单相交交变频电路课程设计.doc

电力电子技术课程设计说明书 单相交交变频电路系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 自动化 班 级： 0902班 完成时间： 2012年5月1日 目录摘要11 设计要求与原理分析与方案设计21.1 要求分析21.2 原理说明21.2.1原理图21.2.2整流与逆变工作状态31.2.3输出正弦波电压的调制方法61.3 方案设计72 电路仿真与仿真结果分析82.1 电路的仿真82.2仿真结果与分析103 心得体会13参考文献14摘要20世纪30年代交交变频电路就已经出现，当时采用的是水银整流器，曾经有装置用在电力机车上，由于原件性能的限制，没能得到推广。到20世纪70年代，随着晶闸管的问世交交变频电路曾经广泛应用于电机的变频调速。20世纪80年代随着全控器件的广泛应用，交交变频电路逐渐被交直交变频电路取代。近年来随着现代工业生产及社会发展的需要推动了交交变频技术的飞速发展，现代电力电子器件的发展和应用、现代控制理论和控制器件的发展和应用、微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流变频技术的发展和应用创造了新的物质和技术条件，交交变频电路又逐渐成为研究的热点。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，最后用Matlab仿真软件对交交变频电路进行了建模和仿真研究。 关键词：交交变频 余弦交点法 Matlab仿真 单相交交变频电路仿真1 设计要求与原理分析与方案设计1.1 要求分析根据设计任务书要求，采用交交变频器设计，在负载电阻、负载电感；控制变频器输出频率为。控制信号的正弦波参数设置：幅值为1、角频率为，初相位为0。首先明确交交变频电路是直接由工频交流经过晶闸管控制变为可变频的交流电压。它与交直交变频或者直流变交流有很大的区别。下面简单介绍交交变频电路的工作原理。1.2 原理说明交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路。因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。交交变频电路广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。单相输出交交变频电路是三相输出交交变频电路的基础。因此本节介绍的是单相输出交交变频电路的构成、工作原理及控制方法。1.2.1原理图交变频电路的工作原理与相控整流器的工作原理基本相同，现在以三相输入单相输出的交交变频电路为例详细分析其工作原理。图1是单相交交变频电路的原理图和输出电压波形。电路有P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成。变流器P和N都是相控整流电路，P组工作时，负载电流为正，N组工作时，为负。让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频图1 单相交交变频电路原理图和输出电压波形率的交流电。改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率。改变变流电路工作时的触发延迟角，就可以改变交流输出电压的幅值。为了使输出电压的波形接近正弦波，可以按正弦规律对触发延迟角进行调制。如图1波形所示，可在半个周期内让正组变流器P的按正弦规律从逐渐减小到或某个值，然后再逐渐增大到。这样，每个控制间隔内德平均输出电压就按正弦规律从零逐渐增至最高，再逐渐降低到零，如图中虚线所示。另外半个周期可对变流器N进行同样地控制。图1的波形是变流器P和N都是三相半波可控电路时的波形，可以看出，输出电压并不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成。在输出电压的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。因此，交交变频电路通常采用6脉波的三相桥式电路或12脉波变流电路。1.2.2整流与逆变工作状态交交变频电路的负载可以是阻感负载、电阻负载、阻容负载或交流电动机负载。这里以阻感负载为例来说明电路的整流工作状态与逆变状态，这种分析也适用于交流电动机负载。