三相交流电压

三相交流电压 目 录 第一章 设计内容及要求 ................................................................. 2 1.1设计内容方法与步骤 ............................................................ 2 1.2设计的要求 ............................................................................ 2 第二章 电路的分析及比较 ............................................................... 2 2.1单相交流调压 ........................................................................ 2 2.2三相交流调压仿真基础 ........................................................ 3 2.3 三相交流调压电路的设计比较 ........................................... 5 第三章 三相交流调压电路的设计 ................................................. 6 3.1 三相调压电路的原理分析 ................................................... 7 3.2 三相调压电路器件的选择 ................................................... 8 3.3 触发电路模块设计 ............................................................... 8 第四章 电路在MATLAB的仿真 ......................................................... 9 4.1仿真电路图 ............................................................................ 9 4.2仿真结果 .............................................................................. 11 第五章 MATLAB仿真结果分析 ........................................................ 16 第六章 设计心得 ............................................................................. 17 参考文献 ........................................................................................... 18 1 第一章 设计内容及要求 1.1设计内容方法与步骤 1.熟悉单相交流调压电路工作的原理; 2. 根据单相交流调压电路的原理，设计三相交流调压电路; 3. 在Matlab/Simulink中搭建三相交流调压电路的仿真模型; 4(通过脉冲宽度调制技术得到触发脉冲，并提供给主电路进行仿真调试; 5.对所设计的两种三相调压电路进行比较。 1.2设计的要求 根据单相交流调压电路的原理，设计两种三相交流调压电路。对两种电路进行比较，选择其中的一种通过Matlab/Simulink仿真分别得到控制角α=0?、α=30?和α=90?时的输出电压和电流波形，以及各相触发脉冲波形。负载考虑阻感情况。触发脉冲可通过脉冲宽度调制技术得到。 第二章 电路的分析及比较 2.1单相交流调压 所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。电路图如下: 2 图1-1单相交流调压电路图 对单相交流调压电路波形的分析可知，正、负半周?起始时刻(?=0)，均为电压过零时刻。在?t??时，对VT 1施加触发脉 冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同;在?t??时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。 在?t????