用MATLAB进行三相交交变频电源的仿真设计

－ V － VR
1
－
T2
－ iR RLC2
GNDO RLC1 T1
RLC3
GND
－ V － VA
Soopz
图 3 三相交 交变频电源仿真原理图
晶闸管模块 SCR18 由 18 个晶闸管 MR1 MR18 组成三脉冲零式电路 工作于可控环流方 式 环流电抗器 L19 L24 的作用是保证在轻载 情况下 也能维持负载电流的连续
Key words: Power supply transformed frequency; MATLAB; Simlink; Simulation
1 引言
矿井提升机和钢铁厂的主轧机等大容量 低转速 高过载传动设备都需用低频交流电源 供电 传统的低频电源是低频发电机组 该套 装置使用了大小 6 台电机 由于有转动部件 低频发电机组的效率低 能耗较大 占地面积 大 而且机械噪声很大 此外 机组的维护费 用也较高 尤其是整流子变频机 整流子容易 磨损 致使火花增大 输出电压降低 因此要 定期进行车削维修 由于上述原因 低频发电 机组已逐渐被静止式变频器代替
静止式变频器是一种没有转动部件的电力 电子装置 克服了传统的低频发电机组的缺陷
具有效率高 无噪音的优点 已经用于矿井提 升机的低频拖动和轧钢机的辊道传动
有两种形式的变频电源可作低频电源 一 种是通用的交直交式变频装置 另一种是交 交式变频装置 后者非常适合于用做辊道传动 和矿井提升机爬行时的低频电源 这是因为
2003 年第 22 卷 第 1 期 Auto-Control 2003, Vol. 22, No. 1ຫໍສະໝຸດ Baidu
定输出频率 4.18Hz 额定输出线电压 800V 最 大输出线电流 220A 低频装置由电源开关柜 主回路柜和控制柜组成 此外还包括一个进线 电源变压器 三个环流电抗器
A B AC C
L19
L20
L21
MR1 MR2 MR3 MR4 MRMR5 MR6 MR7 MR8 MR9 MR10 MR11 MR12 MR13 MGMR14 MR15 MR16 MR17 MR18 A3 B3 C3 MT－ MR－ MG－ MT－
SCR18
L22 － V － VRS
L20
L24
2.2 环流控制原则
在自然环流工作方式下 环流的大小取决 于环流电压的大小和环流电抗器的阻抗值 当 环流电抗器的电感量足够大时 即使在轻载情 况下 也能维持负载电流的连续 但环流电抗 器体积大 损耗增加
无环流工作方式不需要环流电抗器 但在 轻载情况下不能维持负载电流的连续 使电机 的特性变坏
低频电源装置采用可控环流工作方式 这 种方式结合了上面两种方式的优点 在轻载情 况下采用自然环流工作方式 在负载电流连续 时采用无环流工作方式 虽然控制复杂些 但 环流电抗器的体积和损耗大大降低
数字脉冲发生器模块 Pluse18 用 MATLAB 中的 S 函数设计 根据式(3)求出各个触发时间 的近似解 并在不同的触发时间发出脉冲给相 应晶闸管
三相交流电源模块 AC 由三个电压幅值 为 220 2 V 频率为 50Hz 相位互差 120 的 单相交流电组成对称三相电源
Plusz8
q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 q8 q9 q10 q11 q12 q13 q14 q15 q16 q17 q18
五踪示波器 Scope 用来观看输出相电压 输出线电压 输出相电流 输入工频电源相电
压和数字脉冲发生器的触发脉冲
3.2 仿真过程和结果
在仿真过程中调整的参数有 输入频率／输 出频率比 输出电压等级 环流电抗器的参数 负载 RLC 的参数 晶闸管参数等 经过各相关 参数计算和调整 得到了比较理想的输出电压 波形和输出电流波形 接近正弦波 而且电源
负时为－1
Sig 当基准波为正时为 1 当基准波为
负时为－1
M 调制系数 0 M 1
ϖ 0 调制波频率 弧度／秒
ϖ 1 基准波频率 弧度／秒
可用 S 函数编程进行计算 发脉冲给相应
晶闸管 也可先用高级语言 Delphi 先计算在不
同调制系数 M 下的 ∂ 值 再控制离散脉冲发生
器发出脉冲
3 仿真思路和结果
采用直接变频的方式 与交直交变频方 式比较 没有中间直流环节和直流滤波器上的 损耗 因此效率高
采用逆阻型晶闸管构成主回路 因此变 频装置 相对于由其它功率器件组成 成本较 低 装置容量可以做得很大 且控制比较方便
针对某煤矿的 300kW 矿井提升机研制的交 交变频式低频电源装置 容量为 400kVA 额
(2)
式中 U2 变压器二次侧相电压有效值
当 ∂ 90 Ud 0 当 ∂ 在小于 90 的整
流区域内变化时 就可以形成变化的直流电压
如果 ∂ 的变化规律适当 就可以使直流电压的
平均值按正弦规律变化 产生一个输出电压的
半周期 反并联的正反两组电路就可得到一个
输出电压的整个周期了
通常利用波形交叉的方法来确定 ∂ 角的变
行调制的原理 用解析法推导出触发时间的近似解为
ϖ 0tT = (nπ − θ 0 ) + Dir (Sig ) sin −1{M sin[nπ − θ 0 )
ϖ1 ϖ0
+
θ1
−
2nπ ]}
(3)
式中
ϖ otT 从坐标原点至触发角的电角度 弧度 n － 0 调制波的第 n 次过零点 弧度
0 在 t 0 时调制波的相位角 弧度 Dir 当调制波为正时为 1 当调制波为
2 三相交 交变频电源的设计
三相交 交变频电源的设计要解决好这么 几个方面的问题 电源主回路的结构确定 主 回路的环流控制方式的选择 晶闸管触发角的 控制和调制的实现
2.1 主回路的拓扑结构
考虑到交 交变频电源输出频率较低 达 1／12 工频 感性负载 电动机本身 可以降 低一些高次谐波含量 为了降低成本 主回路 采用 3 脉冲零式电路结构 1 个输出相为反并 联的 2 个半桥组成 用了 6 只逆阻型晶闸管 三相输出共使用 18 只逆阻型晶闸管 主回路 如图 1 所示
Abstract: 3-phase AC／AC Cycloconverter has been widely used in low frequency drag control. The static
Cycloconverter with thyristor has some advantages such as high efficiency and no noise, but the design is involved with much complication, and cost very much, and its parameters are very difficult to adjust. A good tool for the design and simulation is Simlink of Matlab which not only saves design time and cost but can also be used easily. The design of digital 3-phase AC／AC Cycloconverter was accomplished.
