三相交流调压器的设计

目录

摘要 ........................................................................ 2 Summary ..................................................................... 2 1.设计意义和要求 ............................................................ 3 1.1.设计意义 ................................................................ 3 1.2设计要求 ................................................................ 3 2.方案设计 .................................................................. 4 3.主电路的设计 .............................................................. 5 3.1主电路的原理分析 ........................................................ 5 3.2主电路器件的选择 ........................................................ 7 3.3晶闸管模块 .............................................................. 7 4.触发电路的设计 ............................................................ 8 5利用MATLAB进行仿真 ...................................................... 10 5.1仿真电路图 ............................................................. 10 5.2仿真结果 ............................................................... 11 5.2.1 A相仿真结果 ......................................................... 11 5.2.2 B相仿真结果 ......................................................... 14 5.2.3 C相仿真结果 ......................................................... 17 5.2.4 ABC三相的仿真结果 ................................................... 20 6仿真结果分析 ............................................................. 23 心得体会 ................................................................... 24 参考文献 ................................................................... 25 附录：主电路图 ............................................................. 26

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摘要

本次课程设计的题目是三相交流调压电路的设计，主要是设计出主电路和触发电路，通过触发电路触发主电路中的反并联的晶闸管来控制负载电压电流。触发电路产生的触发脉冲的延迟角也是可以调节的，通过对它的调节来达到对输出控制的目的。在MATLAB中连接好总电路图，用示波器观察输出结果，直观方便。MATLAB这一功能强大的软件给我们带来了很多方便，让我们对于设计电路的结果分析 更加清晰明确。本次课程设计我们学到了很多知识，知道了单相交流调压电路的组成已经触发电路的结构，知道了调压的基本原理，这对我们课堂所学的知识是个巩固和加强，让我们把课堂所学的知识真实的用到实践中，亲自动手，也增强了我们的动手能力，对我们的将来的发展起到了很好的作用。 关键字： 三相交流调压电路 MATLAB 主电路

Summary

The subject of this course designed is three-phase AC voltage regulator

circuit design, mainly to design the main circuit and trigger circuit, trigger circuit is triggered by the main circuit in the anti-parallel thyristors to control the load voltage and current.Trigger circuit generates the trigger pulse delay angle is adjustable, adjust it to achieve by the output control.In matlab the total circuit connected with the oscilloscope output, easy and intuitive.Matlab This powerful software has brought us a lot of convenience, let us analyze the results for the design of the circuit is more clear.The curriculum we learned a lot, know the composition of single-phase AC voltage regulator circuit has been triggered circuit structure, know the basic principles of the regulator, which is the knowledge we learned in the classroom is to consolidate and strengthen, so wethe knowledge learned in the classroom practice of real use, hands-on, but also enhances our ability, our future has played a good role.

Keywords: trigger circuit voltage MATLAB oscilloscope

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三相交流调压器的设计

1.设计意义和要求

1.1.设计意义

此次三相课程设计的题目：三相交流调压器的设计，通过我们自己设计，自己分析，自己动手，使我们加深了对已经学的电力电子技术方面的理解和初步应用。将之运用到实践中去，加深自己的理解。为以后的学习和工作打下一个坚实的基础。

三相交流调压器的设计运用到电力电子技术中交流变交流知识，即AC-AC.运用晶闸管设计三相交流调压电路，晶闸管是一种半控器件，即晶体闸流管的简称，又可做可控硅整流器，性能优异，运用广泛。三相交流调压电路主要由主电路（根据所需需要加入保护电路）和触发电路，主电路是三相交流调压电路的主干部分，运用到晶闸管，触发电路的作用是产生脉冲控制晶闸管的导通，主电路和触发电路共同作用实现交流电路的调压功能。各种电路的组合需要经过精密的计算和思考，整合各个功能电路，使之能达到三相交流调压器的基本要求。在此次设计中，我们主要用到了晶闸管，这对我们熟悉晶闸管的功能很有帮助，可以阔宽我们的视野，发散我们的设计，分析与理解思维。同时可以让我们明白同一个问题可以有多种解决的方法，通过对不同方法的比较，学会选择最优解。 在本次对三相交流调压器的设计，我用到了MATLAB这个功能强大的软件，MATLAB软件可实现数值计算和仿真等很多功能。此次课程设计对我们的作用非常大，可以提高自己运用电力电子技术的综合能力，并将理论知识与实践相结合，认识到理论与实际的差距，并能分析其中的误差，使自己能更好的运用自己所学的知识，完成其他功能更多、更加复杂、完善的电子产品设与制作。三相交流调压电路的结构比较简单，将来的学习和工作中我们会遇到更多复杂的问题。不管如何，我相信，这次的设计对我们的将来很有用处，会是一笔无价的财富。

