三相全控整流电压源实训报告..doc
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1、电气工程学院2011级电力电子与电力传动实训报告项目名称: DC110V/484W全控整流电压源 项目负责人: 项目成员: 负责老师: 郭育华 卢国涛 指导老师: 郭育华 2014年 12月10日项目成绩:评阅人:指导老师: 年月日项目负责人:姓名 学号 项目成员:姓名 学号 项目成员:姓名 学号 目 录1、实训要求以及指标21.1 实训要求21.2实验内容21.3指标21.4 仿真软件22、实训的主电路设计32.1工作原理32.2 参数选择53、实训的控制电路设计54、系统仿真74.1 仿真软件MATLAB74.2 仿真模型的建立74.2.1开环控制84.2.2 闭环控制105、实验分析11
2、5.实验平台介绍115.1.1系统构成125.2.2 实验接线135.3 实验流程与波形记录165.3.1 开环实验165.3.2 闭环实验186、结论、问题和体会206.1 实验结论206.2 感受与体会20摘要整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路,整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号,同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件。 通过实验接线和调试,三相交流输入通过同步变压器降压,再通过三相全控桥实验箱整流输出,由示波器观察输出波形。三相整流控制箱根据三相全控桥实
3、验箱的输入电压,以及电路板上可变电阻调节,输出双窄脉冲波的触发信号,通过脉冲功放箱放大作为三相全控整流实验箱的控制信号。本次实验采用MATLAB软件中的SIMULINK平台进行电路设计,并进行仿真。在开环控制时,改变电压,可以实现整流输出电压在不同触发角时波形有着明显的区别,都是对称六脉波。在闭环控制时,其触发角主要由电压反馈电路,电流反馈电路进行调节,在示波器时基因数足够大的观察前提下,调节调压器,使该实验输出稳定的六脉波波形。经过验证,在实验过程中,闭环条件下,改变输入电压,或者是改变负载阻值,都能够使负载输出电压稳定不变;在闭环仿真中,将220V输入电源换为280V电源,再将25换为20
4、负载接入,输出电压基本稳定,实现了闭环控制。、 实训要求以及指标1.1 实训要求本次实验为三相全控整流实验,本实验的实验目的主要有以下几个方面:1)熟悉PESX-24三相整流控制箱;2)了解三相全控整流的系统结构,工作原理;3)掌握三相整流系统开环与闭环调试的正确方法;4)验证PI控制器参数对闭环系统的影响。 1.2实验内容1)三相相控整流系统的开环与闭环调试.2)观察、分析三相相控整流系统各点波形。1.3指标1.3.1 开环指标 开环中,在不同触发角下得到不同的输出直流电压,在0-60度输出电压波形连续,大于60度电压波形出现断续情况。1.3.2 闭环指标 采用电压闭环控制,达到以下是项目的
5、技术指标:输入电压:AC220V(三相),电压波动15%输出电压:DC110V 输出功率:484W恒压精度:优于5%电压调整率:优于5%负载整率:优于5%1.4 仿真软件本次实验采用MATLAB软件中的SIMULINK平台进行电路设计,并进行仿真。SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,其中的Sim Power Electronic 工具箱能够非常好的实现电力电子技术的相关仿真。基于以上优点SIM
6、ULINK已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。、 实训的主电路设计通过电力电子技术课本以及实验指导书,利用MATLAB的Simulink仿真软件平台,搭建出三相全控整流电路的主电路。其中仿真模型中的数据来源于实验室提供的实验器件的参数。 2.1工作原理2.1.1三相桥式全控整流电路特性分析三相桥式全控整流电路图是应用最为广泛的整流电路,其电路图如下:图2-1 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路由三相半波共阴极接法(VT1 ,VT3 ,VT5 )和三相半波共阳极接法(VT4 ,VT6 ,VT2)的串联组合。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通,构成电流通路
