三相全控整流电压源.docx

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三相全控整流电压源

电气工程学院2010级

电力电子与电力传动实训报告

项目名称：

DC75V/100W相控整流电压源

项目负责人：

项目成员：

负责老师：

郭育华卢国涛

指导老师：

郭育华卢国涛

2013年12月15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　　　　

摘　　要

本项目完成的是三相全控整流电压源，通过实验，将三相的电压源整流成一个所要求的直流电压源。

一般需要把交流变成可以调整电压大小的直流电的场合都可以用三相全控整流电路。

比如同步发电机的励磁系统，背靠背联网的直流输电系统，企业的直流系统，电解电镀工业都需要三相整流电路。

本次实验的三相全控整流电压源，我们先在仿真软件PSIM上进行仿真，在开环条件下，改变输入电压，输出电压会随之改变，改变负载电阻，输出电压也会发生变化；在闭环条件下，不论是改变输入电压还是负载电阻，输出电压基本保持不变。

最后在实验室进行了实际操作，开环实验中，经过调试，出现了六脉波，反映出实验线路的正确性，然后改变输入与负载电阻，输出电压都发生变化，闭环条件下，改变输入电压与负载电阻，输出电压维持在75V，功率为95W左右，满足指标的要求。

目　录

1、项目技术目标1

1.1指标1

1.1.1开环指标1

1.1.2闭环指标1

1.1.3参数指标1

1.2仿真软件1

2、项目的主电路设计2

2.1主电路设计2

２.2工作原理2

２.3参数选择4

3、项目的控制电路设计4

3.1控制电路的设计方案4

3.2控制电路的工作原理5

3.2.1电压单闭环控制6

3.2.2保护电路6

3.2.3给定电位器6

3.3参数选择7

3.3.1参数选择方法7

3.2.2参数的确定7

4、系统仿真7

4.１仿真软件PSIM7

4.2仿真模型的建立7

4.2.1开环8

4.2.2闭环仿真实验9

5、实验分析12

5.１实验平台介绍12

5.1.1系统参数13

5.1.2系统构成13

５.２采用的实验箱14

５．3实验流程与波形记录15

5.3.1开环实验15

5.3.2闭环实验18

６、结论、问题和体会21

6.1结论21

6.2问题21

6.3体会22

1、项目技术目标

本项目为三相全控整流电路，在开环实验情况下，通过调节6个电位器，使输出的电压波形为六脉波，再调节给定电压，观察波形的变化。

在闭环实验情况下，调节PI参数使输出的电压波形六脉波稳定，同时改变输入电压，此时输出电压应保持不变。

1.1指标

1.1.1开环指标

在开环的情况下，通过调节电位器使三相脉冲的各相出现双窄脉冲，并且双窄脉冲的间距为3.3ms，实现之后，输出的电压波形即为一个总长为20ms的六脉波，此时，增大输入电压，输出电压也同时增大。

1.1.2闭环指标

在闭环情况下，改变输入电压值，输出电压基本稳定在一个电压值，这样便实现了闭环控制。

1.1.3参数指标

系统的输入输出参数目标：

输入电压：

AC380V，电压波动±15%

输出电压：

DC75V,

输出功率：

100W

恒压精度：

优于5%

电压调整率：

优于5%

负载调整率：

优于5%

1.2仿真软件

对于三相全控整流实验的仿真可用MATLAB、PSIM等软件实现。

我们本次实验主要采用了PSIM软件进行仿真。

PSIM软件是一款专门为电力电子和电动机控制设计的仿真软件。

它可以快速的仿真和便利的与用户接触，为电力电子，分析和数字控制和电动机驱动系统研究提供了强大的仿真环境。

2、项目的主电路设计

2.1主电路设计

通过查阅电力电子技术中三相整流电路的相关资料结合所学内容，在PSIM仿真软件平台上，我们可以较为轻松的搭建出三相全控整流实验的主电路。

仿真模型中的数据来源于实验室提供的实验器件的参数。

下图为开环时的三相全控整流实验主电路：

图1三相全控整流电路的开环主电路

２.2工作原理

三相全控整流电路分为带阻性负载，带感性负载两种情况，在这儿主要讲带阻性负载时的工作原理。

在第

（1）段期间，a相电压最高，而共阴极组的晶闸管KP1被触发导通，b相电位最低，所以供阳极组的晶闸管KP6被触发导通。

这时电流由a相经KP1流向负载，再经KP6流入b相。

变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流为正，共阳极组的b相电流为负。

加在负载上的整流电压为ud=ua-ub=uab，经过60°后进入第

（2）段时期。

这时a相电位仍然最高，晶闸管KPl继续导通，但是c相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相晶闸管KP2，电流即从b相换到c相，KP6承受反向电压而关断。

