1、三相交交變頻電路設計與仿真7/23安徽科技學院電氣與電子工程學院課程教學實習（設計）總結實習內容： 三相AGAC變頻器的仿真設計實習地點： 力行樓5樓電力電子實驗室實習時間：2015學年第1學期第15專業：電氣工程及其自動化班級：1332015年12月日組員姓洛學號承擔的主要工作成績*單相和三相變頻主電 路的建模設計及封裝， 撰寫論文*邏輯無環流控制器(DLC)的建模設計及封裝*同步電源及六脈沖觸 發電路建模設計*查閱資料和相關參數 的設置及調整電力電子技術課程設計任務書一、設計目的1、培養學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課程的基本理論；3、初步掌握電力電

2、子電路的設計方法。二、設計題目和內容（一）設計題目三相AC-AC變頻器的仿真設計（二）設計內容要求：1、利用MATLAB仿真設計三相交-交變頻器仿真模型；2、對單相交-交變頻電路子系統進行建模與封裝；3、將三個單相交-交變頻組合設計成三相交-交變頻器；4、給出輸出頻率f=10Hz> 25HZ時的仿真波形。三、設計報告撰寫要求1. 設計任務書2. 設計方案3. 主電路圖4. 驅動電路和保護電路圖5. 電路參數訃算及元器件選擇清單6. 主電路和驅動電路工作原理分析7. 主要節點電壓和電流波形8. 參考文獻四、考核方式1、課程設計任務書中的內容；2、寫出課程設計報告；3、指導教師檢查設計電路的

3、完成情況；4、驗收時IIl指導教師指定1名學生敘述設計內容、自己所做的工作，實事求事地回答 指導教師提出的問題。根據以上四項內容和學生在課程設計過程中的工作態度按五級記分制（優、良、中、 及格、不及格）給出成績。指導教師：*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分析了交交變頻電路的觸發控制方法。最后利用MATLAB 仿真設計了三相交-交變頻器仿真模型，其中包括對單相交-交變頻電路子系統進行建模與 封裝、將三個單相交-交變頻組合設計成三相交-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控制，而不通過中間直流環節，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 壓分別構成正弦波的正負半波可以實現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器件，適合于大功率電機調速的應用場合。一、單相交交變頻電路1單相交交變頻電路的工作原理交-交變頻器依據相位控制角Ct的不同規律，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相位控制角按余弦規律變化得到正弦波。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組成。如圖所示：正組P反組N/ <Z這里以阻感性負載為例來分析單相交交變頻電路的工作狀態，分析時忽略輸出電壓和 電流中的高次諧波，并設電路處于穩定狀態。為了避免兩組整流電路間產生環流，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脈沖時，封鎖另一組整流電路的觸發脈沖。當正組P整流工作時， 負載Z的電流方向向下；當反組N整流工作時，負載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載上得到的輸岀電壓“°的波形接近正弦波，可以按正弦規律對觸發角進行 控制，在正組橋P整流工作時，設法使控制角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彳范圍內調節，輸出平均電壓正弦波幅值也會改變，從而達到調壓的。而能實現這樣輸出電壓平均值為正弦的變化規律，通常采用的是余弦交點法。其移相控制角的變化規律應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P組開放時，Ve = Vp,即½OTSin x = VDWCOSap(3)當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，形成負的負載電流鼻， 反組相控角工作在弘=兀一冷有源逆變狀態，負載回饋電能給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，形成正的負載電流-, 正組相控角工作在Qp正組整流狀態，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，形成正的負載電流S， 正組相控角工作在Qp正組逆變狀態，負載回饋電能給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，形成負的負載電流0, 負組相控角工作在J=-J反組整流

