单相交—交变频电路设计

辽 宁 工 业 大 学

电力电子技术 课程设计（论文）

题目： 单相交—交变频电路设计

院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化 学 号： 学生姓名： 中书子 指导教师： （签字） 起止时间：2014.12.29-2015.1.9

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号 课程设计（论文）题 单相交—交变频电路设计 目 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能 交-交变频的基本原理是通过电力电子器件的开关控制，截取三相工频电源电压的各个片断，重新组合一个新的交流电压。 设计任务及要求 1、确定系统设计方案，各器件的选型 2、设计主电路、触发电路； 3、各参数的计算； 4、建立仿真模型，验证设计结果。 5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。 技术参数 单相交交变频的频率为工频的1/3 1、布置任务，查阅资料，系统功能分析，确定系统方案（2天） 2、各电路的设计，各参数计算（3天） 120302095 学生姓名 李大鹏 专业班级 自动化124 课程设计（论文）任务 进度计划3、仿真分析与研究（3天） 4、撰写、打印设计说明书（1天） 5、答辩（1天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

/ 20

摘 要

本次课程设计任务是对单相交—交变频电路的设计。在正式课程设计之前，先了解课程设计过程。

详细比较分析了当前交-交变频技术的特点,在此基础上提出了单相交-交变频原理。利用单个功率器件构成双向交流开关,施加于传统的交流调压电路并进行相应的改造,实现了单个功率器件的单相交-交变频变压目的。通过周期性地施加触发脉冲，获得频率可调的输出电压;采用按正弦规律变化的变脉宽高频脉冲信号对输出电压进行调制,获得了幅值可调的输出电压,并且具有较好的正弦度。输出电压波形进行了详细的理论分析,发现单相交—交变频电路的输出特点。在MATLAB环境下进行了单相交—交变频系统的仿真研究,得出仿真结果并且与文中的理论分析结果也完全一致,从而验证了本文提出的单相交-交变频原理的正确性。

关键词:单相； 交交变频；MATLAB；

I / 20

目 录

第1章 绪论 ................................................................. 0 第2章 课程设计的方案 ....................................................... 1

2.1 概述 ................................................................ 1 2.2 系统组成总体结构 .................................................... 1 第3章 单相交—交变频电路设计 ............................................... 3

3.1 主电路设计 .......................................................... 3 3.2 触发角调制模块电路设计 .............................................. 4 3.3 整流与逆变电路 ...................................................... 4 3.4 输出正弦电压调制方法 ................................................ 6 第4章 仿真设计 ............................................................. 7

4.1 仿真软件说明 ........................................................ 7 4.2 仿真模型搭建 ........................................................ 8 4.2.1 触发角模块电路介绍 ............................................ 9

4.2.2 同步六脉冲触发器介绍 ......................................... 10 第5章 仿真分析 ............................................................ 12

5.1 仿真参数设置 ....................................................... 12 5.2 阻感性负载 ......................................................... 12 第6章 课程设计总结 ........................................................ 14 参考文献 ................................................................... 15

II / 20

第1章 绪论

本次设计是在学完了大学电力电子技术专业课之后而进行的一次课程设计。 此次的设计是对大学期间所学电力电子技术课程的一次综合性复习，是一次理论联系实际的训练。

电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术应用于电力领域的电子技术。具体说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。所用的电力电子器件均用半导成，故也称为电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。

电力电子涉及由半导体开关启动装置进行的电源控制与转换领域。半导体整流控制、半导体硅整的小型化等出现，产生一个新的电力电子应用领域。半导体硅整流、汞弧整流器应用于控制电源，但是这样的整流回路只是工业电子的一部分，对于汞弧整流器应用范围而言是有局限的。

20世纪30年代交交变频电路就已经出现，当时采用的是水银整流器，曾经有装置用在电力机车上，由于原件性能的，没能得到推广。到20世纪70年代，随着晶闸管的问世交交变频电路曾经广泛应用于电机的变频调速。20世纪80年代随着全控器件的广泛应用，交交变频电路逐渐被交直交变频电路取代。近年来随着现代工业生产及社会发展的需要推动了交交变频技术的飞速发展，现代电力电子器件的发展和应用、现代控制理论和控制器件的发展和应用、微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流变频技术的发展和应用创造了新的物质和技术条件，交交变频电路又逐渐成为研究的热点。

