三相交交变频电路设计与仿真Word文档格式.docx
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同步电源及六脉冲触发电路建模设计电路DLC
查阅资料和相关参数的设置及调整
《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MATLA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；
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MATLA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。
、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：
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
图2正號型交一交芟频器論出电庄族形
U的波形接近正弦波，可以按正弦规律对触发角a为了使负载上得到的输出电压进行0由大到小再变大去控制正组晶闸管，如P整流工作时，设法使控制角控制，在正组桥p0，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；
从22，就可获得平均值逆变工作时，使控制角由小
变大再变小，如从正组桥Pp22由大变小再变大，如从整流工作时，使控
制角可变的正组逆变电压；
反组桥Nn0由N，就获得平均值可变的反组整流电压；
反组桥逆变工作时，使控制角N22.
，就获得平均值可变的反组逆变电压。
只要电网频率相对如从小变大再变小，22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
规律变化的交流输出。
范围内调节，输出平均电压正弦波幅值如果改变的变化范围，使它们在0，pn2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。
设交交变频
（1）
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:
tsinvVoomo和整流组N切换提供，各整流组输出电压瞬时值为：
整流输出电压瞬时值由整流组P2）（;
COSVCOSVvVNPDmPmND:
整流组所能输出的最高直流电压。
VDm当P组开放时，，
即vvpocosVtVsin（3）
pDommvv，即当N组开放时，N。
cossinVtV
（4）NDmom则可得到：
Vom）（5
on）（carecarcisosintKsppVDmVom）（6
ttsinarccosarccosKsinPNVDmVomk，称为输出变压比。
其中
VDo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:
反组逆变：
.1在此时间段期间，，，反组N工作，正组P被封锁，形成负的负载
电流，iOiV0Noo有源逆变状态，负载回馈电能给N组回路。
反组相控角工
作在PN.正组整流：
Ili，形成正的负载电流反组N被封锁，工作，在此时间段期间，，，正组POivOpoo正组整流状态，P正组相控角工作在组电路输出功率。
P.
正组逆变：
Illi,被封锁，形成正的负载电流工作，正组P反组N，在此时间段期间，，OiVOpoo正组逆变状态，负载回馈电能给P组回路。
正组相控角工作在P.反组整流：
IV在此时间段期间，，，反组N工作，正组P被封锁，形成负的负载电流,iOOivNoo反组整流状态，负组相控角工作在N组电路输出功率。
pn
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，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:
期望频率和幅值的正弦波
（参考波形）
2（）相关子系统模块：
O6脉冲触发器1同步电源与脉冲触发器脉冲触发器两个部分，6同步电源与6脉冲触发器模块包括同步电源和6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。
个晶闸管，模块如图：
同步6脉冲触发器模块用于触发三相全控整流桥的6
日匚
pulses
CA
Blo-ck
Synchronized
6-PulseGenerator
A、输入与输出：
alpha_deg:
（）I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。
（）AB、BC、CA:
IIVVV，同步电压,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。
ABCABC.
（）Block:
iii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。
（）pulses:
IV输出为一个6维脉冲，包含6个触发脉冲。
B、参数设置:
FunctionBlockParanneter&
!
Synchronized&
-PulseGenerator决
Synchroriized5-pulse^sner^torCuaskl（link）
Usethisbloclj"
tofirethe6thyristorsofaS-pulseconverter.ThecutputisavectorerfGpulses（0-1）individuallysjnGhranisedanthe6GornjiutartiontoItages,Pulsesaret^nexated^lpha己確"
gafterl;
hezero-crossingsffthec□mnutationvoltages.
