單相交交變頻電路課程設(shè)計(jì)

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書 單相交交變頻電路系 、 部： 電氣與信息工程系 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級： 0902班 完成時(shí)間： 2012年5月1日 目錄摘要11 設(shè)計(jì)要求與原理分析與方案設(shè)計(jì)21.1 要求分析21.2 原理說明21.2.1原理圖21.2.2整流與逆變工作狀態(tài)31.2.3輸出正弦波電壓的調(diào)制方法61.3 方案設(shè)計(jì)72 電路仿真與仿真結(jié)果分析82.1 電路的仿真82.2仿真結(jié)果與分析103 心得體會13參考文獻(xiàn)14摘要20世紀(jì)30年代交交變頻電路就已經(jīng)出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)采用的是水銀整流器，曾經(jīng)有裝置用在電力機(jī)車上，由于原件性能的限制，沒能得到推廣。到20世紀(jì)

2、70年代，隨著晶閘管的問世交交變頻電路曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于電機(jī)的變頻調(diào)速。20世紀(jì)80年代隨著全控器件的廣泛應(yīng)用，交交變頻電路逐漸被交直交變頻電路取代。近年來隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會發(fā)展的需要推動(dòng)了交交變頻技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展和應(yīng)用、現(xiàn)代控制理論和控制器件的發(fā)展和應(yīng)用、微機(jī)控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應(yīng)用為交流變頻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)造了新的物質(zhì)和技術(shù)條件，交交變頻電路又逐漸成為研究的熱點(diǎn)。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，最后用matlab仿真軟件對交交變頻電路進(jìn)行了建模和仿真研究。

3、 關(guān)鍵詞：交交變頻 余弦交點(diǎn)法 matlab仿真 單相交交變頻電路仿真1 設(shè)計(jì)要求與原理分析與方案設(shè)計(jì)1.1 要求分析根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，采用交交變頻器設(shè)計(jì)，在負(fù)載電阻、負(fù)載電感；控制變頻器輸出頻率為?？刂菩盘柕恼也▍?shù)設(shè)置：幅值為1、角頻率為，初相位為0。首先明確交交變頻電路是直接由工頻交流經(jīng)過晶閘管控制變?yōu)榭勺冾l的交流電壓。它與交直交變頻或者直流變交流有很大的區(qū)別。下面簡單介紹交交變頻電路的工作原理。1.2 原理說明交交變頻電路是把電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成可調(diào)頻率的交流電的變流電路。因?yàn)闆]有中間直流環(huán)節(jié)，因此屬于直接變頻電路。交交變頻電路廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際使用的

4、主要是三相輸出交交變頻電路。單相輸出交交變頻電路是三相輸出交交變頻電路的基礎(chǔ)。因此本節(jié)介紹的是單相輸出交交變頻電路的構(gòu)成、工作原理及控制方法。1.2.1原理圖交變頻電路的工作原理與相控整流器的工作原理基本相同，現(xiàn)在以三相輸入單相輸出的交交變頻電路為例詳細(xì)分析其工作原理。圖1是單相交交變頻電路的原理圖和輸出電壓波形。電路有p組和n組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成。變流器p和n都是相控整流電路，p組工作時(shí)，負(fù)載電流為正，n組工作時(shí)，為負(fù)。讓兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻圖1 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形率的交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出頻率。改變變流電路工作時(shí)

5、的觸發(fā)延遲角，就可以改變交流輸出電壓的幅值。為了使輸出電壓的波形接近正弦波，可以按正弦規(guī)律對觸發(fā)延遲角進(jìn)行調(diào)制。如圖1波形所示，可在半個(gè)周期內(nèi)讓正組變流器p的按正弦規(guī)律從逐漸減小到或某個(gè)值，然后再逐漸增大到。這樣，每個(gè)控制間隔內(nèi)德平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零逐漸增至最高，再逐漸降低到零，如圖中虛線所示。另外半個(gè)周期可對變流器n進(jìn)行同樣地控制。圖1的波形是變流器p和n都是三相半波可控電路時(shí)的波形，可以看出，輸出電壓并不是平滑的正弦波，而是由若干段電源電壓拼接而成。在輸出電壓的一個(gè)周期內(nèi)，所包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。因此，交交變頻電路通常采用6脈波的三相橋式電路或12脈波變流電