本文首先以单相输入单相输出的交交变频电路为例介绍了交交变频电路的工作原理，接着以余弦交点法为例详细分析了交交变频电路的触发控制方法，最后用MATLAB仿真软件对交交变频电路进行了建模和仿真研究。最后进行课程设计总结，在课程设计当中用到和学到哪些电力电子技术知识，最终获得了什么，得出什么结论。

本次课程设计主要内容为：首先查找资料设计单相交—交变频电路的工作原理图，然后运用MATLAB软件进行仿真，验证设计电路正确，最后确定整个单相交—交变频电路课程设计的成功。

0 / 20

第2章 课程设计的方案

2.1 概述

交—交变频电路是一种可直接将某固定频率交流交换成可调频率交流的频率变换电路，无需中间直流环节。与交—直—交间接变频相比，提高了系统变换效率。又由于整个变频电路直接与电网相连接，各晶闸管元件上承受的是交流电压，故可采用电网电压自然换流，无需强迫换流装置，简化了变频器主电路结构，提高了换流能力。

本次设计主要是综合应用所学知识，设计单相交——交变频电路，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用电力电子技术课程中所学的基本理论和基本方法，并运用MATLAB软件进行仿真实验。 应用: 设计单相输入电流，通过触发电路对交-交变频电路进行触发，最终通过示波器显示输出电压。

2.2 系统组成总体结构

根据设计任务书要求，采用交交变频器设计。

首先明确交交变频电路是直接由工频交流经过晶闸管控制变为可变频的交流电压。它与交直交变频或者直流变交流有很大的区别。下面设计一下单相交—交变频电路的系统组成总体结构。 输入电路 二触发角调制模块 电路 极管 阻感电路 二极管 示波器

以上从硬件工作原理，和波形产生原理解释了单相交交变频电路的工作过程。下面整合上面系统总体总体结构框图，提出如下方案设计。

1 / 20

正反两组晶闸管桥反并联，负载为RL阻感性负载。为了能使正反两组晶闸管桥导通，需要正反两组同步六脉冲触发器。而且在给定信号的正半周，应使正组同步六脉冲触发器工作，且封锁反组脉冲；同样，在给定信号的负半周，应使反组同步六脉冲触发器工作，且封锁正组脉冲。为了达到上述目的，我们需要一个正反组变流器轮流导通的切换装置，此装置将给定正弦信号经过一系列的变换后信号分两路输出，一路给正组同步六脉冲触发器，另一路给反组同步六脉冲触发器。

同时，交交变频要求负载的频率能跟随给定信号的频率变化，通过改变正反两组晶闸管桥的触发角就可以达到这个目的。而晶闸管桥的触发角是通过同步六脉冲触发器控制的，因此，我们需要让同步六脉冲触发器的输入控制角跟随给定信号的变化而变化。创建一个触发角调制模块即可达到此目的，由余弦交点法可知，给定信号经过变换后应分两路输出，一路给正组同步六脉冲触发器，另一路给反组同步六脉冲触发器。

2 / 20

第3章 单相交—交变频电路设计

3.1 主电路设计

三相输入—单相输出交—交变频电路原理如图3.1所示，它是由两组反并联的三相晶闸管可控整流桥和单相负载组成。其中图（a）接入了足够大的输入滤波电感，输入电流近似矩形波，称电流型电路；图（b）则为电压型电路，其输出电压可为矩形波、亦可通过控制成为正弦波。当正组变流器工作在整流状态时、反组封锁，以实现无环流控制，负载Z上电压 为上（+）、下（-）；反之当反组变流器处于整流状态而正组封锁时，负载电压 为上（-）、下（+），负载电压交变。若以一定频率控制正、反两组变流器交替工作（切换），则向负载输出交流电压的频率 fo就等于两组变流器的切换频率，而输出电压 大小则决定于晶闸管的触发角αo。

