单相交—交变频电路设计

辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）题目：单相交—交变频电路设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化学号：学生姓名：中书子指导教师：（签字）起止时间：2014.12.29-2015.1.9本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算学号120302095学生姓名李大鹏专业班级自动化124课程设计（论文）题目单相交—交变频电路设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能交-交变频的基本原理是通过电力电子器件的开关控制，截取三相工频电源电压的各个片断，重新组合一个新的交流电压。设计任务及要求1、确定系统设计方案，各器件的选型2、设计主电路、触发电路；3、各参数的计算；4、建立仿真模型，验证设计结果。5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数单相交交变频的频率为工频的1/3进度计划1、布置任务，查阅资料，系统功能分析，确定系统方案（2天）2、各电路的设计，各参数计算（3天）3、仿真分析与研究（3天）4、撰写、打印设计说明书（1天）5、答辩（1天）指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日本科生课程设计（论文）II摘要本次课程设计任务是对单相交—交变频电路的设计。在正式课程设计之前，先了解课程设计过程。详细比较分析了当前交-交变频技术的特点,在此基础上提出了单相交-交变频原理。利用单个功率器件构成双向交流开关,施加于传统的交流调压电路并进行相应的改造,实现了单个功率器件的单相交-交变频变压目的。通过周期性地施加触发脉冲，获得频率可调的输出电压;采用按正弦规律变化的变脉宽高频脉冲信号对输出电压进行调制,获得了幅值可调的输出电压,并且具有较好的正弦度。输出电压波形进行了详细的理论分析,发现单相交—交变频电路的输出特点。在MATLAB环境下进行了单相交—交变频系统的仿真研究,得出仿真结果并且与文中的理论分析结果也完全一致,从而验证了本文提出的单相交-交变频原理的正确性。关键词:单相；交交变频；MATLAB；本科生课程设计（论文）III目录第1章绪论.................................................................1第2章课程设计的方案.......................................................22.1概述................................................................22.2系统组成总体结构....................................................2第3章单相交—交变频电路设计...............................................43.1主电路设计..........................................................43.2触发角调制模块电路设计..............................................53.3整流与逆变电路......................................................63.4输出正弦电压调制方法................................................7第4章仿真设计.............................................................94.1仿真软件说明........................................................94.2仿真模型搭建.......................................................104.2.1触发角模块电路介绍...........................................114.2.2同步六脉冲触发器介绍.........................................12第5章仿真分析............................................................145.1仿真参数设置.......................................................145.2阻感性负载.........................................................14第6章课程设计总结........................................................16参考文献...................................................................17本科生课程设计（论文）1第1章绪论本次设计是在学完了大学电力电子技术专业课之后而进行的一次课程设计。此次的设计是对大学期间所学电力电子技术课程的一次综合性复习，是一次理论联系实际的训练。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术应用于电力领域的电子技术。具体说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。电力电子涉及由半导体开关启动装置进行的电源控制与转换领域。半导体整流控制、半导体硅整的小型化等出现，产生一个新的电力电子应用领域。