7、,因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通, 必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲,每隔/3 换相一次,换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行,但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT 3-V T4-VT5-VT6;共阴极组T1 ,T 3 ,T5的脉冲依次相差2/3;同一相的上下两个桥臂,即VT1和VT4 ,VT3和VT6 ,VT5 和VT2的脉冲相差,当=0时,输出电压Ud 一周期内的波形是6 个线电压的包络线,所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6 倍, 比三相半波电路高1倍, 脉动减小,而且每次脉动的波形都一样, 故该
8、电路又可称为6脉动整流电路。2.1.2 三相桥式全控整流电路定量分析(1)当整流输出电压连续时(即带阻感负载时,或带电阻负载 a60 时)的平均值为: (2-1)(2)带电阻负载且 a 60时,整流电压平均值为: (2-2)输出电流平均值为Id=Ud/R2.1.3晶闸管的选择 晶闸管的额定电压由三相全控桥式整流电路的波形(图2-4)分析知,晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值 2-3故桥臂的工作电压幅值为: 2-4考虑裕量,则额定电压为: 2-12 晶闸管的额定电流晶闸管电流的有效值为: 2-5考虑裕量,故晶闸管的额定电流为:2-62.1.4平波电抗器的选择为了限制输出电流脉动和
9、保证最小负载电流时电流连续,整流器电路中常要串联平波电抗器。对于三相桥式全控整流电路带电动机负载系统,有: 2-7其中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。由题目要求:当负载电流降至20A时电流仍连续。所以取20A。所以有: 2-82.2 参数选择 根据指标要求以及电力电子与电力传动实训实验指导书及实验室设备选择各元器件的参数:输入三相交流电压:AC 220V;输出直流电压:DC110V;整流桥:理想的晶闸管组成的三相整流桥; 负载电阻:设置P=484W,选取电阻 25欧姆;滤波电感:考虑电流为4.4A,选取滤波电感为0.5H; 滤波电解电容:400uF;PI控制器比例系数:3.
10、2 积分系数:4.2限幅器上限:90 下限;0、 实训的控制电路设计晶闸管可控整流电路,通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来 控制输出电压大小。输出电压通过与给定电压比较,差值通过PI调节后进行限幅,送入比较器与方波进行比较。从比较器输出比较结果的PWM波送入晶闸管驱动电路,驱动晶闸管导通关断。当负载两端的电压高于预设电压时,得到一个负电压,经过PI调节与限幅后,比较器讲之与方波做比较,得到一个周期不变,占空比减小的PWM信号。Uo将降低。当负载两端的电压低于预设电压时,得到一个正电压,经过PI调节与限幅后,比较器讲之与方波做比较,得到一个周期不变,占空比变大的PWM信号。Uo将升高
11、。控制电路如下图3-1:图3-1 PID类控制器的基本结构连续PID控制器的最一般形式为 其中,和分别是对系统误差信号及其积分与微分量的加权,控制器通过这样的加权就可以计算出控制信号,驱动受控对象模型。如果控制器设计得当,控制信号将能使误差按减小的方向变化,达到控制要求。 PID控制的结构简单,另外,这三个加权系数,和都有明显的物理意义:比例控制器直接影响应于当前的误差信号,一旦发生误差信号,则控制器应立即发生作用,以减少偏差。本实验中为实现恒压控制,我们采用的控制原理如下图3-2:图3-2恒压控制设计框图整流电路以移相触发集成芯片TC787为核心,接收来自三相同步变压器的三相同步信号和移相控
12、制信号,产生相应的六路触发脉冲。电压传感器采集输出的电压信号,经过比例处理后将采集的信号输入加法器,利用加法器将取的信号与给定电压相比较,求出偏差电压。然后将偏差电压输入比例积分器,通过比例积分器、限流器处理偏差电压。处理后的偏差电压此送至反余弦函数,得到延迟角。延迟角送到晶闸管触发角产生器,并形成门极信号,控制整流桥,整流桥中的各个晶闸管按依次导通。最后在输出侧,得到理想输出。双闭环控制电路:电路原理如图,CSfive 为开环/闭环控制开关。 当开关拨到 3 位置时,系统为开环控制,来至 的给定信号()经过 给定积分电路使输出为(),控制触发脉冲的移相范围在 变化。当开关拨到 2 位置时,系
