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1、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AC-AC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11日组员姓名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 的设置及调整三相交交变频电路设计与仿真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、初步掌握电力电子
2、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. 电路参数计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完成情况；
3、4、验收时由指导教师指定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=10Hz、25HZ 时的仿真波形。关键词：交交变频；余弦交点法；MATLAB
4、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由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a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a按余弦规律变化得到正弦波。由晶闸管组成的三相输入
5、单相输出的交交变频电路，电路由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：图1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）输出正弦波形的获得方法为了使负载上得到的输出电
6、压U0的波形接近正弦波，可以按正弦规律对触发角a进行 控制，在正组桥P整流工作时，设法使控制角a,由大到小再变大去控制正组晶闸管，如 屿-0一|，必然引起输出的平均电压由低到高再到低的变化，即获得正组整流电压;正组桥p逆变工作时，使控制角气由小变大再变小，如从? 2，就可获得平均值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a”由大变小再变大，如从IE -1，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气由小变大再变小，如从:兀T?，就获得平均值可变的反组逆变电压。只要电网频率相对 输出频率高出很多倍，就能得到由低到高，再由高到低接近正弦波规律变化
7、的交流输出。如果改变a P，aN的变化范围，使它们在0 vav?范围内调节，输出平均电压正弦波幅值 也会改变，从而达到调压目的。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a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。（1）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：v = V sin w t整流输出电压瞬时值由整流组P和整流组N切换提供，各整流组输出电压瞬时值为:v = V cos a ； v =-V cos aVq”整流组所能输出的最高直流电压。当P组开放时，v
8、= vp，即V sin t = V cos a当N组开放时，v= Vn，即V sin t = V cos a则可得到:=arccos - om -sin wt IK J= arccos(K sin(a )f V=arccos -mVDmsin wtJ=arccos(- K sin wt)=k -a（2）（3）（4）（5）（6）其中K = o，称为输出变压比。VDo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a的基本公式(2)电路的工作状态分析:I. 反组逆变：在此时间段期间，匕0，io 0，反组N工作，正组P被封锁，形成负的负载电流iN， 反组相控角工作在an =； -
9、ap有源逆变状态，负载回馈电能给N组回路。村II. 正组整流：N 在此时间段期间，匕0 , i。0，正组P工作，反组N被封锁，形成正的负载电流ip , 正组相控角工作在a正组整流状态，P组电路输出功率。pIII. 正组逆变：在此时间段期间，匕 0，i。 0，正组P工作，反组N被封锁，形成正的负载电流ip , 正组相控角工作在a正组逆变状态，负载回馈电能给P组回路。pIV. 反组整流：在此时间段期间，匕 0，i。 0，反组N工作，正组P被封锁，形成负的负载电流iN , 负组相控角工作在a广=-ap反组整流状态，N组电路输出功率。村可见，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工作状态，
10、那组变流 电路工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，二者方向一致工作在整流，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：1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
11、图：SnchranizedB-Pulse： Generator入、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7,。,七A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:际 Function Block Paramet
12、ers: Syrchranised S-Pulse Generator 溪Synchroriised S-pulse g&n.eratoe CntaskO Clinlt)Use this block to fire the 6 thyristors of a 6-pulse converter. The output is a wector of 5 pulses CO-1)Iindivi dually synchronized on the 6 conuiLiit at ion volt ages. Pulses are generated alpha degrees aft er the
13、increasing zero-crossings of the commutat ion wolt ages.Faramet ersFrequency of synchronisat ion volt ages CHz) :50Pulse width (degrees):10Double pulsingOXCancel Help Apply血逻辑无环流控制器（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Uf和Ur分别通过6 脉冲触发器来控制是否产生和封锁触
14、发脉冲，输出信号U f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是由输入电压的极性来决定，输 入信号I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：逻辑控制器由电平检测、逻辑判断、延时电路和连锁保护电路四个部分组成。Q电平检测电平检测是将输入模拟信号（U ,I ）转换为数字信号（Ut ,U,），转换由两个滞环控 制模块（Realy）实现，转换原则：,转换极性检测：当U 0时，Ut = 1 ；当U 0I = 011011整组P 工作， 反组N 阻断整组整流U
15、0I 01001U和整组逆 变U 00001U反正组到反组U 0I = 00110U反组N 工作， 正组P 阻断反组整 流U 0I 0I 01010U反13 / 23因给定信号是正弦信号，而移相控制角为0兀，所以要将给定信号通过反余弦函数 变换为0 兀的角度，单位是孤度，再用既的放大器将以孤度为单位的角度变为以度为 兀单位的角度，两路移相控制角相位关系还要满足ap +an = 180，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(9)I = 2.34U2cosa ./其中U2 = % = 100V ,R = 1。,(交流电源，工频、幅值Um = 100V )。移相角控制电路：
16、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：(3)单相交交变频电路仿真主电路如图:Eilphe dtaSynch ranized E-Fulse G ereratDrSynch remind B-puI&b GeneratorlInanncmelnGFurdionBlodcalpha 而g封装后的子系统如图:IBcadi-in 口 kxadkouicSutjsysitern（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：Q负载参数设置：负载电阻R = 1。，L = 0.001H。Q
17、正弦调制波参数：A.变频器输出频率f = 10Hz时，正弦波调整参数设置:B.变频器输出频率f 25Hz时，正弦波调整参数设置:三相交交变频电路设计与仿真变频器输出频率f = 10Hz时,幅值为20,角频率为2S ( rad/s ),初相位为0,仿真结 果如图：变频器输出频率f = 25Hz时,幅值为20，角频率为5S( 叫)，初相位为0，仿真结 果如图：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图：止面 m iadm甥 IMI负载为RL负
18、载，负载采用Y连接，3根引出线与变频器的3根输出线对应相连，移相 控制心号为3个相位互差120度的正弦信号。三相交交变频器仿真电路如图：4E.i2i-i：rri:W1-*2、变频器输出频率f = 10Hz时:参数设置：角频率为2S ( m%)，初相位参数设置分别为0( rad ),-宣四丰。(rad), I 3 J”；10x 0.1。仿真结果如图：V 3 J3、变频器输出频率f = 25Hz时:参数设置：角频率为50兀(叫)，初相位参数设置分别为0 (rad ),x 0.04(rad )，I 3 J50 x 0.04(rad )。仿真结果如图: 3 )400020002000:坐囹I#角；3|
19、弛璃留B ATrna e ilBet 。40004000I -2000D2000-4000-30004000以上两图，光滑的波形为正弦调制波波形，非光滑的波形为三相交交变频器输出波形， 仿真表明，三相交交变频器的输出波形接近于正弦调制波波形，改变正弦调制波频率时， 三相交交变频器的输出波形频率也改变，实现变频。以上是单相交交变频电路和三相变频电路的设计方法，晶闸管交交变频器在大功率场 合有很高的应用价值，是一个可以深入研究的课题。参考文献1.周源深.电力电子技术与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，2005.22 / 232. 陈坚.电力电子学一一电力电子变换和控制技术（第三版）.北京：高等教育出版社，2011.3. 王云亮.电力电子技术.北京：电子工业出版社，2004.4. 张绍静.基于MATLAB/simulink的交交变频器仿真研究.常州工学院学报.2008年第三期
