三相交流调压电路设计.doc

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课 程 设 计 报 告 书

所属课程名称 电气工程设计软件计算机操作
题 目 　 三相交流调压电路设计　　　
分 院 　　 　　 　
专 业 班 级
学　　 号 　 　　　　 　
学 生 姓 名 　 　　　　 　　
指 导 教 师 　

2013年6月28日
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目录
第一章 课程设计内容及要求 3
第二章 单相交流调压电路分析 3
第三章 三相交流调压电路设计 7
3.1三相交流调压电路比较 7
3.2三相三线交流调压电路原理分析 8
3.3 仿真电路设计 11
第四章 电路仿真效果图 14
第五章 课程设计心得体会 20
参考文献（资料） 22

第一章 课程设计内容及要求
根据单相交流调压电路原理，设计一个三相交流调压电路。通过MATLAB/SIMULINK仿真分别得到控制角α=0°、α=30°和α=90°时输出电压和电流波形，以及各相触发脉冲波形。负载考虑纯电阻情况，触发脉冲可通过脉冲宽度调制技术得到。 仿真电路设计步骤如下：
A. 根据设计要求设计方案，对要求进行分析。提出初步设计方案。
B. 然后对方案进行比较，选定合适设计方案。
C. 完成单元电路设计和主要元器件参数选择，完成主电路原理分析。
D. 把各个元器件和单元电路连接成我们所需要仿真电路图，对搭建仿真进行检验。
E. 如果仿真电路图无误，对所需结果进行仿真。
最后，把仿真出来效果图，写到课程设计报告里。
第二章 单相交流调压电路分析
所谓单相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，可以方便调节输出交流电压有效值。其输出波形是对称，设正、负半波控制角均为a。当负载电阻为R，输入电源电压有效值为U1，则此电路基本电气参数如下：
1. 负载电阻R上交流电压有效值：
2. 负载电阻R上电流有效值：
3.功率因数l：

4. 晶闸管电流平均值：

5..晶闸管电流有效值I及其通态平均电流：

6.图（1）为单相交流调压器在电阻负载时参数及控制角a关系，其中UR/U1、IR/I0及功率因数l三者及a关系可用同一条曲线表示。

图（1）单相交流调压器在电阻负载时参数及控制角a关系

下面是单相交流调压电路图及其波形如图(2)、图(3)：

图（2）单相交流调压电路

图（3）单相交流调压电路波形

第三章 三相交流调压电路设计
3.1三相交流调压电路比较
根据单相交流调压电路原理，对三相交流调压电路进行设计。常用三相交流调压线路有电源星型和三角型联结、负载三角型和星型联结。其中星型联结有分为三相三线负载星型线和三相负载三角型联结如图（4）、图（5）。下面对这个两种链接进行比较,三相三线负载星型线时，输出谐波分量低，没有三次谐波电流，对邻近通信电路干扰小，因而应用比较广。因为没有零线，必须保证两个晶闸管同时导通，负载中才有电流通过，因而必须是双脉冲或宽脉冲（脉宽大于60度）触发。要求移相范围为150度。晶闸管承受峰值电压U1.适用于输出接变压器初级、变压器次级为低电压大电流负载。三相负载三角型联结：它是一个于三个单相调压器组合而成。每相电流波形及单相交流调压器相同，其线电流三次谐波分量为零。触发移相范围为180度。晶闸管承受峰值电压U1.负载必须为三个可拆开单相负载，所以用比较少。因此我选择三相三线负载星型联结交流调压电路（4)。