半导体硅整流、汞弧整流器应用于控制电源，但是这样的整流回路只是工业电子的一部分，对于汞弧整流器应用范围而言是有局限的。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，由于原件性能的限制，没能得到推广。到20世纪70年代，随着晶闸管的问世交交变频电路曾经广泛应用于电机的变频调速。20世纪80年代随着全控器件的广泛应用，交交变频电路逐渐被交直交变频电路取代。近年来随着现代工业生产及社会发展的需要推动了交交变频技术的飞速发展，现代电力电子器件的发展和应用、现代控制理论和控制器件的发展和应用、微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流变频技术的发展和应用创造了新的物质和技术条件，交交变频电路又逐渐成为研究的热点。本文首先以单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，最后用MATLAB仿真软件对交交变频电路进行了建模和仿真研究。最后进行课程设计总结，在课程设计当中用到和学到哪些电力电子技术知识，最终获得了什么，得出什么结论。本次课程设计主要内容为：首先查找资料设计单相交—交变频电路的工作原理图，然后运用MATLAB软件进行仿真，验证设计电路正确，最后确定整个单相交—交变频电路课程设计的成功。本科生课程设计（论文）2第2章课程设计的方案2.1概述交—交变频电路是一种可直接将某固定频率交流交换成可调频率交流的频率变换电路，无需中间直流环节。与交—直—交间接变频相比，提高了系统变换效率。又由于整个变频电路直接与电网相连接，各晶闸管元件上承受的是交流电压，故可采用电网电压自然换流，无需强迫换流装置，简化了变频器主电路结构，提高了换流能力。本次设计主要是综合应用所学知识，设计单相交——交变频电路，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用电力电子技术课程中所学的基本理论和基本方法，并运用MATLAB软件进行仿真实验。应用:设计单相输入电流，通过触发电路对交-交变频电路进行触发，最终通过示波器显示输出电压。2.2系统组成总体结构根据设计任务书要求，采用交交变频器设计。首先明确交交变频电路是直接由工频交流经过晶闸管控制变为可变频的交流电压。它与交直交变频或者直流变交流有很大的区别。下面设计一下单相交—交变频电路的系统组成总体结构。以上从硬件工作原理，和波形产生原理解释了单相交交变频电路的工作过程。下面整合上面系统总体总体结构框图，提出如下方案设计。输入电路触发角调制模块电路二极管二极管阻感电路示波器本科生课程设计（论文）3正反两组晶闸管桥反并联，负载为RL阻感性负载。为了能使正反两组晶闸管桥导通，需要正反两组同步六脉冲触发器。而且在给定信号的正半周，应使正组同步六脉冲触发器工作，且封锁反组脉冲；同样，在给定信号的负半周，应使反组同步六脉冲触发器工作，且封锁正组脉冲。为了达到上述目的，我们需要一个正反组变流器轮流导通的切换装置，此装置将给定正弦信号经过一系列的变换后信号分两路输出，一路给正组同步六脉冲触发器，另一路给反组同步六脉冲触发器。同时，交交变频要求负载的频率能跟随给定信号的频率变化，通过改变正反两组晶闸管桥的触发角就可以达到这个目的。而晶闸管桥的触发角是通过同步六脉冲触发器控制的，因此，我们需要让同步六脉冲触发器的输入控制角跟随给定信号的变化而变化。创建一个触发角调制模块即可达到此目的，由余弦交点法可知，给定信号经过变换后应分两路输出，一路给正组同步六脉冲触发器，另一路给反组同步六脉冲触发器。本科生课程设计（论文）4第3章单相交—交变频电路设计3.1主电路设计三相输入—单相输出交—交变频电路原理如图3.1所示，它是由两组反并联的三相晶闸管可控整流桥和单相负载组成。其中图（a）接入了足够大的输入滤波电感，输入电流近似矩形波，称电流型电路；图（b）则为电压型电路，其输出电压可为矩形波、亦可通过控制成为正弦波。当正组变流器工作在整流状态时、反组封锁，以实现无环流控制，负载Z上电压为上（+）、下（-）；反之当反组变流器处于整流状态而正组封锁时，负载电压为上（-）、下（+），负载电压交变。若以一定频率控制正、反两组变流器交替工作（切换），则向负载输出交流电压的频率of就等于两组变流器的切换频率，而输出电压大小则决定于晶闸管的触发角oα。（a）（b）图3.1交—交变频原理图本科生课程设计（论文）5交—交变频电路根据输出电压波形不同可分为方波型和正弦波型。方波型控制简单，正、反两桥工作时维持晶闸管触发角恒定不变，但其输出波形不好，低次谐波大，用于电动机调速传动时会增大电机损耗，降低运行效率，特别增大转矩脉动，很少采用。因此以下仅讨论正弦型交—交变频电路。3.2触发角调制模块电路设计触发角调制模块输出的信号分别对正反组同步六脉冲触发器的触发角进行控制。由弦交点法知，正组的同步六脉冲触发器触发角，先对给定的正弦信号取反余弦，得到控制角的弧度，再通过增益180/pi换算成角度，即可控制正组的同步六脉冲触发器。在此基础上，用π减去α即得到反组同步六脉冲触发器的触发角。如下图3.2，触发角调制模块原理图。3.2触发角调制模块原理图本科生课程设计（论文）63.3整流与逆变电路交交变频电路的负载可以是阻感负载、电阻负载、阻容负载或交流电动机负载。这里以阻感负载为例来说明电路的整流工作状态与逆变状态，这种分析也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，就可以把电路等效成图3.3。所示的正弦波交流电源和二极管的串联。其中交流电源表示变流电路可输出交流正弦电压，二极管体现了变流电路电流的单方向性。图3.3阻感性负载主电路图假设负载阻抗角为φ，即输出电流滞后输出电压φ角。另外，为避免两组变流器之间产生环流（在两组变流器之间流动而不经过负载的电流），两组变流电路在工作时不同时施加触发脉冲，即一组变流电路工作时，封锁另一组变