1.2设计要求

设计的三相交流调压电路，要求用作控制从220V三相交流电源送至电阻为2Ω，电感为1mH的三相串联负载电路的功率。采用无中线星型联结电路。

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2.方案设计

本次的课程设计的题目要求是设计一个三相交流调压器，运用到所学的电力电子技术

中交流变交流，即AC-AC电路，这种电路可实现一种交流电变为另一种交流电的功能。主要有主电路和触发电路组成，集中主电路要有保护电路对他进行保护。电路结构图1如下：

触发电 路

主电路

图1 方案结构图

触发电路实现对主电路的控制，通过对主电路的控制，可实现主电路工作在某种状态下，保护电路的作用是对主电路进行保护，使主电路能更好的工作，触发电路和保护电路时为主电路服务的，各电路之间协调配合，使系统性能更加良好。常用的三相交流调压线路有星型联结，支路控制三角形联结和中点控制三角形联结。其中星型联结有分为三相三线和三相四线。三相四线时，相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120度工作，电流中有基波和奇次谐波。组成三相电路后，基波和3的整数倍以外的谐波在三相之中流动，不流过中性线。因此，中性线会有很大的3次谐波电流及其他3的整数倍次谐波电流，当控制角α=90°时，中性线电流甚至和各相电流的有效值接近。因而，此次我采用的是三相三线联结。如图2所示

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Vt1RP1LD1vt3vt4vt6vt5I0U0RP2LD2RP3电阻电感性负载 vt2LD3

图2 三相交流调压电路的三相三线式联结

3.主电路的设计

3.1主电路的原理分析

Vt1RP1LD1vt3vt4vt6vt5I0U0RP2LD2RP3电阻电感性负载 vt2LD3

图3 三相交流调压电路原理图

如图3为电路原理图，由三相交流电源供电的电路，简称三相交流电路。三相交流电源指能够提供3个频率相同而相位不同的电压或电流的电源，三相交流电各相电压的相位互差120°。它们之间各相电压超前或滞后的次序称为相序，使用三相电源时必须注意其相序。

在对三相交流调压电路工作原理分析的基础上，建立了基于MATLAB的三相交流调压电路的仿真模型，修改相应的参数，并对其进行了仿真分析和研究。通过仿真分析和参数

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的修改，验证所建模型的正确性，加深对三相交流调压电路理解。最后，对仿真实验进行总结。

三相交流调压器的触发信号应与电源电压同步，其控制角是从各自的相电压过零点开始算起的。三个正向晶闸管VT1、三个反向晶闸管VT2、VT3、VT5的触发信号应互差120，

VT4、VT6的触发信号也应互差120，同一相的两个触发信号应互差180。总的触发顺序是VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，其触发信号依次各差60。Y联接时三相中由于没有中线，所以在工作时若要负载电流流通，至少要有两相构成通路。为保证启动时两个晶闸管同时导通，及在感性负载与控制角较大时仍能保证不同相的正反向两个晶闸管同时导通，要求采用大于60的宽脉冲(或脉冲列)或采用间隔为60双窄脉冲触发电路。 电压平均值的计算分两种情况：

（）130时，负载电流连续，有15636U02Usintd（t）U2cos1.17U2cos22263当0时，U0最大，U01.17U2 (式1)

（2）当>30时,负载电流断续,晶闸管导通角减小,此时有132U02Usintd（t）U1cos()0.675U1cos()222226663负载电流平均值为UI00RP晶闸管承受的最大反向电压为URM23U22.45U2UFM=2U2（式2）

为了保证三相交流调压电路的正常工作，其晶闸管的触发系统应满足下列要求： 1、在三相电路中至少有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通。

