三相交交變頻電路設(shè)計與仿真

1、標準文案大全安徽科技學(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AC-AC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：2021 學(xué)年第_±_學(xué)期第15專 業(yè)：電氣工程及其自動化班 級：1332021年12月11日組員姓名學(xué)號承當?shù)闹饕ぷ鞒煽?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)流限制器(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水平與實際動手水平；2、加深理解?電力電子技術(shù)?課程的根本理論；3、初步掌握電力

2、電子電路的設(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MATLA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)動電路和保護電路圖5. 電路參數(shù)計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)計電路的完成情況；4、驗收時

3、由指導(dǎo)教師指定1名學(xué)生表達設(shè)計內(nèi)容、自己所做的工作,實事求事地答復(fù) 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分析了交交變頻電路的觸發(fā)限制方法.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=10Hz、25HZ 時的仿真波形.關(guān)鍵詞：交交變頻；余弦交點法；MATLA仿真模型引言：交

4、交變頻器是通過電力電子電路的開關(guān)限制,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)成正弦波的正負半波可以實現(xiàn)由一種頻率的交流電到另一種頻率的交流電的變 換,這樣的電路稱為晶閘管移相限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)相位限制角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)相位限制角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

5、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.如下圖：正組P反組N圖1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(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).為了防止兩組整流電路間產(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,那么負載 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輸出正弦波形的獲得方法lb)圏2正弦型交一丈變頻薛輅匕電莊諛圧

6、為了使負載上得到的輸出電壓Uo的波形接近正弦波,可以按正弦規(guī)律對觸發(fā)角a進行 限制,在正組橋P整流工作時,設(shè)法使限制角:>由大到小再變大去限制正組晶閘管,如從3131-,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；正組橋P逆變工作時,使限制角=> 由小變大再變小,如從,就可獲得平均值可2 2變的正組逆變電壓；反組橋N整流工作時,使限制角:N由大變小再變大,如從 0,1 ,2 2就獲得平均值可變的反組整流電壓；反組橋 N逆變工作時,使限制角：n由小變大再變小,如從,就獲得平均值可變的反組逆變電壓.只要電網(wǎng)頻率相對輸出頻率高出很2 2多倍,就能得到由低到高,再由高到

7、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,使它們在0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2到達調(diào)壓目的.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 限制角a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的正弦波,其表達式為：V.=V°mSin - ot( 1)整流輸出電壓瞬時值由整流組 P和整流組N切換提供,各整流組輸出電壓瞬時值為：Vp = VDm COS - P ； VN = _VDm COS-,N( 2)V

8、Dm :整流組所能輸出的最高直流電壓.當P組開放時,V.二Vp,即Vom Sin t 二VDm COS： p(3)當N組開放時,vo =vN,即Vom Sin t =VDm COS： N(4)那么可得到：'VaP =arccos sincot =arccoSKsin(aP)(5)<VDm/VaN =arccos-一int =arccoSKsint)"aP(6)I VDm丿其中K =Vom,稱為輸出變壓比.Vdo上述式子就是利用余弦交點法求變流電路限制角a的根本公式(2)電路的工作狀態(tài)分析:愫囁III流O組 n妙臥:IF/V 組赳變I .反組逆變：在此時間段期間,Vo 0

9、,io <0,反組N工作,正組P被封鎖,形成負的負載電流iN, 反組相控角工作在 r -二一P有源逆變狀態(tài),負載回饋電能給 N組回路.II .正組整流：在此時間段期間,v 0,io 0,正組P工作,反組N被封鎖,形成正的負載電流ip, 正組相控角工作在:>正組整流狀態(tài),P組電路輸出功率.III .正組逆變：在此時間段期間,Vo < 0,io 0,正組P工作,反組N被封鎖,形成正的負載電流ip, 正組相控角工作在:>正組逆變狀態(tài),負載回饋電能給 P組回路.IV.反組整流：在此時間段期間,Vo <0,io <0,反組N工作,正組P被封鎖,形成負的負載電流iN,

10、負組相控角工作在八：反組整流狀態(tài),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(nèi)交交變頻電路有四種工作狀態(tài),那組變流 電路工作取決于負載電流的方向,而該組變流電路的工作狀態(tài)取決于負載電壓和負載電流 的方向是否一致,二者方向一致工作在整流,方向相反工作在逆變.輸出電流的過零點是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單相交交變頻器的限制原理及電路結(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)器兩個局部,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

11、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：)alphadlegpullses> AB> BC> CA> BlockSynchronized6-Pulse GeneratorA、輸入與輸出：Ialpha_deg:移相限制角信號輸入端,單位為度,該輸入端可與“常數(shù)模塊相連,也可與限制系統(tǒng)中 的限制器輸出端相連,從而對觸發(fā)脈沖進行移相限制.IIAB 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.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.

