电力电子课程设计+三相交流调压电路研究.doc

电力电子技术课程设计

班级 建电1101班
学号 111705135
姓名 徐瞳

扬州大学能源与动力工程学院建筑电气与智能化
二零一四年一月

目录
一．课程设计题目
二．课程实际目的
三．课程设计内容
四．所设计电路的工作原理(包括电路原理图、理论波形)
五．电路的设计过程
六．各参数的计算
七．仿真模型的建立，仿真参数的设置
八．进行仿真实验，列举仿真结果
九．对仿真结果的分析
十．结论
十一．课程设计参考书

一、课程设计题目
三相交流调压电路研究

二、 课程设计目的
（1） 了解三相交流调压触发电路的工作原理。
（2） 加深理解三相交流调压电路的工作原理。
（3） 了解三相交流调压电路带不同负载时的工作特性。
（4） 掌握三相交流调压电路MATLAB的仿真方法，会设置各模块的参数。

三、 课程设计内容
1 主电路方案确定
2 绘制电路原理图、分析理论波形
3 器件额定参数的计算
4 建立仿真模型并进行仿真实验
6 电路性能分析
输出波形、器件上波形、参数的变化、谐波分析、故障分析等

四、 所设计电路的工作原理(包括电路原理图、理论波形)
交流调压器应采用宽脉冲进行触发。实验装置中使用后沿固定、前沿可变的宽脉冲链。实验电路如图A所示。
它由三个单项晶闸管交流调压器组合而成，三相负载接Y形，公共点为三相调压器中线，其工作原理和波形与单相交流调压想通。图中晶闸管触发导通的顺序为VT1→VT2→…→VT6。由于存在中性线，每一相可以作为一个单相调压器单独分析，各相负载电压和电流仅与本相的电源电压、负载参数及控制角有关。
整流电压平均值的计算分如下两种情况：
（1）α≤30°时，负载电流连续，有
Uo=1/(2π/3) ∫π/6+α5π/6+α√2U2sinωtd(ωt)=3√6/(2π)U2cosα=1.17U2cosα
当α=0时，U0最大，U0=1.17 U2
（2）α＞30°时，负载电流断续，晶闸管断续，晶闸管导通角减小，此时有
Uo=1/(2π/3)∫π/6+απ√2U2sinωtd(ωt)=3√2/(2π) U2 [1+cos(6/π+α) ]=0.675U2 [ 1+cos(π/6+α)]
负载电流平均值为Io=Uo/RP
晶闸管承受的最大反向电压为URM=√2×√3U2=2.45 U2
UFM=√2 U2
由于晶闸管阴极与零线间的电压即为整流输出电压U0，其最小值为零，而晶闸管阳极与零
线间的最高电压等于变压器二次相电压的峰值，因此晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等
于变压器二次相电压的峰值。

图A 三相交流调压实验电路图

五、 电路的设计过程
① 三相交流调压器触发电路的调试（DJK02上“触发电路”的调试）
② 三相交流电压电路带电阻性负载
使用正桥晶闸管VT1~VT6，按图A连成三相交流调压主电路，其触发脉冲已通过内部连线接好，只要将正桥脉冲的6个开关扳至“接通”，“U1f”端接地即可。
设置交流峰值电压为100V、频率为50Hz。
晶闸管参数设置：Rn=0.001Ω，Lon=0H，Vf =0.8，Cs=250e－9（250×10-9）
负载参数设置：R=450Ω，L=0H，C=inf
脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置：频率设置为50Hz，脉冲宽度为2％

六、 各参数的计算
U2=Um/√2=100/√2≈70.7V R=450Ω URM=2.45U2≈173.315V UFM=√2U2≈99.985V
α≦30°
α=0° Uo =1.17 U2=82.719V Io=Uo/R≈0.184Ω
α=30° Uo =1.17 U2cos（π/6）=71.637V Io=Uo/R≈0.159Ω
α＞30°
α=60° Uo =0.675U2[1+cos（π/6+π/3）]=47.7225V Io=Uo/R≈0.106Ω
α=90° Uo =0.675U2[1+cos（π/6+π/2）]=23.86125V Io=Uo/R≈0.053Ω
α=120° Uo =0.675U2[1+cos（π/6+2π/3）]=6.3936 V Io=Uo/R≈0.0142Ω
α=150° Uo=0.675U2[1+cos（π/6+5π/6）]=0V Io=Uo/R≈0Ω