2、为了保证电路起始工作时两个晶闸管能同时导通，并且在感性负载和控制角较大时，也能使不同相的正、反两个晶闸管同时导通，要求采用宽脉冲，或者双窄脉冲触发电路。

3、各触发信号应与相应的交流电源电压相序一致，并且与电源同步。

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3.2主电路器件的选择

主电路中所用到的器件，主要是200V三相交流电源，即ua,ub,uc，6个反并联的晶闸管，即VT1.VT2,VT3,VT4,VT5,VT6还有3个阻感负载。晶闸管的选择：

1 选择正反向电压

可控硅在门极无信号，控制电流Ig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UAK而达到一定值VBO，可控硅由阻断突然转为导通，这个VBO值称为正向转折电压，这种导通是非正常导通，会减短器件的寿命。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，器件的第一和第三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时可控硅的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VBO和VRB值随电压的重复施加而变小。在感性负载的情况下，如磁选设备的整流装置。在关断的时候会产生很高的电压( ∈=-Ldi/dt)，如果电路上未有良好的吸收回路，此电压将会损坏可控硅器件。因此，器件也必须有足够的反向耐压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的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的2-3倍以上，考虑到一些可能会出现的浪涌电压因素，在选择代用参数的时候,只能向高一档的参数选取。

3.3晶闸管模块

将六个晶闸管合成一个模块，如图4所示：

图4 晶闸管模块

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晶闸管模块系统的内部结构如图5所示：

图5 晶闸管模块内部结构图

4.触发电路的设计

根据三相交流调压电路的要求，设计符合要求的触发器，可产生六脉冲触发器，六个脉冲分别控制VT1,VT2,VT3,VT4,VT5,VT6的导通，各个脉冲相位相差60度，且脉冲宽度大于60度，为了主电路的设计的方便和电路结构的清晰，将触发电路集成一个模块，图6为触发电路模块图：

图6 触发模块

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图7为触发模块的内部结构图：

图7 触发电路模块内部结构图

根据要求产生的脉冲如图8所示

图8 三相六脉冲

此脉冲一个中期内有六个脉冲，每个脉冲控制一个晶闸管，两个脉冲控制两个晶闸管，即一相电路的工作情况，脉冲宽度大于60°而小于120°，这六个脉冲使主电路能正常工作。

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5利用MATLAB进行仿真

5.1仿真电路图

本次课程设计的总电路如图9所示:

图9三相交流调压电路总电路图

已知负载为阻感情况如下：电阻R=2Ω，电感L=0.001H。则:

arctanR22arctanarctan81WL2fL2**3.14*0.001 (式3)

各模型参数设置：

1）三相电源。对称正弦交流电，幅值为1.414*220V，即311V，频率为50Hz，ua,,ub,uc初始相位分别为0°，-120°，120°。

2）晶闸管,电压测量，与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是触发器模型的使能端，只有当此端置“0”时，才能输出脉冲。

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=2Ω,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100，增益Gain为6。从而是产生的脉冲宽度大于60度，满足电路的正常工作。