图（4）三相三线负载星型联结交流调压电路

图（5）三相负载三角型联结交流调压电路
3.2三相三线交流调压电路原理分析
三相交流调压电路有各种各样形式，图（4）用是性能最好、运用最多三相三线Y形连接调压电路。下面以图（4）电阻负载为例说明其工作原理。
图（4）中由于没有中线，若要负载上流过电流，至少要有两相构成通路，即在三相电路中，至少要有一相正向晶闸管及另一相反向晶闸管同时导通。为了保证在电路工作时能使两个晶闸管同时导通，要求采用大于60度宽脉冲或双窄脉冲触发电路；为保证输出电压三相对称并有一定调节范围，要求晶闸管触发信号。除了必须及相应交流电源有一致相序外，各触发信号之间还必须严格地保持一定相位关系。对图（4）
调压电路，要求A、B、C三相电路中正向晶闸管VT1、VT3、VT5
触发信号相位互差，反向晶闸管VT2、VT4、VT6触发信号相位也互差，而同一相中反并联两个正、反向晶闸管触发脉冲相位应互差，即各晶闸管触发脉冲序列应按VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6次序，相邻两个晶闸管触发信号相位差为。为使负载上能得到全电压，晶闸管应能全导通，因此应选用电源相应波形起始点作为控制角为α=时刻，该点作为触发角α基准点。当α为其它角度时，会出现有时三相均有晶闸管导通，有时只两相晶闸管导通。对于三相导通情况，导通相负载上电压为各相电压。对于两相导通情况，导通两相每相负载上电压为其线电压一半，不导通相负载电压为零。对电路工作情况分析如：当≤α≤时，三相导通和两相导通情况交替出现。三相导通时，每相电阻电压为相电压；两相导通时，导通相电阻电压为导通两相线电压一半，不导通相电阻电压为零。当≤α≤时，由于任何瞬时都是两相导通，所以导通相电阻电压为导通两相线电压一半；同上一样，不导通相电阻电压为零。当≤α≤时，会有一区段内三个元件均不导通，这就是三相不导通情况。α在这一段区间内，会出现两相导通或者三相都不通情况。两相导通时负载输出电压如前所述。三相都不通时，则三相负载电压都为零。当α≥时，触发脉冲不起作用，晶闸管不导通。所以三相交流调压电路电阻负载时触发角最大移相角范围为。
由以上分析可得出结论：交流调压所得负载电压和电流波形都不是正弦波，且随着α角增大，负载电压相应变小，负载电流开始出现断续。当负载为电感性时，交流调压输出波形就不仅及α有关，也及负载阻抗角β有关，这时负载电流和电压波形也不再同相了，其移相角范围为。由于三相交流调压带阻感性负载工作情况比较复杂，很难理论上给出定量分析，所以在本文后面将结合其仿真波形进行分析。
交流调压电路谐波和功率因数分析：交流调压电路采用是相位控制方式，使电路中出现缺角正弦波形!因此它不可避免地包含高次谐波电流并导致电源波形畸变。在电力电子技术中有功功率、无功功率、功率因数计算和正弦电路中相同。即有功
功率为瞬时功率在一个周期内平均值；视在功率指是电气设备电压有效值和电流有效值乘积；那么功率因数则为两者之比值。在交流调压电路中，输入电压为正弦电压，而电流为非正弦波，可以分解成一系列傅立叶级数形式。
电阻负载时三相调压电路输入电流基波和各次谐波含量及控制角α关系如下：
（1）电阻性负载或纯电感性负载时，谐波电流仅含n=6k+1次谐波成分，谐波含量随谐波次数增高而降低。
（2）随控制角增大，由于电流有效值减小，基波和谐波都减小。但基波减小得快，因而有出现谐波成分多于基波成分。
（3） 阻感性负载时，各次谐波谐波电流含量均比电阻负载时要小，基波因数要高。
3.3 仿真电路设计
根据设计要求，选择元器件： 电路中所用到器件，主要是220V三相交流电源、、。6个反并联晶闸管，即VT1.VT2,VT3,VT4,VT5,VT6还有3个阻感负载。晶闸管选择，可控硅在门极无信号，控制电流为0时，在阳(A)一一阴(K)极之间加(J2)处于反向偏置，所以，器件呈高阻抗状态，称为正向阻断状态，若增大而达到一定值，可控硅由阻断突然转为导通，这个值称为正向转折电压，这种导通是非正常导通，会减短器件寿命。所以必须选择足够正向重复阻断峰值电压(VDRM)。在阳一一阴极之间加上反向电压时，器件第一和第三PN结(J1和J3)处于反向偏置，呈阻断状态。当加大反向电压达到一定值VRB时可控硅反向从阻断突然转变为导通状态，此时是反向击穿，器件会被损坏。而且和值随电压重复施加而变小。在感性负载情况下，如磁选设备整流装置。在关断时候会产生很高电压，如果电路上未有良好吸收回路，此电压将会损坏可控硅器件。因此，器件也必须有足够反向耐压VRRM。
可控硅在变流器(如电机车)中工作时，必须能够以电源频率重复地经受一定过电压而不影响其工作，所以正反向峰值电压参数VDRM、VRRM应保证在正常使用电压峰值2-3倍以上，考虑到一些可能会出现浪涌电压因素，在选择代用参数时候,只能向高一档参数选取。