13、统为闭环控制,给定信号()与电压 反馈信号的误差值输入电压外环调节器产生电流给定值,电流给定值与电流 反馈信号的误差值输入电流内环调节器,产生移相控制信号,使输出电压跟随给定电压变化。3.1、控制电路工作原理PESX-24三相整流控制箱由各部分电路共同组成,下面将对各部分电路的电路图和工作原理一一介绍。3.1.1、锯齿波同步移相触发电路锯齿波同步移向触发电路原理图如图3.1所示。图3.1 锯齿波同步移向触发电路原理图锯齿波同步移向触发电路以移相触发集成芯片 TC787 为核心,接收来自三相同步变压器的三相同步信号和移相控制信号 Ut,产生相应的六路触发脉冲。 来自保护电路的 LOCK信号接入
14、TC787 5 管脚,当 LOCK 信号为高电平时,TC787 将封锁输出脉冲达到保护电路的作用。调整 W2、W4、W6 三个电位器可以同时调整输出六脉波中应某一相两个波头的幅值;调整 W1、W3、W5 三个电位器可以分别调整输出六脉波中对应某一相两个波头之间的幅值。3.1.2、双闭环控制电路双闭环控制电路原理如图3.2所示。CS5为开环/闭环控制开关。当开关拨到 3 位置时,系统为开环控制,来至 Ug 的给定信号( 0- -10V)经过给定积分电路使 Ut 输出为(0-10V),控制触发脉冲的移相范围在 0-150变化。当开关拨到 2 位置时,系统为闭环控制,给定信号 Ug(0- -10V)
15、与电压反馈信号的误差值输入电压外环调节器产生电流给定值,电流给定值与电流反馈信号的误差值输入电流内环调节器,产生移相控图3.2 双闭环控制电路原理图制信号 Ut,使输出电压跟随给定电压变化。积分电路由 U2A 和 U2B 运算电路组成;积分电路的输入 CS3(-)和输出CS2(+)大小相等,极性相反,调节电位器 W9 能调节积分速度。U2A给定积分器输入与输出关系如下:其中:15:U2输出电压;P:电位器W9上分压系数。电压外环调节器由 U2C 运算电路构成,其输入为 CS2(+)与电压反馈输出信号 CS7(-)之和,输出为 CS4(-);调节 W7 可以调节电压外环调节器的时间参 数,从而调
16、节 PI 参数。电压外环调节器输出饱和值为稳压管 WD1稳压值-10V。电流内环调节器由 U2D 运算电路构成,其输入为 CS4(-)与电流反馈输出信号 CS10(+)之和;调节 W8 可以调节电流内环调节器的时间参数,从而调节 PI 参数。环调节器输出饱和值为稳压管 WD2 稳压值+10V。U3A 及其周边元件构成的反相放大器作为电流调节器和TC787之间接口的变换器。对于 TC787 来说,当 Ut 越小,则其触发脉冲开通角越小,整流输出电压就越大。而给定越大,电流调节器输出越大,为此,在这两者之间加一个反相器,使得给定增加时,整流输出电压也增加。调节 W12 可使在给定一定值时,输出电压
17、变化。当给定值小于 0.2V 时,结型场效应管 Q1 和 Q2 导通,把电压外环和电流内环调节器输出锁零,保证给定为零时输出也为零。电压反馈电路为 U3B 组成的反比例放大电路,调节电位器 W11 可以调节比例放大倍数。电流反馈电路为 U3C 组成的正比例放大电路,调节电位器 W13 可以调节比例放大倍数。3.1.3、保护及故障显示电路保护及故障显示电路原理如图3.3和3.4所示。图3.4 故障显示电路图3.3 过流过压保护电路当电流反馈 USF 或是电压反馈 UIF 大于设定值时,即输出过流或者过压,Lock 信号输出为高, TC787 封锁输出脉冲。此时,GZ 输出为高电平,三极管导通 D
18、28 指示灯亮,JD2 继电器动作。分别调节电位器 W16 和 W17,可以设定保护电路动作的输出电压或者输出电流阈值。3.2闭环控制方式选择闭环控制方式采用电压单闭环控制方式,流程图如图3.5所示。闭环实验时,输出电压信号(反馈电压)被送入电压传感器,与给定的电压值进行比较,将得到的偏差信号输入比例积分控制器(PI调节器),通过PI调节后消除偏差电压,使输出的电压值逐步趋于稳定。限幅环节将偏差信号转换成角度,输入到角度控制器中,对原来的触发角进行修正,并最后调节晶闸管的触发角来控制输出电压值。因此,在电压反馈单闭环控制作用下,输出电压最终将会稳定在给定值附近。从而保证在输入电压和负载发生变化
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