时，对VT2施加触发脉冲，当VT2正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同;在?t?2?时，电源电压过零，VT2自然关断。 2.2三相交流调压仿真基础 交-交变流包括交流调压和交-交变频。交流调压是指不改变交流电压的频率而只调节电压的大小的方法。交-交变频是通过电力电子电路的开关控制将工频三相交流电改变为其他频率的 3 单相或三相交流电，也称直接变频器和周波变流器，一般交-交变频器在改变频率的同时也调节电压的大小。 原理:两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制来控制电路。 交流调压线路有采用晶闸管器件的相位控制和采用全控元件的PWM控制两种方式，这里主要介绍晶闸管相位控制的交流调压。 交流调压晶闸管控制角的移相范围是180?，α=0?的位置在电源电压过零的时刻。在阻感负载时按控制角与负载阻抗角 [φ=arctan(wL/R)]的关系，电路有两种工作状态。 1.??α?180????? 调压器输出电压和电流的正负半周是不连续的，在这范围内调节控制角，负载的电压和电流将随之变化。 2.0?α??时 调压器输出处于失控状态，即虽然控制角变化，但负载电压不变，且是与电源电压相同的完整正弦波。这是因为阻感负载电流滞后于电压，因 此如果控制角较小，在一个晶闸管电流尚未下降到零前，另一个晶闸管可能已经触发(但不能导通)，一旦电流下降到零，如果另一个晶闸管的触发脉冲还存在，则该晶闸管立即导通，使负载上电压成为连续的正弦波，出现失控现象。正 4 因为如此交流调压器晶闸管必须采用后沿固定在180?的宽脉冲触发方式，以保证晶闸管能正常触发。??? 2.3 三相交流调压电路的设计比较 常用的三相交流调压线路有YN型，Y型，负载三角型，晶闸管三角型，半控Y型等几种典型电路。交流调压技术大都采用工作在“交流开关状态”的晶闸管，其实质是在恒定交流电源与负载之间接入晶闸管作为交流电压控制器。交流调压大多以相位控制方式为主，该方式是作为开关的晶闸管在每个电源电压波形周期的选定时刻将负载与电源接通，根据选定时刻的不同可得到不同的输出负载电压，从而起到调压作用。 采用晶闸管组成的交流调压器及可控整流装置等，以其设备体积小、损耗小、电路及控制较简单、响应快、价格低廉、可靠性高、使用和维护方便等优点，而被广泛应用于工业及日常生活电气设备中，取代了笨重、价高和性能差的调压变压器或串接饱和电抗器等。本文在MATLAB仿真环境下，运用SIMULINK电力系统工具箱的各种元件模型建立三相交流调压电路的仿真模型，并对其进行仿真研究。在此我对三相YN型和三相Y型电路作一定的比较分析。三相交流调压YN型电路(图2-2)的特点是实际上为三个单相调压的组合。只需有一个晶闸管导通，负载上就有电 5 流通过，线电压波形正负对称，零线上有三次谐波通过，在α =90时，谐波电流最大，会在三柱式变压器中引起发热和噪音，对线路的电网均带来不利影响，因而工业上应用较少，要求触发移相范围为180?等。三相交流调压Y型电路(图2-1)特点是负责形式可以任意选用(星型和三角型接法)。输出谐波分量低，没有谐波电流，对邻近通信电路干扰小，因而应用比较广。因此在这次课设中主要选择了三相交流调压Y型电路进行了仿真模型。 图2-1 三相交流调压Y型 图2-2 三相交流调压YN型 第三章 6 硬件课程设计 3.1 三相调压电路的原理分析 (1) 三相交流调压电路如下图所示 图3-1 由三相交流电源供电的电路，简称三相交流电路。三相交流电源指能够提供3个频率相同而相位不同的电压或电流的电源，三相交流电各相电压的相位互差120?。它们之间各相电压超前或滞后的次序称为相序，使用三相电源时必须注意其相序。 三相交流调压器的触发信号应与电源电压同步，其控制角是从各自的相电压过零点开始算起的。三个正向晶闸管VT1、VT3、VT5的触发信号应互差120?，三个反向晶闸管VT2、VT4、VT6的触发信号也应互差120?，同一相的两个触发信号应互差180?。总 7 的触发顺序是VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，其触发信号依次各差60?。Y联接时三相中由于没有中线，所以在工作时若要负载电流流通，至少要有两相构成通路。为保证启动时两个晶闸管同时导通，及在感性负载与控制角较大时仍能保证不同相的正反向两个晶闸管同时导通，要求采用大于60?的宽脉冲(或脉冲列)或采用间隔为60?双窄脉冲触发电路。 在对三相交流调压电路工作原理分析的基础上，建立了基于MATLAB的三相交流调压电路的仿真模型，修改相应的参数，并对其进行了仿真分析和研究。通过仿真分析和参数的修改，验证所建模型的正确性，加深对三相交流调压电路理解。