如果把交交变频电路理想化，忽略交流电路换相时输出电压的脉动分量，就可以把电路等效成图2所示的正弦波交流电源和二极管的串联。其中交流电源表示变流电路可输出交流正弦电压，二极管体现了变流电路电流的单方向性。图2 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态分析图图3 单相交交变频电路输出电压和电流理想波形假设负载阻抗角为，即输出电流滞后输出电压角。另外，为避免两组变流器之间产生环流（在两组变流器之间流动而不经过负载的电流），两组变流电路在工作时不同时施加触发脉冲，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲（这种方式成为无环流工作方式）。图2给出了一个周期内负载电压、电流波形正反两组变流电路的电压、电流波形。由于变流电路的单向导电性，在期间的负载电流正半周，只能是正组变流电路工作，反组电路被封锁。其中在阶段，输出电压和电流均为正，故正组变流电路工作在整流状态，输出功率为正。在阶段，输出电压已反向，但输出电流仍为正，正组变流电路工作在逆变状态，输出功率为负。在阶段，负载电流负半周，反组变流电路工作，正组电路被封锁。其中在阶段，输出电压和电流均为负，反组变流电路工作在整流状态，在阶段，输出电流为负而电压为正，反组变流电路工作在逆变状态。可以看出，在阻感负载的情况下，在一个输出电压周期内，交交变频电路有4种工作状态。哪组变流电路工作是由输出电流的方向决定的，与输出电压极性无关。变流电路工作在整流状态还是逆变状态，则是根据输出电压方向与输出电流方向是否相同来确定的。图3是单相交交变频电路输出电压和电流的波形。如果考虑到无环流工作方式下负载电流过零的正反组切换死区时间，一周期的波形可以分为6段，第1段<0、>0，为反组逆变；第2段电流过零，为切换死区；第3段>0、>0，为正组整流；第4段>0、<0，为正组逆变；第5段又是切换死区；第6段<0、<0为反组整流。当输出电压和电流的相位差小于时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，若负载为电动机，则电动机工作在电动状态；当两者相位差大于时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，即电网吸收电压，电动机工作在发电状态。1.2.3输出正弦波电压的调制方法通过不断改变触发延迟角，使交交变频电路的输出波形基本为正弦波的调制方法有多种。这里主要介绍最基本的余弦交点法。设为=0时整流电路的理想空载电压，则触发延迟角为时变流电路的输出电压为对交交变频电路来说，每次控制时都是不同的，上式中的表示每次控制间隔内输出电压的平均值。设要得到的正弦波输出电压为比较以上两式，应使式中，称为输出电压比，。因此上式就是用余弦交点法求交交变频电路触发延迟角的基本公式。上述余弦交点法可以用模拟电路来实现，但线路复杂，且不易实现准确的控制。采用计算机控制时可方便的实现准确的运算，而且除计算外，还可以实现各种复杂的控制运算，使整个系统获得很好的性能。1.3 方案设计以上从硬件工作原理，和波形产生原理解释了单相交交变频电路的工作过程。下面整合上面说明，提出如下方案设计。正反两组晶闸管桥反并联，负载为RL阻感性负载。为了能使正反两组晶闸管桥导通，需要正反两组同步六脉冲触发器。而且在给定信号的正半周，应使正组同步六脉冲触发器工作，且封锁反组脉冲；同样，在给定信号的负半周，应使反组同步六脉冲触发器工作，且封锁正组脉冲。为了达到上述目的，我们需要一个正反组变流器轮流导通的切换装置，此装置将给定正弦信号经过一系列的变换后信号分两路输出，一路给正组同步六脉冲触发器，另一路给反组同步六脉冲触发器。同时，交交变频要求负载的频率能跟随给定信号的频率变化，通过改变正反两组晶闸管桥的触发角就可以达到这个目的。而晶闸管桥的触发角是通过同步六脉冲触发器控制的，因此，我们需要让同步六脉冲触发器的输入控制角跟随给定信号的变化而变化。创建一个触发角调制模块即可达到此目的，由余弦交点法可知，给定信号经过变换后应分两路输出，一路给正组同步六脉冲触发器，另一路给反组同步六脉冲触发器。2 电路仿真与仿真结果分析根据方案，用MATLAB软件仿真，首先在软件上画出原理图，然后仿真调试，最后根据仿真波形进行分析。2.1 电路的仿真根据方案原理图，在，MATLAB上连接的总电路图如图4所示。图4 仿真总电路图下面具体电路中各个部分对总电路图进行说明。