6、路。1.2.2整流與逆變工作狀態(tài)交交變頻電路的負(fù)載可以是阻感負(fù)載、電阻負(fù)載、阻容負(fù)載或交流電動(dòng)機(jī)負(fù)載。這里以阻感負(fù)載為例來說明電路的整流工作狀態(tài)與逆變狀態(tài)，這種分析也適用于交流電動(dòng)機(jī)負(fù)載。如果把交交變頻電路理想化，忽略交流電路換相時(shí)輸出電壓的脈動(dòng)分量，就可以把電路等效成圖2所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。其中交流電源表示變流電路可輸出交流正弦電壓，二極管體現(xiàn)了變流電路電流的單方向性。圖2 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)分析圖圖3 單相交交變頻電路輸出電壓和電流理想波形假設(shè)負(fù)載阻抗角為，即輸出電流滯后輸出電壓角。另外，為避免兩組變流器之間產(chǎn)生環(huán)流（在兩組變流器之間流動(dòng)而不經(jīng)過負(fù)載的電

7、流），兩組變流電路在工作時(shí)不同時(shí)施加觸發(fā)脈沖，即一組變流電路工作時(shí)，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖（這種方式成為無環(huán)流工作方式）。圖2給出了一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載電壓、電流波形正反兩組變流電路的電壓、電流波形。由于變流電路的單向?qū)щ娦?，在期間的負(fù)載電流正半周，只能是正組變流電路工作，反組電路被封鎖。其中在階段，輸出電壓和電流均為正，故正組變流電路工作在整流狀態(tài)，輸出功率為正。在階段，輸出電壓已反向，但輸出電流仍為正，正組變流電路工作在逆變狀態(tài)，輸出功率為負(fù)。在階段，負(fù)載電流負(fù)半周，反組變流電路工作，正組電路被封鎖。其中在階段，輸出電壓和電流均為負(fù)，反組變流電路工作在整流狀態(tài)，在階段，輸出電流為負(fù)而電壓為

8、正，反組變流電路工作在逆變狀態(tài)?？梢钥闯?，在阻感負(fù)載的情況下，在一個(gè)輸出電壓周期內(nèi)，交交變頻電路有4種工作狀態(tài)。哪組變流電路工作是由輸出電流的方向決定的，與輸出電壓極性無關(guān)。變流電路工作在整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，則是根據(jù)輸出電壓方向與輸出電流方向是否相同來確定的。圖3是單相交交變頻電路輸出電壓和電流的波形。如果考慮到無環(huán)流工作方式下負(fù)載電流過零的正反組切換死區(qū)時(shí)間，一周期的波形可以分為6段，第1段0，為反組逆變；第2段電流過零，為切換死區(qū)；第3段0、0，為正組整流；第4段0、0，為正組逆變；第5段又是切換死區(qū)；第6段0、0為反組整流。當(dāng)輸出電壓和電流的相位差小于時(shí)，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平

9、均值為正，若負(fù)載為電動(dòng)機(jī)，則電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)兩者相位差大于時(shí)，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為負(fù)，即電網(wǎng)吸收電壓，電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。1.2.3輸出正弦波電壓的調(diào)制方法通過不斷改變觸發(fā)延遲角，使交交變頻電路的輸出波形基本為正弦波的調(diào)制方法有多種。這里主要介紹最基本的余弦交點(diǎn)法。設(shè)為=0時(shí)整流電路的理想空載電壓，則觸發(fā)延遲角為時(shí)變流電路的輸出電壓為對交交變頻電路來說，每次控制時(shí)都是不同的，上式中的表示每次控制間隔內(nèi)輸出電壓的平均值。設(shè)要得到的正弦波輸出電壓為比較以上兩式，應(yīng)使式中，稱為輸出電壓比，。因此上式就是用余弦交點(diǎn)法求交交變頻電路觸發(fā)延遲角的基本公式。上述余弦交點(diǎn)法可以用模擬

