频电路的触发控制方法。最后利用MATLAB 仿真设计了三相交-交变频器仿真模型，其中包括对单相交-交变频电路子系统进行建模与 封装、将三个单相交-交变频组合设计成三相交-交变频器、给出输出频率f二IoHz、25HZ 时的仿真波形。关键词：交交变频；余弦交点法

4、；MATLAB仿真模型引言：交交变频器是通过电力电子电路的开关控制，而不通过中间直流环节，只需通过一次 变换把工频交流电直接变换成不同频率的交流电的交流电路，利用两组整流电路的输出电 压分别构成正弦波的正负半波可以实现山一种频率的交流电到另一种频率的交流电的变 换，这样的电路称为晶闸管移相控制交交直接变频电路，也称周波变流器。周波变流器一 般采用晶闸管作为功率开关器件，适合于大功率电机调速的应用场合。一、单相交交变频电路1单相交交变频电路的工作原理交-交变频器依据相位控制角Ct的不同规律，其输出可获得正弦波、方波和梯形波，这 里的交交变频器是根据相位控制角按余弦规律变化得到正弦波。Ill晶闸管

5、组成的三相输入单相输出的交交变频电路，电路山P组（正组）和N组（反 组）晶闸管相控整流电路反并联组成。如图所示：正组P反组N/ <Z这里以阻感性负载为例来分析单相交交变频电路的工作状态，分析时忽略输出电压和 电流中的高次谐波，并设电路处于稳定状态。为了避免两组整流电路间产生环流，我们在任何时候只让一组整流电路工作，即给某 一组整流电路施加触发脉冲时，封锁另一组整流电路的触发脉冲。当正组P整流工作时， 负载Z的电流方向向下；当反组N整流工作时，负载Z的电流方向向上。让两组整流电路 一一定频率交替工作，则负载Z上就得到了该频率的交流电，改变切换频率，就可以改变 交流电的频率。（1）输出正弦波

6、形的获得方法(b>图2正弦型交一交变频器输出电圧淤形为了使负载上得到的输岀电压“°的波形接近正弦波，可以按正弦规律对触发角进行 控制，在正组桥P整流工作时，设法使控制角QP由大到小再变大去控制正组晶闸管，如 从兰ToT冬，必然引起输出的平均电压山低到高再到低的变化，即获得正组整流电压；2 2正组桥P逆变工作时，使控制角QP由小变大再变小，如从-,就可获得平均值2 2三相交交变频电路设计与仿真可变的正组逆变电压；反组桥N整流工作时，使控制角y(l大变小再变大，如从0-,就获得平均值可变的反组整流电压；反组桥N逆变工作时，使控制角由 2 2小变大再变小，如从-,就获得平均值可变的反

7、组逆变电压。只要电网频率相对 2 2输出频率高出很多倍，就能得到山低到高，再ill高到低接近正弦波规律变化的交流输出。如果改变的变化范围，使它们在O VQV彳范围内调节，输出平均电压正弦波幅值也会改变，从而达到调压的。而能实现这样输出电压平均值为正弦的变化规律，通常采用的是余弦交点法。其移相控制角的变化规律应使整流输出电压的瞬时值最接近于理想正弦电压的瞬时值，即整流输出电压瞬时值与所期望正弦电压的瞬时值相等。设交交变频电路期望输出的交流电压波形为已知的正弦波，其表达式为：(1)整流输岀电丿玉瞬时值山整流组P和整流组N切换提供，各整流组输出电压瞬时值为:VP =勺加 COS Qp : VN =

8、% CoS J( 2)v,:整流组所能输出的最高直流电压。当P组开放时，Ve = Vp,即½OTSin x = VDWCOSap(3)当N组开放时m即VZMSin期=%cosajv(4)则可得到:Sill t =accoj(-KSin 劲)=r-apOtZ =arccoj(5)(6)10/23V其中K =詳，称为输出变压比。三相交交变频电路设计与仿真上述式子就是利用余弦交点法求变流电路控制角的基本公式（2）电路的工作状态分析:ZOQo5组逆变III1Hq,(!IE彳|IlIR<l¾!l,变二反组整流IIV :I. 反组逆变：在此时间段期间，vt, >0, <