（1）触发角调制模块。如图5所示，触发角调制模块输出的信号分别对正反组同步六脉冲触发器的触发角进行控制。图5 触发角调制模块由前面的余弦交点法知，正组的同步六脉冲触发器触发角，先对给定的正弦信号取反余弦，得到控制角的弧度，再通过增益180/pi换算成角度，即可控制正组的同步六脉冲触发器。在此基础上，用减去即得到反组同步六脉冲触发器的触发角。（2）正反组变流器轮流导通的切换装置模块。正反组变流器轮流导通的切换装置，其任务是：在正组晶闸管桥工作时开放正组脉冲，封锁反组脉冲；在反组晶闸管桥工作时开放反组脉冲，封锁正组脉冲。仿真模型主要采用一个符号函数、一个Switch开关、绝对值函数Abs，结合适当的数学运算，搭建出如图6所示的仿真模型。图6 正反组变流器轮流导通的切换装置单位正弦给定信号经过符号函数的变换后得到“0”和“1”，当其输出为“1”时，选择开关输出“0”，1端输出“0”使正组同步六脉冲触发器导通,2端输出“1”使反组同步六脉冲触发器不导通；当其输出为“0”时，选择开关输出“1”， 1端输出“1”使正组同步六脉冲触发器不导通，2端输出“0”使反组同步六脉冲触发器导通。2.2仿真结果与分析当控制器输出频率为10Hz时，输出电压与电流波形分别如图7和8所示。图7 控制器输出频率为10Hz时的输出电压波形图8 控制器输出频率为10Hz时的输出电流波形当控制器输出频率为25Hz时，输出电压与电流波形分别如图9和10所示。图9 控制器输出频率为25Hz时的输出电压波形图10 控制器输出频率为25Hz时的输出电流波形由仿真波形可以看出，交交变频电路的输出电压是由许多断电网电压拼接而成的，输出电压一个周期内拼接的电网电压段数越多，就可使输出电压波形越接近正弦波。每段电网电压的平均持续时间是由交流电路的脉波数决定的。因此，当输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压的段数就减少，波形畸变就严重。电压波形畸变以及由此产生的电流波形畸变和电动转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。由以上分析可知，当控制器输出频率越低时，输出电压及电流波形就越接近于正弦波，而根据截图我们也可以看出，控制器输出频率为10Hz时的输出波形比控制器输出频率为25Hz时的输出波形更接近于正弦波。3 心得体会本次交交变频器的设计和和之前学过的电力电子的内容差不多。首先单就内容上说基本上全是电力电子的知识，基本不涉及到这学期所学习的运动控制理论。但这个电路确在控制电机中有很大的运用。在变频调速中有广泛的运用。所以本次课程设计还是有很大的意义的。刚开始拿到这个题目的时候我就翻阅了上学期电力电子的教材，上面就已经有了单相交交变频知识的介绍，于是对单相交交变频的原理有了一定的认识。只剩下在MATLAB中仿真的运用了。于是根据以前课程设计的经验查阅网上资料，到西院图书馆借了周渊深的电力电子技术与MATLAB仿真一书，后来又在网上下载了洪乃刚的电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真一书，认真阅读完相关知识后，就知道怎么样仿真了，然后MATLAB也很顺利的完成了。虽然仿真出来的波形和理论上还有很大的差距但是其变化趋势还是和理论上的一样。总之由于前两年课程设计的经验，这次题目又不是很难，使得设计过程相对轻松，比较快的到达了设计要求。经过两周的课程设计让我学会了很多，从题目的选择到原理的设计，从仿真调试到到报告的撰写每一步都付出了辛勤的汗水。但更重要的是我收获了更多。这两周的时间不仅让我巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。使自己从理论到实践又迈出了坚实的步伐，这对我们这些即将走上工作岗位的同学有很大的帮助，我也相信今天学到的知识在以后的工作中绝对有用武之地。参考文献1 周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，20052 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.北京：机械工业出版社3 王兆安，刘进军. 电力电子技术.机械工业出版4 李序葆，赵永健. 电力电子器件及其应用.机械工业出版，19965 赵良炳. 现代电力电子技术基础.清华大学出版社，1995