（a）

（b）

图3.1 交—交变频原理图

3 / 20

交—交变频电路根据输出电压波形不同可分为方波型和正弦波型。方波型控制简单，正、反两桥工作时维持晶闸管触发角

恒定不变，但其输出波形不好，

低次谐波大，用于电动机调速传动时会增大电机损耗，降低运行效率，特别增大转矩脉动，很少采用。因此以下仅讨论正弦型交—交变频电路。

3.2 触发角调制模块电路设计

触发角调制模块输出的信号分别对正反组同步六脉冲触发器的触发角进行控制。

由弦交点法知，正组的同步六脉冲触发器触发角，先对给定的正弦信号取反余弦，得到控制角的弧度，再通过增益180/pi换算成角度，即可控制正组的同步六脉冲触发器。在此基础上，用π减去α即得到反组同步六脉冲触发器的触发角。如下图3.2，触发角调制模块原理图。

3.2 触发角调制模块原理图

3.3 整流与逆变电路

交交变频电路的负载可以是阻感负载、电阻负载、阻容负载或交流电动机负载。这里以阻感负载为例来说明电路的整流工作状态与逆变状态，这种分析也适

4 / 20

用于交流电动机负载如果把交交变频电路理想化，忽略交流电路换相时输出电压的脉动分量，就可以把电路等效成图3.3。

所示的正弦波交流电源和二极管的串联。其中交流电源表示变流电路可输出交流正弦电压，二极管体现了变流电路电流的单方向性。

图3.3 阻感性负载主电路图

假设负载阻抗角为φ，即输出电流滞后输出电压φ角。另外，为避免两组变流器之间产生环流（在两组变流器之间流动而不经过负载的电流），两组变流电路在工作时不同时施加触发脉冲，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲，这种方式成为无环流工作方式。

如果给出了一个周期内负载电压 uo、负载电流 io波形，正、反两组变流器的电压 up、uN和电流 iP、iN以及正、反两组变流器的工作状态。如图2.3(b)所示，在负载电流的正半周（t1—t3）正组变流器导通，反组变流器。在（ t1 区间，

t）区间，正组变流器导通后输出电压、电流均为正，故正组变流器向外输出功率，工作于整流状态；在（ t2—t3）区间，负载电流方向不变，仍是正组变流器导

—2通，输出电压却反了向，因此负载向正组变流器反馈功率，正组变流器工作于逆

变状态。在（ t3—t4）区间，负载电流反向，反组变流器导通、正组变流器，负载电压、电流均为负，故反组变流器处于整流状态。在（ t4—t5）区间，电流方向不变，仍为反组导通，但输出电压反向，反组变流器工作在逆变状态。

从以上分析可知，交—交变频电路中，正、反组变流器的导通由电流方向来决定，与电压极性无关；每组变流器的工作状态（整流或逆变），则是由输出电压与电流是否同极性来决定。

5 / 20

图3.4 理想化交—交变频电路整流和逆变工作状态分析图

3.4 输出正弦电压调制方法

对于输出电压调制方法，用余弦交点法。设Udo为α=0时整流电路的理想空载电压，则触发延迟角为α时变流电路的输出电压为

Uo=Udocosα （3—1）

对交交变频电路来说，每次控制时α都是不同的，上式中Udo的表示每次控制间隔内输出电压的平均值。

设要得到的正弦波输出电压为

uo=Uomsinwot （3—2） 比较以上两式子，应使

Cosα=udo/udmsinwot （3—3） 因此

α=arccos（udo/udmsinwot） （3—4）

上式就是用余弦交点发求单相交—交变频电路触发角的基本公式。

设要得到的正弦波输出上述余弦交点法可以用模拟电路来实现，但线路复杂，且不易实现准确的控制。采用计算机控制时可方便的实现准确的运算，而且除计算α外，还可以实现各种复杂的控制运算，使整个系统获得良好的性能。