9、;0,反组N工作，正组P被封锁，形成负的负载电流鼻， 反组相控角工作在弘=兀一冷有源逆变状态，负载回馈电能给N组回路。Il正组整流：在此时间段期间，v0 >0, o>0,正组P工作，反组N被封锁，形成正的负载电流-, 正组相控角工作在Qp正组整流状态，P组电路输出功率。III. 正组逆变:在此时间段期间，比<0, >0,正组P工作，反组N被封锁，形成正的负载电流S， 正组相控角工作在Qp正组逆变状态，负载回馈电能给P组回路。IV. 反组整流：在此时间段期间，Vf,<, /；<0,反组N工作，正组P被封锁，形成负的负载电流0, 负组相控角工作在J=-J反组整流

10、状态，N组电路输出功率。可见，在组感性负载输出电压的一个周期内交交变频电路有四种丄作状态，那组变流 电路I：作取决于负载电流的方向，而该组变流电路的工作状态取决于负载电压和负载电流 的方向是否一致，二者方向一致丄作在整流，方向相反工作在逆变。输出电流的过零点是三相交交变频电路设计与仿真P组和N组工作的切换时刻，输出电压的过零点是整流状态切换到逆变状态的切换时刻。2、单相交交变频器的建模与仿真（1）单相交交变频器的控制原理及电路结构如下:（2）相关子系统模块： 同步电源与6脉冲触发器同步电源与6脉冲触发器模块包括同步电源和6脉冲触发器两个部分，6脉冲触发器 需要与三相线电压同步，同步电源是将三相

11、交流电源的相电压转换成线电压。同步6脉冲触发器模块用于触发三相全控整流桥的6个晶闸管，模块如图：三相交交变频电路设计与仿真alpha-degABBCJt* 1ISeSCABIQCkSynChrO niNd6-Pulse GeneratOrA、输入与输出：(I) alpha_deg:移相控制角信号输入端，单位为度，该输入端可与“常数”模块相连，也可与控制系统中 的控制器输出端相连，从而对触发脉冲进行移相控制。(II) AB、BC、CA:同步电压匕b,%c,Vgi输入端，同步电压就是连接到整流桥的三相交流电压的线电压。(III) Block：触发器模块的使能端，用于对触发器模块的开通与封锁操作。当

12、施加0信号时，触发器被 打开，当施加大于0的信号时，触发脉冲被封锁。(IV) pulses:输出为一个6维脉冲，包含6个触发脉冲。B、参数设置: 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):11/23三相交交变频电路设计与仿真Q）逻辑无环流控制器（DLC）A、逻辑无环流控制器DLC的工作原理逻辑无环流控制器DLC模块任

14、务是在正组P工作时开放正组脉冲，封锁反组脉冲；在 反组N工作时开放反组脉冲，封锁正组脉冲。逻辑控制器的输出信号“尸和Ur分别通过6 脉冲触发器来控制是否产生和封锁触发脉冲，输出信号“尸和UR的状态必须始终保持相反, 以保证两组整流电路不会同时处于工作状态。逻辑控制器的两个输入信号U和/是逻辑控 制器判别改变输出信号状态的重要条件，其中输入信号U是山输入电压的极性来决定，输 入信号/是由输入电流是否过零点来决定。B、逻辑无环流控制器的建模与封装：逻辑控制器山电平检测、逻辑判断、延时电路和连锁保护电路四个部分组成。电平检测电平检测是将输入模拟信号（UM）转换为数字信号2,Uj,转换曲两个滞环控 制

15、模块（Realy）实现，转换原则： 转换极性检测：当">0时，UT = 1 ；当UVo时，U=0;零电流检测：当电流/不为零时，UI =0,当电流/为零时，Ul 0o 电路如图：Relayl 逻辑判断电路逻辑判断电路山与非门组成，其输入为电流给定极性信号和零电流信号（匕.，4）, 输出为逻辑切换信号（U F , Ur）,当片由正变负时，开放正组，封锁反组。当4由负变 正时，开放反组，封锁正组。通过零电流检测信号/检测主回路电流是否下降到零，避免 环流的出现，保证系统安全可靠运行。DLC的输出UF和Ur逻辑关系为：(7)(8)UT UF=UR(UTUjUR=UUj电压信号极性和电