10、狀態，N組電路輸出功率。可見，在組感性負載輸出電壓的一個周期內交交變頻電路有四種丄作狀態，那組變流 電路I：作取決于負載電流的方向，而該組變流電路的工作狀態取決于負載電壓和負載電流 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切換到逆變狀態的切換時刻。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構如下:（2）相關子系統模塊： 同步電源與6脈沖觸發器同步電源與6脈沖觸發器模塊包括同步電源和6脈沖觸發器兩個部分，6脈沖觸發器 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換成線電壓。同步6脈沖觸發器模塊用于觸發三相全控整流橋的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”模塊相連，也可與控制系統中 的控制器輸出端相連，從而對觸發脈沖進行移相控制。(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：觸發器模塊的使能端，用于對觸發器模塊的開通與封鎖操作。當

12、施加0信號時，觸發器被 打開，當施加大于0的信號時，觸發脈沖被封鎖。(IV) pulses:輸出為一個6維脈沖，包含6個觸發脈沖。B、參數設置: 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計與仿真Q）邏輯無環流控制器（DLC）A、邏輯無環流控制器DLC的工作原理邏輯無環流控制器DLC模塊任

14、務是在正組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 脈沖觸發器來控制是否產生和封鎖觸發脈沖，輸出信號“尸和UR的狀態必須始終保持相反, 以保證兩組整流電路不會同時處于工作狀態。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）轉換為數字信號2,Uj,轉換曲兩個滯環控 制

15、模塊（Realy）實現，轉換原則： 轉換極性檢測：當">0時，UT = 1 ；當UVo時，U=0;零電流檢測：當電流/不為零時，UI =0,當電流/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）,當片由正變負時，開放正組，封鎖反組。當4由負變 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 環流的出現，保證系統安全可靠運行。DLC的輸出UF和Ur邏輯關系為：(7)(8)UT UF=UR(UTUjUR=UUj電壓信號極性和電

16、流檢測信號共同發出換組指令，當電壓信號改變極性時，查詢零電 流檢測信號，只有當檢測到零電流時，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出切換指令后還不能立即改變整流器的工作狀態。由于輸入端是SOHz10 / 23三相交交變頻電路設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阻斷狀態，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過長，波形畸 變變大，諧波增加。因此，設置關斷延時Z1 = 2/775 ,開放延時t2=5mso發出切換指令后， 必須先經

17、過關斷延時封鎖原導通脈沖，再經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脈沖，當一組工作時，另一組的觸發脈沖必須被 封鎖住，否則會出現短路。關斷延時和開放延時山邏輯控制器中的延時電路產生。電路如圖：InlTranSPoirt DelayDStS TyPe COnVeXSion14 / 23將其封裝后如圖:delay 連鎖保護電路為了保護正反兩組整流器不會發生同時開放，邏輯控制器中由與非門組成了連鎖保護 電路，采用與非門是因為輸出片和匕的電平與觸發單元BIoCk端的電平要求一致。在S 和UR同時為“1”時，兩組整流器都關斷，避免發生整流器短路故障。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：封裝后的子系統如圖:邏輯無環流控制器（DLC）控制原理和輸入輸出邏輯關系見下表:三相交交變頻電路設計與仿真邏輯控制器輸入（模擬信號）數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 率為負正組到反組

19、UvO7=00110U為負，/=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，反組整流，輸出功率為 正反組逆變U>0z<o1010反向，/仍為負，反組逆變，輸出功 率為負13 / 23三相交交變頻電路設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為以度為單位的角度，兩路移相控制角相位關系還要滿足6Zp+v=18Os,從而滿足控制要求。為了將仿真結果與給定信號對比，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：根據前面對余弦交點法的介紹，可在SimUlink中設計出移相角控制電路，按規律改變 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:封裝后的子系統如圖:（4）主電路外接負載和給定波形信號及檢測仿真電路圖如圖:（5）相關參數設置及波形圖：負載參數設置：負載電阻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丿正弦調制波參數：A.變頻器輸出頻率f = IOHz時，正弦波調整參數設置: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，正弦波調整參數設置: 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 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 果如圖：21 / 23三相交交變頻電路設計與仿真二、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構圖如