这时电流由a相流出经KPl、负载、KP2流回电源c相。

变压器a、c两相工作。

这时a相电流为正，c相电流为负。

在负载上的电压为ud=ua-uc=uac，再经过60°，进入第（3）段时期。

这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管KP3，电流即从a相换到b相，c相晶闸管KP2因电位仍然最低而继续导通。

此时变压器bc两相工作，在负载上的电压为ud=ub-uc=ubc。

余相依此类推。

由上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出：

1.三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组，另一个是共阳极组的，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。

2.三相桥式全控整流电路就是两组三相半波整流电路的串联，所以与三相半波整流电路一样，对于共阴极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KPl、KP3和KP5依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差应为120°。

对于共阳极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KP2、KP4和KP6依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差也是120°。

3.由于共阴极的晶闸管是在正半周触发，共阳极组是在负半周触发，因此接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲的相位应该相差180°。

4.三相桥式全控整流电路每隔60°有一个晶闸管要换流，由上一号晶闸管换流到下一号晶闸管触发，触发脉冲的顺序是：

1→2→3→4→5→6→1，依次下去。

相邻两脉冲的相位差是60°。

5.由于电流断续后，能够使晶闸管再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时有触发脉冲。

为了达到这个目的，可以采取两种办法；一种是使每个脉冲的宽度大于60°（必须小于120°），一般取80°～100°，称为宽脉冲触发。

另一种是在触发某一号晶闸管时，同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，使共阴极组和共阳极组的两个应导通的晶闸管上都有触发脉冲，相当于两个窄脉冲等效地代替大于60°的宽脉冲。

这种方法称双脉冲触发。

6.整流输出的电压，也就是负载上的电压。

整流输出的电压应该是两相电压相减后的波形，实际上都属于线电压，波头uab、uac、ubc、uba、uca、ucb均为线电压的一部分，是上述线电压的包络线。

相电压的交点与线电压的交点在同一角度位置上，故线电压的交点同样是自然换相点，同时亦可看出，三相桥式全控的整流电压在一个周期内脉动六次，脉动频率为6×50=300赫，比三相半波时大一倍。

7．晶闸管所承受的电压。

三相桥式整流电路在任何瞬间仅有二臂的元件导通，其余四臂的元件均承受变化着的反向电压。

例如在第

（1）段时期，KP1和KP6导通，此时KP3和KP4,承受反向线电压uba=ub-ua。

KP2承受反向线电压ubc=ub-uc。

KP5承受反向线电压uca=uc-ua。

晶闸管所受的反向最大电压即为线电压的峰值。

当α从零增大的过程中，同样可分析出晶闸管承受的最大正向电压也是线电压的峰值。

２.3参数选择

根据《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。

电压源：

交流380伏。

大电感：

50mH。

支撑电容：

1μF。

负载：

120欧姆/60欧姆。

3、项目的控制电路设计

本项目可以用电压电流双闭环控制，我们采用了电压单闭环负反馈的方法进行稳压。

首先，我们采用电压传感器采集输出的电压信号，传感器的输出的信号与给定电压信号同时通过加法器后，在通过比例积分器消除偏差电压输出稳定电压，将稳定电压通过一些数学计算变为角度，通过控制导通角来控制IGBT的关断。

3.1控制电路的设计方案

下图为电压单闭环控制时的控制电路：

图3三相全控整流电路的电压单闭环控制电路

3.2控制电路的工作原理

图4三相全控整流控制电路详细图

电压传感器采集输出的电压信号，通过加法器与给定电压的比较，求出偏差电压，然后将偏差电压输入比例积分器，将误差通过PI调节后消除偏差电压，输出稳定电压，对电压进行限幅通过数学计算换成角度，输入到角度控制器中，通过控制导通角来控制IGBT的关断。

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，经过数学变换，得到一个0~150°变化的角度，角度减小，使输出电压也随之减小。

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，经过数学变换，得到一个0~150°变化的角度，角度增大，使输出电压也随之增大。