_

6 / 20

第4章 仿真设计

4.1 仿真软件说明

本次单相交—交变频电路课程设计应用到MATLAB软件，下面简单介绍一下软件。

在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类。一类是数值计算型软件，如 MATLAB、Xmath、Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析型软件，如Mathematica、Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精度解，其缺点是处理大量数据时效率较低。MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科、多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB。经过多年的国际竞争，MATLAB 已经占据了数值型软件市场的主导地位。

在MATLAB进入市场前，国际上的许多应用软件包都是直接以FORTRAN和C语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄、接口简陋、程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。MATLAB的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在MATLAB问世不久的20世纪80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在MATLAB上重建。

时至今日，经过Math Works公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。

一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点。正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中出来。MATLAB的最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观、最简洁的程序开

7 / 20

发环境。以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。

①语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。②运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。

③MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环、while循环、break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。

④语法不严格，程序设计自由度大。例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。

⑤程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。

⑥MATLAB的图形功能强大。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面能力。

⑦MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。⑧功能强劲的工具箱是MATLAB的另一重大特色。

⑧功能强劲的工具箱是MATLAB的另一重大特色。MATLAB包含两个部分：核

心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。

⑨源程序的开放性。开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。

本次课程设计MATLAB仿真大概应用到如下几个主要器件：三相电源、同步六脉冲触发器、示波器、二极管、RL串联电路等等。这几个器件构成了单相交—交变频电路的重要部分。

4.2 仿真模型搭建

根据单相交—交变频电路设计方案，用MATLAB软件进行仿真设计，首先在软件上画出原理图，然后进行仿真调试。如图4.1单相交—交变频仿真电路图。

8 / 20

图4.1 单相交—交变频仿真电路图

如图所示，此图为单相交—交变频电路的仿真图，分为四部分：单相输入型、触发角调制模块电路、主电路、示波器。下面介绍一下主要的几个电路和器件作用。

4.2.1 触发角模块电路介绍

正反组变流器轮流导通的切换装置，其任务是：在正组晶闸管桥工作时开放

9 / 20

正组脉冲，封锁反组脉冲；在反组晶闸管桥工作时开放反组脉冲，封锁正组脉冲。仿真模型主要采用一个符号函数、一个Switch开关、绝对值函数Abs，结合适当的数算，仿真出如下图4.2触发角调制模块电路。

图4.2 触发角调制模块电路图

单位正弦给定信号经过符号函数的变换后得到“0”和“1”，当其输出为“1”时，选择开关输出“0”，1端输出“0”使正组同步六脉冲触发器导通,2端输出“1”使反组同步六脉冲触发器不导通；当其输出为“0”时，选择开关输出“1”，1端输出“1”使正组同步六脉冲触发器不导通，2端输出“0”使反组同步六脉冲触发器导通。

4.2.2 同步六脉冲触发器介绍

经过触发角调制模块电路的调制，触发不同的触发角，通过同步六脉冲触发器，产生三相对主电路进行触发，输出波形图。如下图4.3是同步六脉冲触发器。

图4.3 同步六脉冲触发器

10 / 20

同步六脉冲触发器产生三相桥式整流电路的触发脉冲，引入同步信号协调各部分工作。在同步六脉冲触发器中Block端口引入信号时，无论同步六脉冲触发器是否引入工作信号以及输入信号，触发器都不会工作。只有当Block端口关断的时候，alpha端口引入工作信号时，其他电路输入在wt端口输入信号的时候，同步六脉冲触发器才会工作，然后输出信号通过P端口输出，传给其他电路。

11 / 20

第5章 仿真分析

5.1 仿真参数设置

包括系统仿真参数设置及元器件仿真参数设置， 采用交交变频器设计，在负载电阻R=1、负载电感L=0.001H；设置控制变频器输出频率f。控制信号的正弦波参数设置：幅值为1、角频率为f*2π(rad/s)，初相位为0。