最后，对仿真实验进行。 3.2 三相调压电路器件的选择 主电路中所用到的器件，主要是220V三相交流电源，即ua,ub,uc，6个反并联的晶闸管，即VT1.VT2,VT3,VT4,VT5,VT6还有3个阻感负载。 3.3 触发电路模块设计 8 图3-2触发电路图形模块 根据要求产生的脉冲如下图: 图3-3触发电路脉冲信号图形 此脉冲一个中内有六个脉冲，每个脉冲控制一个晶闸管，两个脉冲控制两个晶闸管，即一相电路的工作情况，脉冲宽度大于60?而小于120?，这六个脉冲使主电路能正常工作。 第四章 电路在MATLAB的仿真 4.1仿真电路图 (1)本次课程设计的总电路设计图如下: 9 图4-1 主电路仿真图 各模型参数设置: 1)三相电源。对称正弦交流电，幅值为220V，频率为50Hz，Ua Ub Uc初始相位分别为0?，-120?，120?。如下图4-2: 10 2)晶闸管,电压测量，与实时数字显示等均采用默认设置。 3)常量输入模块。常量值，输入设置为0，输入端Block是触发器模型的使能端，只有当此端置“0”时，才能输出脉冲。 Alpha为相移控制角给定信号，单位为(?)。这个值根据仿真需要进行设置。 4)三项测量模块 V-I Measurement。电压测量设置为phase-to-phase，即线电压。电流测量设置为yes。 5)三相负载模块。R=1Ω,L=0.001H. 6)同步6脉冲发生器。频率设置为50Hz，脉冲宽度设置为10，增益Gain为6。从而是产生的脉冲宽度大于60度，满足电路的正常工作。 7)仿真参数设置。仿真开始时间为0s，停止时间为0.05s。 4.2仿真结果 1.当α=00 ，R=1Ω,L=0.001H时电压和电流波形 11 图4-3 输入三相电源电压波形和输出线电压波形 图4-4三相电流波形 12 图4-5 Ua相电压波形 2.当α=300，R=1Ω,L=0.001H时电压和电流波形 图4-6输入三相电源电压波形和输出线电压波形 13 图4-7三相电流波形 图4-8 Ua相电压波形 14 3.当α=900 ，R=1Ω,L=0.001H时的电压和电流波形 图4-9 输入三相电源电压波形和输出线电压波形 图4-10 三相电流波形 15 图4-11 Ua相电压波形 第五章 MATLAB仿真结果分析 晶闸管设计三相交流调压电路，这种电路性能优越，很好的实现一种交流电到交流电的变当α分别为0?，30?，90?时各相波形如上图所示:其中电压波形为正炫波，电流波形为另一个波形。 从波形上可以看到，电流中有很多谐波，进行傅里叶分析后可知，其中所含谐波的次数为6K加减一，这和三相桥式全控整流电路交流侧所含谐波的次数完全相同，而且也是谐波的次数越低，其含量越大。和单相交 流调压相比，这里没有3的整数倍次谐波，因为在三相对称时，他们不能流过三相三线电路。 我们利用晶闸管设计三相交流调压电路，这种电路性能优 16 越，很好的实现一种交流电到交流电的变换。随着控制角α的不同，结果也不同。由于电感有储能作用，电感负载和阻感负载相比较，结果不同。三相交流调压电路是通过控制一个周期内的导通角来实现调压功能的，它与交流调功电路不同，调功电路是通过改变通态周期数和断态周期数的比，可以方便的调节输出功率的平均值。通过学习三相交流调压电路的有关知识，并结合本次课程设计，我们可以运用有关的电力电子技术设计三相交流调压器，完成我们的要求。 第六章 设计心得 从本文三相交流调压器电路的仿真结果波形可以看出，利用 SIMULINK对仿真的结果(波形)具有真实性和极高的可信度。利用该方法还能对非常复杂的电路、电力电子变流系统进行建模仿真。通过对仿真结果分析就可以将系统结构进行改进或将 有关参数进行修改使系统达到要求的结果和性能，这样就大大加快了系统的分析或设计过程。 通过本次课程设计，熟悉掌握了三相交流调压器的设计方了对理论知识的理解和实践。另外，也学会了如何用MATLAB设计三相交流法，对这电路的工作原理有了进一步的了解。并加深调压器、分析理论与实践的误差，初步了解了如何利用电力电子技 17 术进行三相交流调压器的设计，这为我以后的学习和工作打下一个坚实的基础。 总之，得感谢在这次课程设计中给予帮助的老师和同学们，谢谢你们在我遇到困惑和难解时为我指点迷津，从而才顺利的完成了此次课设。 参考文献 [1] 张森，张正亮，MALTAB仿真技术主导实例运用教程.北京:机械工业出版，2004. [2] 王正林，等. MATLAB/SIMULINK与控制系统仿真.北京:电力工业出版社，2005. [3] 贺益康 电力电子技术(第二版)北京:科学出版社，2010.7. [4] 范影乐，杨胜天，MALTAB仿真运用详解.北京:人民邮电出版社，2001 18