1、兵工自动化 自动控制技术 O. I. Automation2003 年第 22 卷第 1 期 Auto-Control 2003, Vol. 22, No. 125文章编号 1006- 1576 2003 01- 0025- 04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
2、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 交变频电源的设计关键词 变频器 MATLAB Simlink 仿真中图分类号 TP391.9; TM919 文献标识码 ADesign and Simulation of 3-Phase AC/ ACCycloconverter with MATLABYi Ling-zhi, Li Zhi-yong, Ding Wei, Zhu Jian-lin, Zhang Lin-ting(College of Information Engineering, Xi
3、angtan University, Xiangtan 411105, China)Abstract: 3-phase AC/ AC Cycloconverter has been widely used in low frequency drag control. The staticCycloconverter with thyristor has some advantages such as high efficiency and no noise, but the design is involvedwith much complication, and cost very much
4、, and its parameters are very difficult to adjust. A good tool for thedesign 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.Key words: Power supply transformed frequency; M
5、ATLAB; Simlink; Simulation1 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
6、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 额收稿日期 2002- 03- 08 修回日期 2002- 07- 30基金项目 湖南省教育厅高等学校科研项目 01C081作者简介 易灵芝 1966- 女 湖南
7、人 硕士研究生 1986 年毕业于湘潭大学 湘潭大学信息工程学院副教授 从事计算机控制与应用研究万方数据兵工自动化 自动控制技术 O. I. Automation2003 年第 22 卷第 1 期 Auto-Control 2003, Vol. 22, No. 126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
8、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A 相B 相C 相输出 R 相 输出 S 相 输出 T 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A 相B 相C 相L1图 2 单相输出的主回路L2MR1 MR2 MR3MR4 MR5 MR6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 MR
9、1 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
10、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b+ 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 1.17U
11、2cos (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 这就是对触发角进万方数据兵工自动化 自动控制技术 O. I. Automation2003 年第 22 卷第 1 期 Auto-Control 2003, Vol. 22, No. 12
12、7行调制的原理用解析法推导出触发时间的近似解为n2)nsinMsin)Sig(Dir)n(101010tT0p-q+vvq-p+q-p=v -(3)式中otTv 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 当调制波为负时为 - 1Sig 当基准波为正时为 1 当基准波为负时为 - 1M 调制系数 0 M 10v 调制波频率 弧度 / 秒1v 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