由上可得，通过反馈控制电路自动工作，负载电压将稳定在预设电压附近，从而保证输入电压和负载变化的情况下，输出电压的稳定。

3.2.1电压单闭环控制

本实验设计利用PESX-24三相整流控制箱以及电压传感器箱PESX-25，组成系统闭环结构。

其中，控制电路中设有开环/闭环控制开关。

当开关拨到3位置（即正面时拨向右）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（即正面时拨向左）时，系统为闭环控制，给定信号Ug（0~-10V）与电压反馈信号的误差值输入电压外环调节器，产生移相控制信号Ut，使输出电压跟随给定电压变化，实现输出直流电压的基本稳定。

3.2.2保护电路

过压保护：

设计利用PESX-24三相整流控制箱内的过电压保护环节，当电压反馈UIF大于设定值时，即输出过压，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D28指示灯亮，JD2继电器动作，输出故障信号。

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。

过流保护：

在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是，电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。

所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。

常见的过电流保护有：

快速熔断器保护、过电流继电器保护、限流与脉冲移相保护、直流快速开关过电流保护。

3.2.3给定电位器

电位器（10K）3端接PESX-24三相整流控制箱左下角一排GND，3端串5k

电阻后接-15V。

电位器2端接PESX-24三相整流控制箱左下角一排接线柱的

Ug1。

使电位器2端电压范围为0~-10V。

满足

R1:

R2=2:

1；R1

2.2K

给定电位器端电压输出直接控制着直流输出的电压值。

当取给定电压为-10V时，输出为额定输出电压。

3.3参数选择

3.3.1参数选择方法

在设计的控制电路中，比例积分控制器的参数成为主要难题，本应通过系统的传递函数求特征根，然后用自动控制原理中的相关知识对Kp和Ki两个参数进行求解设计，其但由于实验限制和缺乏足够的资料，所以在确定PI参数时采用试凑法修改参数，直至输出电压的波动范围达到理想的电压调整率要求。

3.2.2参数的确定

1.PI参数设计值：

KP取0.0001，时间常数取0.005。

2.限幅额度设计值：

上阈值1.5V，下阈值0V。

3.角度控制器的频率与宽度：

频率50Hz，宽度10。

4、系统仿真

仿真的目标在于验证让电路和控制电路的正确性，仿真平台介绍、项目的主电路和控制电路系统仿真模型建立、系统仿真：

对静态性能、动态性能、纹波电压、负载调整率、输入电压调整率等与项目相关的技术指标。

4.１仿真软件PSIM

PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。

PSIM全称PowerSimulation。

PSIM是由SIMCAD和SIMVIEM两个软件来组成的。

PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。

PSIM具有强大的仿真引擎，PSIM高效的算法克服了其它多数仿真软件的收敛失败、仿真时间长的问题，因此应用范围广泛。

相对于matlab来说，最突出的特点就是仿真时间短。

4.2仿真模型的建立

按照我们设计的主电路和电力电子技术课本的指导，我们利用PSIM软件的软件库中的软件按照设计的电路的顺序搭建起电路，按照事先确定好的参数对仿真电路中的各个元件的参数进行设置。

4.2.1开环

开环实验主要是为了整流输出一个对称的六脉波，改变输入电压时，输出电压也会随之改变，PSIM平台上搭建的仿真模型如下图：

图5三相全控整流电路的开环仿真模型

对仿真参数设计如下：

输入电压380V；原边绕组380，次边绕组60；负载120Ω；电感0.05H；电容1μF。

相角分别为0°与10°。

最后一张图为输入电压300V，相角为10°。

输出波形对应如下：

图6三相全控整流电压源的开环实验波形

组

导通角α

负载

输出电压

1

0°

120Ω

140V

2

10°

120Ω

138V

3

10°

60Ω

109V

表5-1开环仿真对应数据

由图中可以看出，实现了一个20ms的六脉波，当改变相角时，输出电压的平均值也随之发生变化，同时减小输入电压时，输出电压平均值也减小，开环状态得以验证。

同时，计算输出电压的幅度可以得出恒压精度为5%，同时电压调整率与负载调整率为5%，满足指标的要求。

4.2.2闭环仿真实验

闭环设计主要目的是使输出电压稳定在给定值上下的极小偏差内。

本次闭环仿真试验的控制电路采用电压单闭环控制。

首先由电压传感器采集输出电压值，通过与给定电压110V的比较，得到误差电压，之后通过PI调节器，得到载波信号，经数学模型换为角度，通过控制相角最终控制开关管的通断，实现稳压。