Parameters
Frequency□£
syrLchrorLis^tionvaltages（Hz）:
50
Pulsewidth（degrees）:
io
Doublepulsing
Apply
ODLC2逻辑无环流控制器（DLG逻辑无环流控制器的工作原理A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UU分别通过和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6反组rfUU的状态必须始终保持相反，脉冲触发器来控制是否产生和封锁触发脉冲，输出信号和RF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和是逻辑控IU制器判别改变输出信号状态的重要条件，其中输入信号是由输入电压的极性来决定，输u入信号是由输入电流是否过零点来决定。
IB、逻辑无环流控制器的建模与圭寸装：
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。
电平检测01UUU））转换为数字信号（,,，转换由两个滞环控电平检测是将输入模拟信号（Iit）实现，转换原则：
Realy制模块（•
时，，转换极性检测：
当时，；
当01UU0U0Utt为零时，。
零电流检测：
当电
O逻辑判断电路2,）逻辑判断电路由与非门组成，其输入为电流给定极性信号
和零电流信号（，UUTi由负变由正变负时，开放正组，封锁反组。
当，），当输出为逻辑切换信号（UUUUTTRF检测主回路电流是否下降到零，避免正时，开放反组，封锁正组。
通过零电流检测信号UlUU和逻辑关系为：
环流的出现，保证系统安全可靠运行。
DLC的输出rfU7）
（）U（UUUtifrt
）（8
UUU）（UUifirt电压信号极性和电流检测信号共同发出换组指令，当电压信号改变
极性时，查询零电流检测信号，只有当检测到零电流时，才允许封锁原工作组开放另一组。
O延时电路3逻辑判断电路发出切换指令后还不能立即改变整流器的工作状态。
由于输入端是50Hz的交流信号，所以主回路中的晶闸管管压降也是交流信号，存在自然过零点，在检测到电流为零时并不一定真正为零；
同样，为了保证截止
的整流器能够恢复阻断状态，也需要整流器延时一段时间再开放，但不能延时过长，否则将造成输出的低频波死区过长，波形畸t2mst5ms。
发出切换指令后，，开放延时变变大，谐波增加。
因此，设置关断延时21必须先经过关断延时封锁原导通脉冲，再经过开放延时才能开放另一组脉冲。
无论在任何情况下，两组晶闸
管绝不允许同时加触发脉冲，当一组工作时，另一组的触发脉冲必须被封锁住，否则会出现短路。
关断延时和开放延时由逻辑控制器中的延时电路产生。
电路如图：
DataTyp-eC-cnueisiorlTrsnspOtft
D^l&
y
将其封装后如图:
O连锁保护电路4为了保护正反两组整流器不会发生同时开
放,逻辑控制器中由与非门组成了连锁保护电路，采用与非门是因为输出和的电
平与触发单元Block端的电平要求一致。
在UUUrff和同时为“T时，两组整流
器都关断，避免发生整流器短路故障。
Ur将以上各部分按功能要求连接，就可
得到DLC仿真模型如图：
封装后的子系统如图:
DLC
）控制原理和输入输出逻辑关系见下表：
DLC逻辑无环流控制器（•
逻辑控制器输入（模拟信号）
数字信号
逻辑控制器输出（逻辑切换信号）
输入电压信号U
输入电流
信号1
电压转换极性检测信号UT
零电流检测信号Ui
正组整流器
（）PUf
反组整流器
（）NUr
反组到正组
U0
0I
1
P整组,工作N反组阻断
整组整
流
整组逆变
0U
0I
正组到反组
N反组工作，
P正组阻断
反组整流
0Is
反组逆变.
U0
，所以要将给定信号通过反余弦函数因给定信号是正弦信号，而移相控制角为
0180的放大器将以弧度为单位的角度变为以度为变换为的角度，单位是弧度，
再用0?
单位的角度，两路移相控制角相位关系还要满足，从而满足控
制要求。
180np为了将仿真结果与给定信号对比，给定电流计算为o34Uc2s.）
bRUIOOm,,
（交流电源，工频、幅值。
）其中VUV100UR仙220移相角控制电路:
3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:
）单相交交变频电路仿真主电路如图：
3（
（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:
O1负载参数设置：
负载电阻，。
H.001L0R1
Itrun
”BlockPararv\^te-fE!
&
«
riesR1匚Branch圧
SeriesRLCBranch（mafk）flink）
ImpleoRents虫seriesbranchofRLCelenkents.
UsetlieTBraffichtype'
paraiwetertoaddorremoteelewientsfromthebranch・
Inductaruce（H）:
0.001
］片thsinitialinductorcurrent
Mea^utemerrtsNone▼
Hzf10
O2正弦调制波参数：
A.变频器输出频率时，正弦波调整参数设置:
駅SourceBlockParanneters;
SineWave
Usethesainple-ba^edsinetypeifnumeri匚遇］problemsduetorunning：
forlargetinies（e.overflowinabsolutetime）occur・
ParaiLeters
Sinetype:
Timeb^sed1
Tine（t）:
Usesimulation,tinie1
Amplit-ude:
2
Bias：
Frequency（rad/sec）:
20*pi
Phase（rad）;
Sainplelime:
■/Interpretvectorparaneteraas1^D
时，正弦波调整参数设置：
变频器输出频率B.Hz25f
rad，仿真结0幅值为20，角频率为）（，初相位为时，变频器输出频率20Hzf10s果如图：
rad）,初相位为，角频率为0（，仿真结20,时幅值为变频器输出频率50Hzf25s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丫形连接方式，即将3个单相输出交交变频器的一个输出端连在一起，另一个输出端丫输出。
三相交交变频器仿真模型结构图如图：
负载为RL负载，负载采用丫连接，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：
、变频器输出频率2时：
Hzflorad102）,初相位参数设置分别为0（角频
率为参数设置：
）（，（rad），0.1rad2031020.1。
仿真结果
如图：
3
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.
2.陈坚.电力电子学——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
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