13、器发出脉冲3 仿真思路和结果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
14、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q1q2q3q4q5q6q7q8q9q10q11q12q13q14q15q16q17q18ABC1- V- V-GNDT1T2VRiR RLC2RLC1L22L20L24 RLC3L21VAVRS- V-GNDOACL19L20SCR18Plusz8Soopz图 3 三相交 交变频电源仿真原理图MR1MR2MR3MR4 MR-MR5MR6MR7MR8MR9MR10MR11MR12MR13 MG-MR14MR15MR16MR17MR18A3B3C3 MT-MR-MG-MT
15、-晶闸管模块 SCR18 由 18 个晶闸管 MR1MR18 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 以便调试五踪示波器 Scope 用来观看输出相
16、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 源万方数据兵工自动化 自动控制技术 O. I. Automation2003 年第 22 卷第 1 期 Auto-Control 2003, Vol. 22, No. 128的 输出功率也满足了实际需要 相关波形见图 4 最后得到的相关仿真参数见表 1表 1 最后仿真所得的各相关参数列表输入电源A
17、 相B 相C 相频率 (Hz)50幅值 伏220 2初相位 度A 相 0 B 相120 C 相 240采样时间 秒1/ 18000晶闸管(缺省值 )电阻(欧姆 )1e-03并联电容(法 )4.71e-6并联电阻(欧姆 )10e10触发器周 期采样数4320脉冲宽度(采样数 )4初始角 (度 )216 个值分别由公式 (2)计算得到触发顺序216 种采样时间 秒1/ 18000环流电抗器电感无功功率QL (Var)5000标称频率 (Hz)50电阻有功功率 P W1应该说明的是 表 1 中仿真所得的参数是在用三个单相 RLC 负载代替三相异步电机星形连接 其标称频率为 50Hz 电阻有功功率 P
18、 100kW 电感无功功率 QL 500Var 电容无功功率 Qc 200Var 输入频率 / 输出频率比为 12 输出电压等级为 F 的情况下获得的图 4 仿真最后得到的各相关波形图从示波器上的仿真波形 图 4 可以看出输出相电压和输出相电流在一个输出周期内都是按正弦规律变化 图 4 波形中 从上至下依次为 输出相电压 输出线电压 输出相电流交流输入电源相电压 触发脉冲3.3 仿真结果说明上述仿真过程中 在使用式 (3)计算触发时间时 调制系数 M 分为 16 个电压等级 0- F所得到的最后仿真波形采用的是最高电压等级 F级 其他等级也同样可以得到满足要求的仿真波形结果 另外 从理论上讲最
19、小的触发角可以很小 但在实际应用中为了防止晶闸管触发不可靠形成短路而致使换流失败 式 (1)中正组的整流角 和反组的逆变角 都必须大于 20 度 在仿真过程中也已经把这一约束条件考虑了进去4 结束语通过晶闸管设计静止式变频电源 目前已成为一个重要的研究开发方向 在具体设计开发过程中如果能尽可能利用 MATLAB 软件中的Simlink 仿真工具进行仿真设计 不但可以最大程度地降低设计成本 而且可以很方便地仿真各种可能参数情况下的设计性能 所以利用MATLAB 软件中的 Simlink 仿真工具进行仿真设计应该而且必然将成为交 交变频电源设计的主要工具 以上在交 交变频电源的仿真设计便是一次很好
20、的尝试参考文献1 美 B R 佩莱 . 可控硅相控整流及变频器 M. 杨启元 , 等译 . 北京 : 冶金工业出版 , 1981.2 . 可控硅变频调速 M. 北京 : 科技文献出版社 , 1982.3 薛定宇 . 控制系统计算机辅助设计语言 MATLAB语言及应用 M. 北京 : 清华大学出版社 , 2000.4 B R Pelly. Thyristor Phase-Controlled Converters andCycloconverters M. Wiley, New York, 1971.5 B K Bose. Power Electronics and AC Drives Z.Pr
21、entice-Hall, New Jersey, 1986, 1- 2.万方数据用MATLAB进行三相交-交变频电源的仿真设计作者： 易灵芝， 李志勇， 丁伟， 朱建林， 张林亭作者单位： 湘潭大学,信息工程学院,湖南,湘潭,411105刊名： 兵工自动化英文刊名： ORDNANCE INDUSTRY AUTOMATION年，卷(期)： 2003，22(1)被引用次数： 6次参考文献(5条)1.B R 佩莱.杨启元 可控硅相控整流及变频器 19812.可控硅变频调速 19823.薛定宇 控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言及运用 20004.B R Pelly Thyristor Phas
