单相交交变频器Matlab仿真建模设计_图文详解

上海交通大学课程设计（论文）上海交通大学基于Matlab Simulink的单相交交变频器建模设计学 院： 电子信息与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 蒋宇智 指导教师： 年 月 日摘 要本文通过以三相输入单相输出的交-交变频电路为例，介绍了交-交变频电路的基本工作原理，采用余弦交点法作为交交变频电路的触发控制算法，采用逻辑无环流控制器DLC技术保障正组晶闸管与反组晶闸管的交替工作，最后利用Matlab R2012a仿真搭建单相交-交变频器的仿真模型，并且经过调试，该电路模型能够输出幅值可调、频率可调的正弦波形。关键词： 单相交交变频；余弦交点法；Matlab；DLC目 录1.引言- 3 -2.单相交交变频电路- 4 -2.1电路构成及基本工作原理- 4 -2.2整流与逆变工作状态分析- 5 -2.3输出正弦波电压的调制方法- 8 -3.单相交交变频建模与仿真- 9 -3.1单相交交变频控制电路的结构- 9 -3.2子系统模块- 9 -3.2.1同步6脉冲触发器- 9 -3.2.2逻辑无环流控制器- 13 -3.2.3移相角控制电路- 14 -3.2.4单相交交变频主电路- 15 -4.仿真分析- 15 -4.1仿真参数设置- 15 -4.2 仿真运行结果分析- 17 -5.结 论- 19 -1.引言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，由于原件性能限制，没能得到广泛推广。到20世纪70年代，随着晶闸管的问世交交变频电路逐渐被交直交变频电路取代。近年来由于电力电子技术、微电子技术、控制理论的快速发展，使得高电压、大功率的交交变频器产品成为现实，微电子技术促进了交交变频精度的提高，而新的控制理论又为高性能的变频器的研究提供理论基础，交交变频再次成为研究的热点。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，只需经过一次变化便可将工频交流电变换成不同频率的交流电，其主电路由两组反并联的晶闸管三相整流桥电路构成，当正组晶闸管工作时，在负载上得到正向电流，当反组晶闸管工作时，在负载上得到反向电流，通过控制正反两组晶闸管的切换速度便可以得到不同频率的交流电。 交交变频器工作稳定，可靠。其最高输出频率是电网频率的1/3-1/2，在大功率低频范围有很大的优势。交交变频没有直流环节，变频效率高，主回路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。但是因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数量多使之应用受到了一定的限制，因此它广泛应用于大功率交流电动机调速传动系统。2.单相交交变频电路2.1电路构成及基本工作原理三相输入单相输出的交交变频电路由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，其结构如图所示。图2.1 单相交-交变频电路原理图和输出电压波形图2.1是单相交交变频电路原理图和输出电压波形。电路由P组和N组反并联的晶闸管电路构成。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。让两组交流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的的正弦交流电。改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率 。改变交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 的波形接近正弦波形，可以按正弦规律对触发延迟角进行调制。如图2.1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 逐渐减少至，然后在逐渐再次增加至，这样，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零逐渐增加至最高，然后在逐渐降低至零，如图中虚线所示，对变流器N组进行同样的控制，就可得到正弦波形的负半周。由于输出电压 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，其波形就越接近于正弦波。因此交-交变频电路通常采用6脉冲的三相桥式电路或12脉波的变流电路。2.2整流与逆变工作状态分析交交变频电路的负载一般为阻感或交流电动机负载，这里以阻感负载来说明电路的整流和逆变的工作状态，这种分析方法同样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，就可把电路等效为交流电源和二极管的串联，如图2.2所示。图2.2 理想化交-交变频电路的整流和逆变工作状态反组逆变：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，反组相控角工作在有源逆变状态，负载回馈电能给N组回路。正组整流：在此时间段期间，正组P工作，反组N被封锁，形成正的负载电流，正组相控角工作在正组整流状态，P组电路输出功率。