七、 仿真模型的建立，仿真参数的设置
启动MATLAB 6.1，进入SIMULINK后新建文档，绘制三相交流调压系统模型图。双击各模块，在出现的对话框内设置相应的参数。
设置交流峰值电压为100V、频率为50Hz。
晶闸管参数设置：Rn=0.001Ω，Lon=0H，Vf =0.8，Rs=500Ω，Cs=250e－9（250×10-9）
负载参数设置：R=450Ω，L=0H，C=inf
脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置：频率设置为50Hz，脉冲宽度为23％
本例中，当α=0°时，Pulse1为0s，Pulse2为0.01s，Pulse3为0.0067s，Pulse4为0.0167s，Pulse5为0.0132s，Pulse6为0.0232s。当α=30°时，Pulse1为0.0017s，Pulse2为0.0117s，Pulse3为0.0084s，Pulse4为0.0184s，Pulse5为0.0151s，Pulse6为0.0251s。当α=60°时，Pulse1为0.0033s，Pulse2为0.0133s，Pulse3为0.0099s，Pulse4为0.0199s，Pulse5为0.0165s，Pulse6为0.0265s。当α=90°时，Pulse1为0.005s，Pulse2为0.015s，Pulse3为0.0117s，Pulse4为0.0217s，Pulse5为0.0184s，Pulse6为0.0284s。
设置好各模块参数后，单击工具栏的 ▶ 按钮，得到需要的仿真结果。

八、 进行仿真实验，列举仿真结果
利用MATLAB 6.1，进入SIMULINK后新建文档绘制如下模型图进行仿真。双击各模块，在出现的对话框内设置参数。设置好参数后，单击工具栏的 ▶ 按钮，得到需要的仿真结果。

α=0°时的波形图

α=30°时的波形图

α=60°时的波形图

α=90°时的波形图

九、 对仿真结果的分析
对于三相调压电路而言，通过调节晶闸管来改变控制角α，可以对电路中负载的输出电压造成影响，表现在负载电压Uo的复制减小，波形出现延迟现象的程度不同，以及负载电流落后于负载电压，出现畸变的问题。
仿真实验得出的电压有效值和理论值之间是有误差的。
α=0° 理论值Uo =1.17 U2=1.17 Um/√2=1.17×100／√2≈82.719V
实际值Uo =100/√2≈70.724V
误差σ=|﹙70.724－82.719﹚／70.724|×100％≈16.96 %
α=30° 理论值Uo =1.17 U2cosα=1.17 Umcos(π/6)/√2=1.17×100×﹙√3／2﹚／√2
≈71.637V
实际值Uo =100/√2≈70.724V
误差σ=|﹙70.724－71.637﹚／70.724|×100％≈1.29 %
α=60° 理论值Uo =0.675U2[1+cos（π/6+π/3）]≈47.7225V
实际值Uo =100/√2≈70.724V
误差σ=|﹙70.724－47.7225﹚／70.724|×100％≈32.5%
由理论值和实际值相比较可以看出电路还存在一定的误差，这可能是由于器件参数选择不准确，读数不精所造成的。但是，理论值已经近似等于了实际值，实验正确。

十、 结论
随着电力电子技术的发展，交流调压电路大都采用工作在“交流开关状态”的晶闸管，其实质是在恒定交流电源与负载之间接入晶闸管作为交流电压控制器。晶闸管的控制方式有两种：一是相位控制，即通过控制晶闸管的导通角来调压；二是周波控制，在一定时间内，控制晶闸管导通的来达到调压的目的。
本次课程设计对基于晶闸管的三相交流调压电路的各个方面进行了详细的分析研究，并通过MATLAB的SIMULINK电力系统工具箱搭建了相应的仿真电路并进行相应的仿真分析，验证了交流调压电路的工作原理和相关谐波问题。为交流调压电路在电炉的温度控制、灯光调节（如舞台灯光调节）、异步电机软启动、异步电机调速等方面应用奠定了良好的基础。
从理论到实践，在专业课程设计持续的日子里，我学到很多东西。此次实践不仅可以巩固了我以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过课程设计教育，我认识理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中随时会遇到各式各样的问题，我不断发现自己的不足之处。整了个设计过程对我而言可以说是困难重重，譬如对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，不会查阅资料，觉得无从下手等等。在课程设计过程中通过互动指导，我根据老师的要求一步一步的制定并依次实施计划，并在设计计划执行过程中学会查阅资料，鼓励克服心理上的不良情绪，不断的学习和解决难题，不断磨练炼我的意志。此次课程设计为我今后的毕业设计做必要的准备，并为我毕业后的工作学习提供了借鉴思路。

十一、 课程设计参考书
（1） 电力电子技术计算机仿真实验
（2） 电力电子技术 第5版（王兆安 刘进军 主编）机械工业出版社
（3） 电路第5版（原著 邱关源 修订 罗先觉）高等教育出版社
（4） MATLAB语言与控制系统仿真（孙亮 主编）北京大学出版社