22、e-Controlled Converters and Cycloconverters 19715.B K Bose Power Electronics and AC Drives 1986相似文献(10条)1.学位论文 成燕 基于神经网络的变频器故障诊断的研究 2002该文针对变频器在实际应用中可能出现的一些故障,建立了一个以神经网络为基础的故障诊断系统.首先,该文运用MATLAB软件建立了变频调速系统模型来提取各种故障样本,然后结合神经网络,采用一种线性化的BP算法,对故障样本中所包含的故障信息进行分析和处理,从而判断出变频器的故障类型,以满足变频器故障诊断的需要,最大限度的降低损失.该文
23、所采用的神经网络有严格的理论基础,经过了理论和仿真双重验证.在故障种类繁多的情况下,运用MATLAB程序准确地判断出哪一部分、哪一个开关元件出现了故障.具有很强的针对性.课题证明了在变频器中,应用神经网络来进行故障诊断是切实可行的,而且判断效果很好.2.期刊论文 金辛海.马瑞侠.蔡新波.葛鹏遥.JIN Xin-hai.MA Rui-xia.CAI Xin-bo.GE Peng-yao 双PWM变频器及应用技术研究 -自动化技术与应用2010,29(10)针对变频调速电动机再生能量回馈应用技术中存在的问题,设计了一种基于SVPWM电流控制的四象限变流器.通过建立电网模型,阐述了双PWM变频调速技
24、术的控制策略和解耦原则,文中利用Matlab工具对其控制策略进行仿真分析,得到了很好的控制效果.实际提升试验,也验证了控制策略的正确性.3.期刊论文 刘华林.冯高明.王海军.LIU Hua-lin.FENG Gao-ming.WANG Hai-jun 基于Matlab的双变量6脉波交-交变频器特性研究 -电气传动2009,39(1)双变量6脉波交-交变频器采用零式结构,由36只晶闸管组成.主电路含6相变压器和3个整流电路模块.每个整流电路模块由12只晶闸管分6组反并联组成.脉冲触发时刻由余弦交截法产生.通过Matlab仿真,得到双变量6脉波交-交变频器各个频段下的电压电流波形.最后对变频器3分
25、频全压进行带载仿真,验证了该变频器的可行性,并为其研制提供重要理论根据.4.学位论文 黄夫海 基于谐波检测方法的无速度传感器控制变频器速度估计 2005无速度传感器矢量控制变频器速度估计有许多方法，例如：动态转速估计器，基于PI自适应控制法，自适应转速观测器等，这些方法都依赖于电机方程，因而不可避免的受到电机参数的影响。为了克服速度估计中对电机参数的依赖性，一些学者提出了利用基于齿谐波信号中与转速相关的频率成分来提取转速的思想。在齿谐波的作用下，定子电压、电流信号会产生相应的谐波，而这些谐波的频率与转速是相关的，因此，转速估计就是从齿谐波信号中提取相关频率，根据其与转速的关系推算转速。谐波信号
26、频率的提取是依靠数字信号处理技术来完成的。如今广泛采用的FFT技术、自相关功率谱估计法以及AR模型等现代谱估计技术的不足之处在于，为保证精度，往往所须采样时间相对较长，实时处理能力较差，并且易受噪声干扰的影响，造成低速情况下有较大的估计误差。因此，在低速下的抗干扰问题、测量精度问题和实时处理能力问题等有待进一步研究改进。转速是时变的，且要求实现转速闭环控制，因而要求检测算法计算量小，能跟踪时变信号，尤其在低速情况下需解决测量灵敏度和抗噪声干扰问题，这些都是目前无速度传感器矢量控制技术急需解决的关键技术。本文主要研究基于递推最小二乘算法的快速谐波检测算法，以满足转速辩识对快速性和灵敏度的要求。并
27、利用MATLAB/SIMULINK给出仿真结果。5.期刊论文 姜香菊.刘二林.JIANG Xiangju.LIU Erlin 基于Matlab的单相异步电机调速系统仿真设计 -工业仪表与自动化装置2010(5)在分析单相异步电机数学模型的基础上,基于Matlab/Simulink环境,建立电机的矢量仿真模型.该模型利用PID及逆变器等控制器件,通过交流-直流-交流进行变频后,来改变电动机的转速,实现异步电动机矢量控制变频调速.仿真结果表明:在Kp=2、Ki=20、Kd=0.1时,调速处于较佳的状态下,调速性能较好.6.期刊论文 刘红钊.黄义定.吕晓东.LIU Hong-zhao.HUANG Y
28、i-ding.LU Xiao-dong 基于Matlab的SVPWM变频器的仿真研究 -南阳师范学院学报2009,8(3)基于SVPWM变频器的原理,采用合适的算法,利用Matlab的Simulink工具箱.建立了SVPWM变频器的仿真模型,将该模型应用到永磁直线同步电动机垂直运输系统中,进行了仿真.仿真的结果表明,SVPWM控制方式下的磁通轨迹已经接近圆形,变频器也具有很好的鲁棒性,同时也提高了整个系统运行的稳定性和可靠性.7.学位论文 胡文刚 全数字同步电机矢量控制系统及运行特性研究 2004随着电力电子技术及计算机技术的发展,在调速领域已出现交流传动代替直流传动的趋势.同步电动机交交变频