16、流检测信号共同发出换组指令，当电压信号改变极性时，查询零电 流检测信号，只有当检测到零电流时，才允许封锁原工作组开放另一组。 延时电路逻辑判断电路发出切换指令后还不能立即改变整流器的工作状态。由于输入端是SOHz10 / 23三相交交变频电路设计与仿真的交流信号，所以主回路中的晶闸管管压降也是交流信号，存在自然过零点，在检测到电 流为零时并不一定真正为零；同样，为了保证截止的整流器能够恢复阻断状态，也需要整 流器延时一段时间再开放，但不能延时过长，否则将造成输出的低频波死区过长，波形畸 变变大，谐波增加。因此，设置关断延时Z1 = 2/775 ,开放延时t2=5mso发出切换指令后， 必须先经

17、过关断延时封锁原导通脉冲，再经过开放延时才能开放另一组脉冲。无论在任何 情况下，两组晶闸管绝不允许同时加触发脉冲，当一组工作时，另一组的触发脉冲必须被 封锁住，否则会出现短路。关断延时和开放延时山逻辑控制器中的延时电路产生。电路如图：InlTranSPoirt DelayDStS TyPe COnVeXSion14 / 23将其封装后如图:delay 连锁保护电路为了保护正反两组整流器不会发生同时开放，逻辑控制器中由与非门组成了连锁保护 电路，采用与非门是因为输出片和匕的电平与触发单元BIoCk端的电平要求一致。在S 和UR同时为“1”时，两组整流器都关断，避免发生整流器短路故障。将以上各部分

18、按功能要求连接，就可得到DLC仿真模型如图：封装后的子系统如图:逻辑无环流控制器（DLC）控制原理和输入输出逻辑关系见下表:三相交交变频电路设计与仿真逻辑控制器输入（模拟信号）数字信号逻辑控制器输出 （逻辑切换信号）说明输入电丿I、. 信号U输入电流 信号/电压转换 极性检测信号S零电流检 测信号S正组整流器P （UF ）反组整流器N（UQ反组到正组u>oZ=O1101U为正，7=0,反组向正组切换整组P1作， 反组N 阻断整组整 流u>oz>o1001和/均为正，正组整流，输出功率为 正整组逆 变Uvoz>o0001U反向，/仍为正，正组逆变，输岀功 率为负正组到反组

19、UvO7=00110U为负，/=0,正组向反组切换反组N 工作， 正组P 阻断反组整 流UVOZ<00010卩和/均为负，反组整流，输出功率为 正反组逆变U>0z<o1010反向，/仍为负，反组逆变，输出功 率为负13 / 23三相交交变频电路设计与仿真因给定信号是正弦信号，而移相控制角为OT/F,所以要将给定信号通过反余弦函数1 QA变换为Or的角度，单位是弧度，再用竺的放大器将以弧度为单位的角度变为以度为单位的角度，两路移相控制角相位关系还要满足6Zp+v=18Os,从而满足控制要求。为了将仿真结果与给定信号对比，给定电流计算为r 2.3477cos/心Z= /R（9）（

20、交流电源,工频、幅值 = IoOV ）o20 / 23移相角控制电路：根据前面对余弦交点法的介绍，可在SimUlink中设计出移相角控制电路，按规律改变 正反组变流电路的相控角。仿真电路如图：Add（3）单相交交变频电路仿真主电路如图:封装后的子系统如图:（4）主电路外接负载和给定波形信号及检测仿真电路图如图:（5）相关参数设置及波形图：负载参数设置：负载电阻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丿正弦调制波参数：A.变频器输出频率f = IOHz时，正弦波调整参数设置: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变频器输出频率/ = 25HZ时，正弦波调整参数设置: 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三相交交变频电路设计与仿真变频器输出频率/ = IOHz时,幅值为20,角频率为20;T(3%)，初相位为0,仿真结 果如图：变频器输岀频率/ = 25HZ时,幅值为20,角频率为50兀(rads ),初相位为0,仿真结 果如图：21 / 23三相交交变频电路设计与仿真二、三相交交变频器的建模与仿真1三相交交变频器的建模：大容量三相交交变频器通常采用Y形连接方式，即将3个单相输出交交变频器的一个输出端连在一起，另一个输出端Y输出。三相交交变频器仿真模型结构图如