正组逆变：在此时间段期间，正组P工作，反组N被封锁，形成正的负载电流,正组相控角工作在正组逆变状态，负载回馈电能给P组回路。反组整流：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,负组相控角工作在反组整流状态，N组电路输出功率。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。如果考虑到单相交-交变频电路在无环流的工作方式下负载电流过零时正反组切换的死区时间，一个周期的波形可分为6段，第1段，为反组逆变；第2段电流过零，为切换死区；第3段，为正组整流；第4段，为正组逆变；第5段又是切换死区；第6段，为反组整流。其输出电流和电压的波形如下图所示。图2.3 单相交-交变频电路输出电压和电流波形输出电压和的相位差小于90时，电网向负载提供能量的平均值为正，电动机为电动；相位差大于90时，电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。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-交变频电路的输出电压波形基本为正弦波的调制方法有很多，这里主要介绍最基本的余弦交点法。余弦交点法是指用“余弦同步电压波”和模拟量基准电压波的交点去决定交交变频电路中相应晶闸管的控制角的方法。3.单相交交变频建模与仿真3.1单相交交变频控制电路的结构单相交-交控制电路的结构如下图3.1所示。三相交流电源到参考电源的中间过程，经历了几个控制。图3.1 单相交交控制电路结构图3.2子系统模块3.2.1同步6脉冲触发器同步电源与6脉冲触发器模块包括同步电源和6脉冲触发器两个部分，6脉冲触发器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。同步6脉冲触发器模块用于触发三相全控整流桥的6个晶闸管，模块如图3.2所示:图3.2 同步6脉冲触发器模块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: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。Block: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:输出为一个6维脉冲，包含6个触发脉冲。参数设置如图3.3所示.图3.3 同步6脉冲参数设置单相交交变频器为原创设计，文中有七个重要内容已被省去，它们是：（1） 输出正弦波电压调制方法；（2） 电平检测电路原理说明；（3） 逻辑判断电路原理说明；（4） 连锁保护电路原理说明；（5） 移相角控制电路原理说明；（6） 单相交交变频仿真主电路；（7） 参考文献得到完整报告文档、Matlab仿真文件和PPT文件等资料，请搜索关注公众号：交大小智。分享如下所示：图3.3.1 “交大小智”公众号二维图3.2.2逻辑无环流控制器逻辑无环流控制器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；在反组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 和分别通过6脉冲触发器来控制是否产生和封锁触发脉冲，输出信号和的状态必须始终保持相反，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，输入信号是由输入电流是否过零点来决定。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。下面将对该四个部分依次进行介绍。电平检测:电平检测模块是系统重要的环节之一，电平检测请参考上文内容说明。延时电路：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，波形畸变变大，谐波增加。因此，设置关断延时，开放延时。发出切换指令后，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3.4所示。图3.4 延时电路模块连锁保护电路，逻辑判断电路: 这两个电路的详细介绍，同样如上文原创所说。3.2.3移相角控制电路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。如图3.5所示。图3.5 移相角控制电路3.2.4单相交交变频主电路4.仿真分析4.1仿真参数设置包括系统仿真算法设置及元器件仿真参数设置，如各下图所示：仿真算法设置：图4.1 系统仿真算法设置负载参数设置：负载参数为：，。图4.2 负载参数设置同步6脉冲参数设置如下：图4.3 同步6脉冲参数设置4.2 仿真运行结果分析1.当给定信号输出频率时，触发角为时，正弦波调整参数如图4.4所示。图4.4 交交变频电路输出频率的电压电流波形2.当给定信号输出频率 时，触发角为时，正弦波调整参数如图4.5所示。图4.5 交交变频电路输出频率的电压电流波形5.结 论本次单相交交变频器的设计主要依托的是电力电子的知识，单相交-交变频器广泛适用于大功率的电机调速。 经过此次课程设计，我学会了很多，从题目的选择到原理的设计，从仿真调试到报告的编写，每一步都付出了勤劳的汗水。但更重要的是：通过课程设计，进一步巩固了知识，让我们对电力电子技术的运用又有了更深的了解。- 18 -