7）仿真参数设置。仿真开始时间为0s，停止时间为0.08s。

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5.2仿真结果

5.2.1 A相仿真结果

(1)电阻负载R=2Ω时：

图10 α=30°时的电压电流波形

图11 α=81°时的电压电流波形

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图12 α=90°时的电压电流波形

（2）阻感负载R=2Ω，L=0.001H时：

图13 α=30°(＜φ)时的电压电流波形

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图14 α=81°(＝φ)时的电压电流波形

图15 α=90°(＞φ)时的电压电流波形

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5.2.2 B相仿真结果

(1)电阻负载R=2Ω时：

图16 α=30°时的电压电流波形

图17 α=81°时的电压电流波形

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图18 α=90°时的电压电流波形

（2）阻感负载R=2Ω，L=0.001H时：

图19 α=30°(＜φ)时的电压电流波形

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图20 α=81°(＝φ)时的电压电流波形

图21 α=90°(＞φ)时的电压电流波形

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5.2.3 C相仿真结果

(1)电阻负载R=2Ω时：

图22 α=30°时的电压电流波形

图23 α=81°时的电压电流波形

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图24 α=90°时的电压电流波形

（2）阻感负载R=2Ω，L=0.001H时：

图25 α=30°(＜φ)时的电压电流波形

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图26 α=81°(＝φ)时的电压电流波形

图27 α=90°(＞φ)时的电压电流波形

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5.2.4 ABC三相的仿真结果

(1) 电阻负载R=2Ω时：

图28 α=30°时的电压电流波形

图29 α=81°时的电压电流波形

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图30 α=90°时的电压电流波形

(2)阻感负载R=2Ω，L=0.001H时

图31 α=30°(＜φ)时的电压电流波形

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图32 α=81°(＝φ)时的电压电流波形

图33 α=90°(＞φ)时的电压电流波形

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6仿真结果分析

仿真分两部分：(1)电阻负载R=2Ω时：

(2)阻感负载R=2Ω，L=0.001H时

当α分别为30°，81°，90°时各相波形如上图所示：其中电压波形为正炫波，电流波形为另一个波形。

从波形上可以看到，电流中有很多谐波，进行傅里叶分析后可知，其中所含谐波的次数为6K加减一，这和三相桥式全控整流电路交流侧所含谐波的次数完全相同，而且也是谐波的次数越低，其含量越大。和单相交流调压相比，这里没有3的整数倍次谐波，因

为在三相对称时，他们不能流过三相三线电路。 我们利用晶闸管设计三相交流调压电路，这种电路性能优越，很好的实现一种交流电到交流电的变换。随着控制角α的不同，结果也不同。由于电感有储能作用，电感负载和阻感负载相比较，结果不同。三相交流调压电路是通过控制一个周期内的导通角来实现调压功能的，它与交流调功电路不同，调功电路是通过改变通态周期数和断态周期数的比，可以方便的调节输出功率的平均值。通过学习三相交流调压电路的有关知识，并结合本次课程设计，我们可以运用有关的电力电子技术设计三相交流调压器，完成我们的要求。

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心得体会

经过一个星期的努力和付出，完成了本次<<电力电子技术>>课程设计，本次课程设计提高了动手能力与设计能力，加深了对理论知识的理解，做到了理论与实践的联系。学会了这个MATLAB软件的运用，积累进行课程设计的经验。

上个学期，我们做的课程设计有微机原理课程设计和自动控制原理，为我们这个学期的课程设计打下一个基础，初步掌握了MATLAB这个软件的使用，因而这次使用它更加熟悉。首先通过本次课程设计，熟练地掌握了三相交流调压器的设计方法，了解他的工作原理，以及电路所用到的晶闸管的工作状况，熟悉了它们各自的特点和用途。通过本次课程设计，对理论知识有了更深入的理解，感受到自动控制知识的魅力。

其次，通过本次课程设计，大大提高了自己的动手能力和设计能力，加深对MATLAB软件功能的理解，学会了如何用MATLAB设计三相交流调压器，学会分析理论与实践的误差，为以后理论在实践中的应用打下一个好的基础 。

然后，通过该课程设计，初步理解了利用电力电子技术进行三相交流调压器的设计。以及三相调压器的工作原理原理，以及所用到的晶闸管工作状况这为我们以后的学习和工作打下一个坚实的基础。理论与实践相辅相成，这个是千古不变的道理。

最后，我明白：知识不是孤立的，相互之间有联系的，我们要学会理解知识点以及学科之间的融合渗透。本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，因而我们需要把把各个学科之间的知识融合起来，形成一个整体。认识到MATLAB这个软件的强大功能，为以后的学习和工作打下基础。

我相信未来是属于我们的，随着科学技术的发展， 自动控制技术的应用将将越来越广泛，发挥越来越重要的作用。

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参考文献

[1] 王兆安.电力电子技术（第五版）.北京：机械工业出版社 [2] 李传琦.电力技术计算机仿真实验 北京.电子工业出版社

[3] 陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用.北京：电子工业出版社 [4] 刘叔军.MATLAB7.0控制系统应用于实例.北京：机械工业出版社 [5] 刘树堂.现代线性系统-使用MATLAB.西安：西安交通大学出版社 [6] 林忠岳 现代电力电子应用技术 北京：科学出版社

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附录：主电路图

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