闭环下的仿真模型如下图

图7三相全控整流电路的闭环仿真模型

对仿真参数设计如下：

输入电压330~380V；负载电阻120Ω；电感0.5H；电容1μF；给定电压75V。

最后一张图为将输入电压380V负载电阻改为60Ω时的波形。

输入输出的电压波形如下：

图8三相全控整流电路的闭环仿真波形

组

输入电压

负载电阻

输出电压

1

330V

120Ω

75V

2

380V

120Ω

75V

3

380V

60Ω

75V

表5-2闭环仿真对应数据

从图中我们可以看出，使输入电压从330左右开始增加，输出电压基本维持在110V左右，改变负载电阻，输出电压仍然维持在75V左右，由此可见，不论是改变输入电压还是改变负载，输出电压基本保持不变；实验实现了闭环控制，功率以60Ω时对应的功率，为93.75Ω，与指标基本相同。

图9改变主电路电感的输出波形

输入电压为AC380V，负载为60Ω，将主电路的电感由0.5H调整为0.05H，对比输入的波形可以看出，输出电压波形的波动幅度增大，但平均值保持不变，由此可得，主电路电感主要起到滤波，减小震荡的作用，电感越大，输出电压的波动越小，电感越小，输出电压的波动越大。

图10改变主电路电容的输出波形

输入电压为AC380V，负载为60Ω，将主电路电容由1μF改变为50μF，由图中可以看出滤波的效果非常明显，波动明显减小很多，同时波形的平滑度减小，因为电容通过充放电来滤波，降低平滑度但同时大幅度减小输出的波动。

PI调节器中，运算式为G（s）=k*（1+sT）/（sT），通过调节比例系数和时间常数，来调节改变控制电路，增大比例系数与减小时间常数在一定范围内的效果差不多，会让输出电压更快的达到稳定。

5、实验分析

5.１实验平台介绍

“PESX-Ⅱ电力电子与电力传动开发平台”是为研究电力电子与电力传动技术而研制的通用开发平台。

开发平台由主电路模块、负载模块、传感器、电源模块、驱动模块和控制模块六大类构成，其中控制模块分为专用芯片控制、单片机控制和DSP控制三种层次。

常用的电力电子与电力传动系统（如整流电源、斩波电源、逆变器电源、大功率开关电源、三相PWM整流器、H型斩波器、直流传动、交流传动等）都可以在平台上实现，控制系统可根据开发者个人能力和喜好来选取。

开发平台具有如下特点：

1）采用模块式结构。

主电路、控制、电源、传感器等模块都采用独立的模块结构，且模块完全开放，开发可根据自己需要，象积木一样搭建自己的系统。

2）控制系统多层次。

控制模块由专用控制器（TC787/SG3525）、单片机（MCU+CPLD）和DSP（F2812）三类组成，满足多种主电路结构和不同层次的开发要求。

3）采用先进技术。

平台中除有传统技术之外，还采用先进的技术和器件。

主模块采用IGBT。

IGBT采用Concept公司的专用驱动（国际上使用最广泛）、控制器采用高性能单片MCU和DSP，平台适用于先进技术的研究和产品开发。

4）考虑多种辅助功能。

开发平台可提供多种辅助功能，如隔离的示波器供电电源、交直流电流和电压表、连接导线等，给开发者提供方便。

5.1.1系统参数

1）输入电压：

三相AC380V+地；

2）总功率：

5KVA；

3）整流变压器：

3.5KVA；

4）隔离变压器：

1KVA；

5）励磁变压器：

500VA。

5.1.2系统构成

实验平台用于摆放各种实验箱，内部配保险、隔离开关、主电源开关、电源指示、变压器等，面板配交流电流表（380V3只）、交流电压表（380V3只）、直流电压表（300V、750V各1只）、直流电流表（30A2只）、可调励磁电源，实验台下部用于存放各种电路功能模块。