10、電路來實(shí)現(xiàn)，但線路復(fù)雜，且不易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制。采用計(jì)算機(jī)控制時(shí)可方便的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的運(yùn)算，而且除計(jì)算外，還可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制運(yùn)算，使整個(gè)系統(tǒng)獲得很好的性能。1.3 方案設(shè)計(jì)以上從硬件工作原理，和波形產(chǎn)生原理解釋了單相交交變頻電路的工作過程。下面整合上面說明，提出如下方案設(shè)計(jì)。正反兩組晶閘管橋反并聯(lián)，負(fù)載為rl阻感性負(fù)載。為了能使正反兩組晶閘管橋?qū)?，需要正反兩組同步六脈沖觸發(fā)器。而且在給定信號的正半周，應(yīng)使正組同步六脈沖觸發(fā)器工作，且封鎖反組脈沖；同樣，在給定信號的負(fù)半周，應(yīng)使反組同步六脈沖觸發(fā)器工作，且封鎖正組脈沖。為了達(dá)到上述目的，我們需要一個(gè)正反組變流器輪流導(dǎo)通的切換裝置，此裝置將給定正

11、弦信號經(jīng)過一系列的變換后信號分兩路輸出，一路給正組同步六脈沖觸發(fā)器，另一路給反組同步六脈沖觸發(fā)器。同時(shí)，交交變頻要求負(fù)載的頻率能跟隨給定信號的頻率變化，通過改變正反兩組晶閘管橋的觸發(fā)角就可以達(dá)到這個(gè)目的。而晶閘管橋的觸發(fā)角是通過同步六脈沖觸發(fā)器控制的，因此，我們需要讓同步六脈沖觸發(fā)器的輸入控制角跟隨給定信號的變化而變化。創(chuàng)建一個(gè)觸發(fā)角調(diào)制模塊即可達(dá)到此目的，由余弦交點(diǎn)法可知，給定信號經(jīng)過變換后應(yīng)分兩路輸出，一路給正組同步六脈沖觸發(fā)器，另一路給反組同步六脈沖觸發(fā)器。2 電路仿真與仿真結(jié)果分析根據(jù)方案，用matlab軟件仿真，首先在軟件上畫出原理圖，然后仿真調(diào)試，最后根據(jù)仿真波形進(jìn)行分析。2.1

12、電路的仿真根據(jù)方案原理圖，在，matlab上連接的總電路圖如圖4所示。圖4 仿真總電路圖下面具體電路中各個(gè)部分對總電路圖進(jìn)行說明。（1）觸發(fā)角調(diào)制模塊。如圖5所示，觸發(fā)角調(diào)制模塊輸出的信號分別對正反組同步六脈沖觸發(fā)器的觸發(fā)角進(jìn)行控制。圖5 觸發(fā)角調(diào)制模塊由前面的余弦交點(diǎn)法知，正組的同步六脈沖觸發(fā)器觸發(fā)角，先對給定的正弦信號取反余弦，得到控制角的弧度，再通過增益180/pi換算成角度，即可控制正組的同步六脈沖觸發(fā)器。在此基礎(chǔ)上，用減去即得到反組同步六脈沖觸發(fā)器的觸發(fā)角。（2）正反組變流器輪流導(dǎo)通的切換裝置模塊。正反組變流器輪流導(dǎo)通的切換裝置，其任務(wù)是：在正組晶閘管橋工作時(shí)開放正組脈沖，封鎖反組脈