2.3 触发控制原则
为了得到平均值相等而方向相反的电压 一组的整流角 ∂ 和另一组的逆变角 必须满足 下面的等式
∂ + β 180
(1)
2.4 调制原理
众所周知 在整流电路中 当触发脉冲的 相位恒定时 可以输出不变的直流电压 当触 发脉冲的相位变化时 其输出直流电压也随之 变化
Ud 1.17U2cos ∂
化规律 一种常用的方法是用余弦波作调制波
用所期望的输出电压波作基准波 两个波形的
交点作为脉冲的发出时间 这就是对触发角进
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输出 R 相
输出 S 相
输出 T 相
A相 B相 C相
图 1 三相交 交变频电源的主回路
下面以图 2 所示的一个输出相为例对其工 作原理说明如下
MR1
L1
L2
MR2 MR3
A相
MR4 MR5 MR6
B相
C相
图 2 单相输出的主回路
图 2 中 6 只晶闸管为反并联的 2 个半桥组 成 一个半桥为正组 MR1 MR3 另一个半 桥 为 反 组 MR4 MR6 当输出电压为正半周 时 正组处于整流状态 提供输出电流 负组
为了使上面设计的三相交 交变频电源能 够选择合适的电路参数和保证其工作的性能指 标 采用了 MATLAB 系统中的 Simlink 工具对 整个系统进行了仿真设计
3.1 仿真思路
用 MATLAB 软件中的 Simlink 仿真工具 即用其电力系统模块 Power System Blockset 来仿真三相交 交变频电源 如图 3 所示 它 由三相工频交流电源 数字脉冲发生器 18 个 晶闸管 3 个环流电抗器和电压表 电流表 示 波器组成
关键词 变频器 MATLAB Simlink 仿真 中图分类号 TP391.9; TM919 文献标识码 A
Design and Simulation of 3-Phase AC／AC Cycloconverter with MATLAB
Yi Ling-zhi, Li Zhi-yong, Ding Wei, Zhu Jian-lin, Zhang Lin-ting (College of Information Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)
则处于逆变状态 形成一个与正组相顶的电压
其作用是防止两组通过电源 主变压器的二次 绕组 短路 反之 当输出电压为负半周时 负组处于整流状态 正组则处于逆变状态 也 形成一个与负组相顶的电压 所谓相顶的电压
是其平均值相等而方向相反 实际上由于两个 电压在瞬时值上的差异 会形成瞬时短路电流 即通过正 负组和二次绕组的电流 即环流 为了抑制环流 在环路中串联了环流电抗器
收稿日期 基金项目 作者简介
2002－03－08 修回日期 2002－07－30 湖南省教育厅高等学校科研项目 01C081 易灵芝 1966－ 女 湖 南人 硕士研究生 控制与应用研究
1986 年毕业于湘潭大学
湘潭大学信息工程学院副教授
从事计算机
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为了便于检测负载相电流 三个单相 RLC 负载 RLC1 RLC3 用来代替三相异步电机 星 形连接 小电容 C 的选用可减少负载相电压由 于大电感的影响而出现的毛刺
电压表 VRS 用来测量输出线电压 电压表 VR 用来测量输出相电压 电 压 表 VA 用检测输 入工频电源 A 相的相电压
电流表 IR 用于测输出相电流 信号合成器 MUX 将数字脉冲发生器的所有触发脉冲送示波 器中进行观察 以便调试
用 MATLAB 进行三相交 交变频电源的仿真设计
易灵芝 李志勇 丁伟 朱建林 张林亭 湘潭大学 信息工程学院 湖南 湘潭 411105
摘要 三相交 交变频电源在低频拖动控制中有广泛的应用 通过晶闸管设计的静止式变频电源具有效 率高 无噪声的优点 但却存在设计复杂 成本高 调整困难等缺点 而利用 MATLAB 软件中的 Simlink 仿 真工具来实现三相交 交变频电源的仿真设计和分析 能做到省时 省成本 易于操作 在静止式变频电源 设计中有很好的使用价值 采用 MATLAB 仿真工具完成了一个全数字控制的三相交 交变频电源的设计
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文章编号 1006－1576 2003 01－0025－04