主电路模块：

1）PESX－01三相全控桥；1台

2）PESX－02三相逆变桥；1台

3）PESX－03单相/三相整流桥；1台

4）PESX－04交直流电容组件；1台

5）PESX－05脉冲功放；1台

6）PESX－06同步变压器；1台

7）PESX-L1高频滤波电感；1台

8）PESX-L2工频滤波电感；1台

9）PESX-T高频变压器；1台

控制电路模块：

1）PESX－21控制电源箱；1台

2）PESX－22电压传感器箱；1台

3）PESX－23IGBT驱动单元箱；1台

4）PESX－24三相整流控制箱；1台

5）PESX－25PWM控制箱；1台

6）PESX－26单片机控制箱；1台

7）PESX－27DSP控制箱；1台

负载：

1）PESX-LA可调负载电阻箱；1台

2）PESX-DAM交直流机组1台

传感器

1）补偿式电流传感器30A3只

2）电压传感器（10mA/25mA）3只

3）高频电流互感器（20A/100mA）1只

4）光电编码器（1000线）1只

5）力矩传感器（50NM）1只

５.２采用的实验箱

1）PESX-01三相全控桥实验箱；

2）PESX-24三相整流控制箱；

3）PESX-06同步变压器箱；

4）PESX-21控制电源箱；

5）PESX-05脉冲功放箱；

6）PESX-25电压传感器箱；

7）电流传感器；

8）外接电压给定电位器（10K）；

9）导线若干，数字示波器，万用表；

●外接给定电位器

电位器（10K）3端接PESX-24三相整流控制箱左下角一排GND，3端串5k

电阻后接-15V。

电位器2端接PESX-24三相整流控制箱左下角一排接线柱的

Ug1。

使电位器2端电压范围为0~-10V。

其接线图如图10所示。

图11外接给定接线原理

●电压传感器接线

PESX-25电压传感器箱中一共有三个电压传感器，本实验只需要一个电压传感器。

把PESX-25电压传感器的U11、U12接线柱分别接到PESX-01三相全控桥箱整流输出的正极、负极。

PESX-25电压传感器的+15V、-15V、MHV1接线端子分别按标号对应接到PESX-24三相整流控制箱的中上一排+15V、-15V、MHV1接线端子。

如果反馈信号比较小的话，可以选择性的把R2和R4，或者R1和R3用线短路；如图11所示。

另外两路，类似处理。

图12电压传感器接线原理图

５．3实验流程与波形记录

5.3.1开环实验

●以下所有测试点的电压检测，均是相对CS0来测试的。

测试过程中，万用表的黑表笔接CS0，红表笔接各测试点。

●按各个实验模块的使用说明以及接线原理图，接线系统，整流输出端接阻性负载。

●把PESX-24三相控制中的开环/闭环开关拨到开环控制。

●在接线正确的情况下，给PESX-21控制电源箱上电，调节给定电位使指示灯D29灭，观察CS4和CS5测试孔的电压大小（此时内外环的PI调节器锁死，结型场效应管导通，CS4和CS5电压都为零）。

调节给定电位器使指示灯D29变亮。

用万用表观察CS3和CS2测试孔，观察两者电压的极性和大小关系（两者大小相等，极性相反）。

观察CS4和CS5测试孔的极性和大小，（CS4为负，CS5为正，两者都在10V左右）。

●合上主电路上的QF2，按压启动按钮，给主电路通电。

在整流输出接上示波器，调压器从零慢慢调节整流变压器使三相输入为额定值380V。

调节给定电位器的大小，同时观察输出波形。

通过调节PESX-24控制电路板上的W12电位器，使给定电压从0～-10V变化时，输出电压从0到满开放变化（此时触发角对应为0°，给定电压对应为-10V）。

分别调节W2、W4、W6电位器，观察输出波形的变化。

重新调节W2、W4、W6电位器，使输出六脉波波形对称。

●电压定相。

使给定电压为给定满电压的10％，-1V，调节电位器W12使整流输出电压约为整流输出额定电压220V的10％值，22V，观察整流输出波形。

使给定电压为给定满电压的90％，-9V，调节电位器W12使整流输出电压约为整流输出额定电压220V的90％值，198V，观察整流输出波形。

测量得实验数据及波形：

图13开环实验输出电压六脉波波形

图14开环实验输入电压与输出电压

组

给定电压

输出电压

1

-1V

14V

2

-9V

140V

表5-3给定电压、输出电压表

由上述数据，观察输出的电压波形，在20ms内有一个完整而对称的六脉波，说明实验电路的接线正确，脉冲信号正确，同时实验台与实验箱上的相序对应上，不然是无法出现20ms的六脉波，观察输入电压与输出电压，当输入电压为AC380V时，输出电压为140