12、當施加 0信號時,觸發(fā)器被 翻開,當施加大于0的信號時,觸發(fā)脈沖被封鎖.IVpulses: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:蜀 Function Block Parameters: Synchronized 6-Puke GeneratorSynchronized 6-p口丄乞住 gerberator (nask) (link)Use this block to fire the 6 thyristors of a S-pulse converter* The output is a vector af 6 pulses (0-1) individually synchron

13、ized on the 6 cojunut at ion volt ages Pulses are generated alpha degrees after the increasing sero-crossings of the cojidMJ'tat ion volt ages.Paramet ecsFrequency erf synchrani sat ion volt ages (Hz):50Pulse vidth (decrees):IDDouble pulsingOKCancelHelpApply 邏輯無環(huán)流限制器DLCA、邏輯無環(huán)流限制器DLC的工作原理邏輯無環(huán)流限制器

14、DLC模塊任務(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.邏輯限制器的輸出信號Uf和Ur分別通過6脈沖觸發(fā)器來限制是否產(chǎn)生和封鎖觸發(fā)脈沖, 輸出信號U f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).邏輯限制器的兩個輸入信號U和I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是由輸入電壓的極性來決定,輸 入信號I是由輸入電流是否過零點來決定.B邏輯無環(huán)流限制器的建模與圭寸裝：邏輯限制器由電平檢測、邏輯判斷、延時電路和連鎖保護電路四個局部組成.電平檢測電平檢測是將輸入模擬信號U , I 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號Ut , 5

15、 ,轉(zhuǎn)換由兩個滯環(huán)控 制模塊Realy實現(xiàn),轉(zhuǎn)換原那么：轉(zhuǎn)換極性檢測：當U 0時,UT =1 ；當U : 0時,UT =0 ；零電流檢測：當電流I不為零時, 電路如圖：U I =0,當電流I為零時,Ui =0.RelaydpIRelay 1 邏輯判斷電路邏輯判斷電路由與非門組成,其輸入為電流給定極性信號和零電流信號Ut,Ui ,輸出為邏輯切換信號Uf,Ur ,當Ut由正變負時,開放正組,封鎖反組.當Ut由負變 正時,開放反組,封鎖正組.通過零電流檢測信號 Ui檢測主回路電流是否下降到零,防止 環(huán)流的出現(xiàn),保證系統(tǒng)平安可靠運行.DLC的輸出Uf和Ur邏輯關(guān)系為：UtUf =Ur帀7Ur 二UfU

16、tU|U8電壓信號極性和電流檢測信號共同發(fā)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(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,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,否那么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t 2ms,開放延時t 5ms.發(fā)出切換指令后, 必須先經(jīng)過關(guān)斷延時封鎖原導(dǎo)通脈沖,

17、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,當一組工作時,另一組的觸發(fā)脈沖必須被 封鎖住,否那么會出現(xiàn)短路.關(guān)斷延時和開放延時由邏輯限制器中的延時電路產(chǎn)生.電路如圖：Ria-dudOut1DatiS Type ConversionTransportDeIby將其封裝后如圖:> IniOtitl >delay連鎖保護電路為了保護正反兩組整流器不會發(fā)生同時開放,邏輯限制器中由與非門組成了連鎖保護 電路,采用與非門是由于輸出Uf和Ur的電平與觸發(fā)單元Block端的電平要求一致.在Uf 和Ur同時為“ 1時,兩組整流器都關(guān)斷,防止發(fā)生整流器短路故

18、障.將以上各局部按功能要求連接,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)流限制器限制原理和輸入輸出邏輯關(guān)系見下表:標準文案邏輯限制器輸入 模擬信號數(shù)字信號邏輯限制器輸出 邏輯切換信號說明輸入電壓 信號u輸入電流信號1電壓轉(zhuǎn)換 極性檢測信號Ut零電流檢 測信號U I正組整流器P Uf反組整流器N Ur反組到正組U >01=01101U為正,1=0,反組向正組切換整組P 工作, 反組N阻斷整組整 流U >0I >01001U和1均為正,正組整流,輸出功率為 正整組逆 變U <0I >00001U反向,1仍為正,正組逆變,輸出功 率為負正組到反組U &

19、#163;01=00110U為負,1=0,正組向反組切換反組N工作, 正組P阻斷反組整 流U <0I <00010U和1均為負,反組整流,輸出功率為 正反組逆 變U >0I <01010U反向,1仍為負,反組逆變,輸出功 率為負大全標準文案因給定信號是正弦信號,而移相限制角為0 二,所以要將給定信號通過反余弦函數(shù)變換為0 二的角度,單位是弧度,再用 型的放大器將以弧度為單位的角度變?yōu)橐远葹閚4單位的角度,兩路移相限制角相位關(guān)系還要滿足: n =180,從而滿足限制要求.為了將仿真結(jié)果與給定信號比照,給定電流計算為I _2.34U2cos：(9其中J?=100V , I

20、,(交流電源,工頻、幅值Um=100V ).V22移相角限制電路：根據(jù)前面對余弦交點法的介紹,可在simuli nk中設(shè)計出移相角限制電路,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:大全Currerit Measur&meni9+rC1-&Univertfiil SridieJud-4U-*<T>laadin-Umviersal Bndge lvabvbcAdda IphadagABSynchronized “Pulse Geneor*!a lpha_dQgAS&C|pulgM&lockSynch

21、nonized 5-Polsc； Gcncrtftgr&C | pulgasBlack封裝后的子系統(tǒng)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(guān)參數(shù)設(shè)置及波形圖：負載參數(shù)設(shè)置：負載電阻 R=1 , L =0.001H.Block Parameters: Series RLC BranchSeries RLC Branch(link)OKCancelHelpApply正弦調(diào)制波參數(shù)：A.變頻器輸出頻率f “0Hz時,正弦波調(diào)整參數(shù)設(shè)置： Source Block Parameters: Sine WaveSZB.變頻器輸出頻率f =25Hz時,正弦波調(diào)整參數(shù)設(shè)置:變頻器輸出頻率f =10Hz時,幅值為20,角頻率為20沢ra憶,初相位為0,仿真 結(jié)果如圖：40Q01000.eoooo0.05900030TO30Q01000-200030Q0120001000080Q040Q