根据公式3—4计算得出当触发角α为60°和30°情况。

5.2 阻感性负载

当触发角为60°情况时，仿真电压波形图如图5.1，

图5.1 触发角60°输出电压仿真图

当触发角为30°情况时，仿真电压波形图如图5.2，

12 / 20

图5.2 触发角30°输出电压仿真图

由仿真波形图可以看出，交交变频电路的输出电压是由许多断电网电压拼接而成的，输出电压一个周期内拼接的电网电压段数越多，就可使输出电压波形越接近正弦波。每段电网电压的平均持续时间是由交流电路的脉波数决定的。因此，当输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压的段数就减少，波形畸变就严重。电压波形畸变以及由此产生的电流波形畸变和电动转矩脉动是输出频率提高的主要因素。

由以上分析可知，当触发角越低时，输出电压及电流波形就越接近于正弦波，而根据仿真图我们也可以看出，触发角为60°时的输出波形比触发角为30°时的输出波形更接近于正弦波。

13 / 20

第6章 课程设计总结

本次单相交—交变频电路的设计应用学过的电力电子技术的知识。首先单就内容上说基本上全是电力电子的知识，但是运用了MATLAB软件。这个电路确在现实生活中有很大的运用。在工业中有广泛的运用。所以本次单相交—交变频电路课程设计有巨大的意义的。

刚开始拿到这个题目的时候我就翻阅了本学期电力电子技术教材，上面就已经有了单相交—交变频知识的介绍，因此对本次课程设计有了一定的了解，然后查阅相关书籍，并且上网查阅有关资料，加深了对本次课程设计的了解。经过一定时间的准备，开始设计总体电路。对于总体电路的设计，分部分进行，拆成不同的电路，了解各个不同电路的原理以及设计方法，然后连接在一起，构成总体电路图。然后按照总体电路图的设计，在MATLAB软件中进行仿真，得到了自己想要的结果，仿真出电压波形。对于仿真出的波形图和设计方案时得出电压波形图进行比较，顺利的完成了单相交—交变频电路课程设计。虽然仿真出来的波形图和理论上的波形图还有很大的差距，但是其变化趋势还是和理论上的一样。达到了本次课程设计要求。

14 / 20

参考文献

[1] 冷增祥，徐以荣.电力电子技术基础.第三版.南京：东南大学出版社，2012. [3] 黄家善.电力电子技术.第二版.北京:机械工业出版社,2005. [4] 王兆安.电力电子技术.第五版.北京：机械工业出版社，2009. [5] 刘志刚.电力电子学.第一版.北京：清华大学出版社，2004.

[6] 李久胜，王明彦，孙铁城.电力电子课程设计的探索与实践.电气电子电学 报.2012

（4）:1-2.

[7] 江友华，曹以龙，龚幼民.关于交-交变频控制方式的讨论和分析.电源技术应

用.2003（2）：2.

[8] 高礼魁.交—交变频调速系统的实验研究.自然科学报.1987（7）：2—3. [9] 李玉东，冯高明，王艳.双变量交—交变频提升机电控系统的设计.煤炭工程.2009

（2）：1—2.

[10] 李高举，杜庆楠，郭宏亮，梁京.基于六脉冲交交变频的分频启动方法研究.工矿

自动化.2013（4）：3.

[11] 马小亮，许镇琳，许勇，蔡昆.数字控制交—交变频—同步电动机矢量控制系统仿

真.电工技术学报.2000（1）：1—2.

[12] 周谦之，武卫华，林建伟.脉冲组塞式斩波交—交变频技术.电工技术报.2008

（2）：1—3.

[13] 雷慧杰，张艳伟.基于交—交变频技术实现异步电动机重载启动的研究.安阳工学

院学报.2009（2）：2—3.

[14] 朱高中.交—交变频调速系统谐波检测的新方法.中国农村机化学报.2013（2）：2

—3.

[15] 张贞一.大功率交—交变频调速技术的应用.科技情报开发与科技.2003（4）：2. [16] 郗安民，孙广胜.一种交—交变频调速的动态无功补偿控制系统.冶金设备.2000

（2）:3.

[2] 金海明，郑安.电力电子技术.第一版.北京：北京邮电大学出版社，2006.

15 / 20