主电路设计：主电路图如:图（6）所示，

图（6）仿真主电路图
触发电路设计： 三相交流调压电路要求，设计符合要求触发器，可产生六脉冲触发器，六个脉冲分别控制VT1,VT2,VT3,VT4,VT5,VT6导通，各个脉冲相位相差60度，且脉冲宽度大于60度，为了主电路设计方便和电路结构清晰，将触发电路集成一个模块。

产生触发电路图如:图（7）所示：

图（7）仿真触发电路图
第四章 电路仿真效果图
各元器件参数设置：
（1）三相电源对称正弦交流电，峰值电压为380V，频率为50Hz，、、初始相位分别为0°，-120°，-240°。
（2晶闸管,电压测量，及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是触发器模型使能端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=4Ω,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70，增益Gain为6。从而是产生脉冲宽度大于60度，满足电路正常工作。
（7）仿真参数设置：仿真开始时间为0s，停止时间为0.1s。
只有当此端置“0”时，才能输出脉冲。
当改变控制角度时，三相电源电压波形图都一样，即三相电源电压波形如:图（8）

图（8）三相电源电压波形

当α=0°时，三相电源侧电流波形图如：图（9）

图（9）α=0°三相电源侧电流波形
当α=30°时，三相电源侧电流波形图如：图（10）

图（10）α=30°三相电源侧电流波形

当α=90°时，三相电源侧电流波形图为图（11）

图（11）α=90°三相电源侧电流波形
触发脉冲波形图如:图（12）

图（12）触发脉冲波形

当α=0°时，单相负载电压和电流波形图如：图（13）

图（13）α=0°单相负载电压和电流波形

当α=30°时，单相负载电压和电流波形图如：图（14）

图（14）α=30°单相负载电压和电流波形

当α=90°时，单相负载电压和电流波形图如：图（15）

图（15）α=90°单相负载电压和电流波形
第五章 课程设计心得体会
首先感谢王楚老师两个星期来细心指导，刚开始我对这个仿真软件不怎么懂，在老师老师耐心烦地讲解下，我开始慢慢地设计主电路仿真电路图，最终圆满完成这次课程设计。
这次课程设计，我学到很多有关我们专业知识方面知识，丰富了自己知识点，使自己得到提升。同时对SIMULINK仿真有了新认识。SIMULINK提供一个动态系统建模、仿真和综合分析集成环境。在该环境中，无需大量编写程序，而只需要通过简单直观鼠标操作，就可构造出复杂系统。适应面广、结构和流程清晰、仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点。SIMULINK提供了一些按功能分类基本系统模块，用户只需要知道这些模块输入输出及模块功能，而不必考察模块内部是如何实现，通过对这些基本模块调用，再将它们连接起来就可以构成所需要系统模型，进而进行仿真及分析。
在电路进行仿真过程中，经常遇到这样那样问题。如：线路连接错误、参数设置等。这次课设增强了自己设计和理论联系实际能力，加深对MATLAB软件功能理解，学会了如何用MATLAB设计三相交流调压器，学会分析理论及实际之间误差，为以后理论在实践中应用打下一个很好基础 。
其次懂得了各个课程知识不是孤立，而是相互之间联系，我们要学会综合理解知识点以及运用各知识。这次课程设计涉及到了电力电子技术、电路、数学，控制等众多知识面，因而我们需要把把各个学科之间知识融合起来，形成一个整体，提升了自己综合知识素养。

　 参考文献（资料）
[1] 编者：贺益康、潘再平，电力电子技术（第二版）.北京：科学出版社，2010年7月
[2]编者：蒋珉 ，MATLAB程序设计及应用 [M]. 北京：北京邮电大学出版社，2010年3月
[3] 编者：吴文辉，电气工程基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2013年2月
[4] 编者：刘叔军，MATLAB7.0控制系统应用于实例.北京：机械工业出版社，2006年1月
[5] 编者：刘树堂，现代线性系统-使用MATLAB，西安：西安交通大学出版社，2002年5月