13、沖；在反組晶閘管橋工作時(shí)開放反組脈沖，封鎖正組脈沖。仿真模型主要采用一個(gè)符號函數(shù)、一個(gè)switch開關(guān)、絕對值函數(shù)abs，結(jié)合適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)運(yùn)算，搭建出如圖6所示的仿真模型。圖6 正反組變流器輪流導(dǎo)通的切換裝置單位正弦給定信號經(jīng)過符號函數(shù)的變換后得到“0”和“1”，當(dāng)其輸出為“1”時(shí)，選擇開關(guān)輸出“0”，1端輸出“0”使正組同步六脈沖觸發(fā)器導(dǎo)通,2端輸出“1”使反組同步六脈沖觸發(fā)器不導(dǎo)通；當(dāng)其輸出為“0”時(shí)，選擇開關(guān)輸出“1”， 1端輸出“1”使正組同步六脈沖觸發(fā)器不導(dǎo)通，2端輸出“0”使反組同步六脈沖觸發(fā)器導(dǎo)通。2.2仿真結(jié)果與分析當(dāng)控制器輸出頻率為10hz時(shí)，輸出電壓與電流波形分別如圖7和8所

14、示。圖7 控制器輸出頻率為10hz時(shí)的輸出電壓波形圖8 控制器輸出頻率為10hz時(shí)的輸出電流波形當(dāng)控制器輸出頻率為25hz時(shí)，輸出電壓與電流波形分別如圖9和10所示。圖9 控制器輸出頻率為25hz時(shí)的輸出電壓波形圖10 控制器輸出頻率為25hz時(shí)的輸出電流波形由仿真波形可以看出，交交變頻電路的輸出電壓是由許多斷電網(wǎng)電壓拼接而成的，輸出電壓一個(gè)周期內(nèi)拼接的電網(wǎng)電壓段數(shù)越多，就可使輸出電壓波形越接近正弦波。每段電網(wǎng)電壓的平均持續(xù)時(shí)間是由交流電路的脈波數(shù)決定的。因此，當(dāng)輸出頻率增高時(shí)，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓的段數(shù)就減少，波形畸變就嚴(yán)重。電壓波形畸變以及由此產(chǎn)生的電流波形畸變和電動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是限制輸

15、出頻率提高的主要因素。由以上分析可知，當(dāng)控制器輸出頻率越低時(shí)，輸出電壓及電流波形就越接近于正弦波，而根據(jù)截圖我們也可以看出，控制器輸出頻率為10hz時(shí)的輸出波形比控制器輸出頻率為25hz時(shí)的輸出波形更接近于正弦波。3 心得體會本次交交變頻器的設(shè)計(jì)和和之前學(xué)過的電力電子的內(nèi)容差不多。首先單就內(nèi)容上說基本上全是電力電子的知識，基本不涉及到這學(xué)期所學(xué)習(xí)的運(yùn)動(dòng)控制理論。但這個(gè)電路確在控制電機(jī)中有很大的運(yùn)用。在變頻調(diào)速中有廣泛的運(yùn)用。所以本次課程設(shè)計(jì)還是有很大的意義的。剛開始拿到這個(gè)題目的時(shí)候我就翻閱了上學(xué)期電力電子的教材，上面就已經(jīng)有了單相交交變頻知識的介紹，于是對單相交交變頻的原理有了一定的認(rèn)識。只

16、剩下在matlab中仿真的運(yùn)用了。于是根據(jù)以前課程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)查閱網(wǎng)上資料，到西院圖書館借了周淵深的電力電子技術(shù)與matlab仿真一書，后來又在網(wǎng)上下載了洪乃剛的電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的matlab仿真一書，認(rèn)真閱讀完相關(guān)知識后，就知道怎么樣仿真了，然后matlab也很順利的完成了。雖然仿真出來的波形和理論上還有很大的差距但是其變化趨勢還是和理論上的一樣?？傊捎谇皟赡暾n程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，這次題目又不是很難，使得設(shè)計(jì)過程相對輕松，比較快的到達(dá)了設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過兩周的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)會了很多，從題目的選擇到原理的設(shè)計(jì)，從仿真調(diào)試到到報(bào)告的撰寫每一步都付出了辛勤的汗水。但更重要的是我收獲了更多。這兩周的時(shí)間不僅讓我鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很