29、技术的应用越来越受到人们的重视,尤其是在大容量、低转速的生产机械上.本文分析了同步电动机矢量控制技术的基本原理,采用Matlab进行了整个系统的仿真;设计调试了全数字矢量控制系统中的有关检测电路.准确模拟同步电动机是系统仿真的关键之一,本文根据同步电动机的数学模型,采用Matlab提供的S-funciton函数,开发出同步电动机的仿真模型.利用Matlab提供的电气系统模块(PSB),建立了交交变频器的仿真模型.在详细分析矢量控制的原理、特点的基础上,选取Matlab中的Simulink构建矢量控制系统.根据不同模块的连接特性,将电动机模型、交交变频器模型以及矢量控制仿真模型组成交交变频同步电
30、动机矢量控制系统.利用本文开发的模型,对同步电动机交交变频矢量控制系统进行了稳态性能的仿真研究,仿真运行的结果证明模型是准确的.通过仿真研究了在不同的转速和电压调制比的情况下同步电动机定子电流谐波及电磁转矩脉动,得出了有关规律性结论.在实际系统中,检测电路包括三个部分:同步信号检测、零电流检测、输出相电流检测.本文分析了检测电路的原理,在此基础上设计了实际电路,计算并调试了电路参数.试验结果表明,同步信号检测电路可以为矢量控制系统提供精确的电源同步信号;零电流检测电路通过检测晶闸管上的电流过零点,为交交变频器提供了换组信号;输出相检测电路准确的检测到电动机定子相电流.设计的检测电路达到了预期的
31、要求.8.学位论文 季正东 交流调速系统的工程设计方法 2002该文提出了一种交流调速系统的工程设计方法.基于EtherNet和DeviceNet两层网络来控制变频器,用DeviceNet作为底层传输网络,EtherNet作为上位传输网络,通过建立RSView32人机接口,达到远程监控变频器的目的.该文将基于RSView32的现场总线控制与基于MATLAB的动态仿真二者紧密的结合起来,首先把变频器的参数扫描至网络,然后在组态软件的操作平台上进行数据处理,必要时调用MATLAB仿真模型,并将模型的仿真最佳参数作为参考值反馈至平台(变频器)中,参与对交流调速系统的控制.9.期刊论文 尉冰娟.张淑国
32、.王明渝 基于Matlab的交-交变频同步机系统变频器性能分析 -电气应用2006,25(2)讨论基于Matlab的交-交变频器带不同负载的建模与仿真.对交-交变频器输出电压及输出电流进行了谐波特性分析,指出输出频率、输出电压比、“死区“对交-交变频器的影响.并且对该系统在不同负载情况下的运行特性进行简要分析.10.学位论文 齐炜 中高压变频器的研究与设计 2005近年来，以多电平形式实现高压输出的多电平变频器成为中高压变频领域重要的发展方向。目前，多电平变频器的主要结构形式可分为二极管嵌位型，电容嵌位型和单元级联型三种。其中，单元级联型变频器具有输出电压与输入电流谐波含量少、稳定性高、效率高
33、等优点。因此本课题以单元级联型中高压变频器为研究对象。传统单元级联型变频器的整流侧通常采用二极管整流的方式，无法实现能量回馈。而且此类传统变频器的输入端使用工频隔离变压器。这种变压器副边绕组多、设计难度大、成本较高。本文针对传统单元级联型变频器存在的问题提出了一种新型结构，这种新型变频器全部由全控器件组成，摆脱了复杂的输入变压器、减少了器件的使用数量、提高了设备的功率因数、并且可回馈能量。论文首先介绍几种传统单元级联型变频器的结构和一些PWM控制策略。其次详细分析新型单元级联型变频器的拓扑结构、工作原理、控制策略以及基本单元相互联接的方式。依据开关函数和电力电子学理论建立了输出为5电平的新型变
34、频器的数学模型，并利用MATLAB对模型进行了仿真，同时给出了仿真波形。随后使用数学和仿真方法对输出电压的谐波含量进行分析，两种方法取得的分析结果一致，取得了满意效果。最后，本文给出了新型单元级联型变频器的硬件设计方案，对中高压变频器的深入研究具有借鉴意义。引证文献(6条)1.王海军.杜庆楠.王满利 交交变频用6相变压器的Matlab辅助设计期刊论文-电气传动 2009(4)2.尉冰娟.张淑国.王明渝 基于Matlab的交-交变频同步机系统变频器性能分析期刊论文-电气应用 2006(2)3.尉冰娟.王明渝.张淑国 基于Matlab的交-交变频器性能分析期刊论文-兵工自动化 2005(5)4.张国平 矩阵变换器的研究学位论文硕士 20055.易灵芝.朱建林.范律.谭平安.李志勇 全数字式变频电源装置中晶闸管触发角的计算期刊论文-湘潭大学自然科学学报 2004(4)6.易灵芝.王根平.李卫平.邓文浪 基于网络的电力拖动自动控制系统虚拟实验室建设的探索与实践期刊论文-电气电子教学学报2003(6)本文链接：http:/
