电力电子三相交流调压电源的设计

电力电子技术课程设计（报告）

1．设计目的

1.1、把从电力电子技术及其它先修课程（电工基础、电子技术、电机学等）中所学到的理论和实践知识，在课程设计实践中全面综合的加以运用，使这些知识得到巩固、提高，并使理论知识与实践技能密切结合起来。

1.2.初步树立起正确的设计思想，掌握一般电力电子电路设计的基本方法和技能，培养观察、分析和解决问题及设计的能力，训练设计构思和创新能力。

1.3.培养具有查阅参考文献和技术资料的能力，能熟悉或较熟悉地应用相关手册、图表、国家标准，为今后成为一名合格的电气工程技术人员进行必须的基本技能和基本素质训练。 2、设计任务

2.1.根据设计题目要求正确选择控制方案，查阅参考资料（注：具体的题目设计要求见各设计题）；

2.2.绘制电气控制原理图，包括主电路图及触发电路图(或驱动电路图)，正确选择或设计元器件，订列元器件目录清单；

2.3.设计部分工艺图纸（电气控制图，电器元件布置图，安装接线图）；

2.4.编制完整的设计说明书。 3.设计要求

由三相交流电源供电的电路，简称三相电路。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，最常用的是三相交流发电机。三相发电机的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。三相电动机在正序电压供电时正转，改为负序电压供电时则反转。因此，使用三相电源时必须注意其相序。一些需要正反转的生产设备可通过改变供电相序来控制三相电动机的正反转[1]。

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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。并对三相交流调压电路输入电流的谐波及功率因素进行简单的计算。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、VT3、VT5的触发信号应互差120，三个反向晶闸管VT2、VT4、VT6的触发信号也应互

VT2、差120，同一相的两个触发信号应互差180。总的触发顺序是VT1、

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[2] 。 4.方案设计

4.1基本元器件的选择及连接方式

交流调压电路：输入的是交流电压，而输出电压波形是交流电源电压波形的一部分，并且是可调的，这样输出电压的有效值就成为可调。一般交流调压电路采用的是可控硅控制，其触发方式有二种：过零触发和移相触发。

可控硅过零触发是对可控硅过零的通——断控制。可控硅导通时，交流电源与负载接通，输出若干个周波电压以后，可控硅被关断，停止交流电压输出；经过一定周波数后，再使可控硅通，如此重复进行。通过改变导通时间对固定重复周期的比值，从而改变输出电压有效值的大小。

可控硅的移相触发是对可控硅的导通角控制。在交流电压的正、负半周都以一定的延迟角去触发可控硅的导通，经过改变可控硅的导通角达到输出电压可调的目的。可控硅的移相触发往往在可控硅导通的瞬间使电网电压出现畸变，带来高次谐波，给电网中的其它用电设备和通讯系统的工作带来不良影响，并且对于电阻性负载在可控硅导通时有较大的冲击电流。

可控硅过零触发方式是把可控硅导通的起始点在电源电压过零处，它能很好的抑制移相触发所产生的高次谐波和避免因较大冲击电流引起的电压瞬时大幅度下降。一般的三相交流可控硅过零触发开

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关电路由同步电路、检零电路等组成，结构复杂，可靠性低，采用分离元件故障率高。本文介绍一种用集成元件构成的三相交流可控硅过零触发调压电路。三相电源连接方式：常用的有星形连接(即Y形)和三角形连接(即△形)。从电源的3个始端引出的三条线称为端线(俗称火线）。任意两根端线之间的电压称为线电压。星形连接时线电压为相电压的根号3倍；3个线电压间的相位差仍为120°，它们比3个相电压各超前30°。星形连接有一个公共点，称为中性点。三角形连接时线电压与相电压相等，且3个电源形成一个回路，只有三相电源对称且连接正确时，电源内部才没有环流。

三相负载：按三相阻抗是否相等分为对称三相负载和不对称三相负载。三相电动机、三相电炉等属前者；一些由单相电工设备接成的三相负载(如生活用电及照明用电负载)，通常是取一条端线和由中性点引出的中线(俗称地线)供给一相用户，取另一端线和中线给另一相用户。这类接法三条端线上负载不可能完全相等，属不对称三相负载。三相负载的连接方式也有星形与三角形之分。

交流调压技术大都采用工作在“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，在一定的时间内，控制晶闸管导通的工频周期数来达到调压的目的。采用控制晶闸管通断周波比调压方式的缺点是：难以实现连续调压，不易找到合适的调压比。这种调压方式在实际应用中受到一定的。所以交流调压大多以相位控制方式为主，该方式是作为开关的晶闸管在每个电源电压波形周期的选定时刻将负载与电源接通，根据选定时刻的不同可得到不同的输出负载电压，从而起到调压作用。

采用晶闸管组成的交流调压器及可控整流装置等，以其设备体积小、损耗小、电路及控制较简单、响应快、价格低廉、可靠性高、使用和维护方便等优点，而被广泛应用于工业及日常生活电气设备中，取代了笨重、价高和性能差的调压变压器或串接饱和电抗器等。本文在MATLAB仿真环境下，运用SIMULINK电力系统工具箱的各种元件模型建立三相交流调压电路的仿真模型，并对其进行仿真研究。

采用晶闸管组成的交流调压电路广泛地用于加热装置的功率控制、灯光调节、异步电机的启动和调速，以及电力系统的调相设备。电路中的晶闸管通常有两种控制方式：通断控制及相位控制。通断控

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制通常采用过零触发方式，其网侧高次谐波含量较小，功率因数高[3]。当采用相位控制方式时，由于输出电压不是正弦波，因而，输入电流中的谐波分量较大，而且存在相位滞后，使系统的功率因素较低。常用的三相交流调压电路的主要形式如图2-1所示。

当交流调压器负载为阻感性质时，晶闸管的工作情况与整流时阻感负载相似，即在电源电压反向过零时，由于电感产生的感应电势阻碍电流的变化，晶闸管不能立即关断，而使其导电时间延长。此时，晶闸管的导通角不但与控制角有关，而且与负载的功率因数中有关，若调节不当，就会产生直流磁化而危及负载，同时直流磁化产生的直流分量对电网运行也带来不利影响。所以本文重点对Y形三相三线交流调压电路，电阻负载进行仿真分析与研究。 VT1 L1 R1 A

VT4 L2 VT3 R2 B VT6 VT5 L3 R3 C

VT2 图2-1 Y形三相三线交流调压原理图

4.2三相电源的选择方式 4.2.1三相电源的星形联接

把三个电压源的尾端X、Y、Z连在一起，形成一个节点，称为电源的中性点，用N表示。由三个电源的首端A、B、C和中性点分别引出四根线对外供电。首端引出三根线称为相线，中性点引出的称为中性线。

4.2.2三相电源的三角形联接

把三个电压源的始末端依次相连，构成一个闭合回路，连接点各引出一条线。采用三相三线制供电。

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4.3 电路的工作原理

变压器是一种静止的电器，具有变换电压、电流和变换阻抗的作用，应用较广泛。由于应用的领域不同，变压器种类繁多，但其工作原理都是以电磁感应原理为基础的，它们的基本结构主要由铁心和线圈（又称变压器的绕组）两部分组成。通常将接到交流电源的绕组称为一次绕组（又称原绕组、初级），而将接到负载的绕组称为二次绕组（又称副绕组、次级）。变压器的一次二次绕组之间有磁耦合，当一次绕组外加交流电压后，由于电磁感应作用，使二次绕组产生交流电压，而原一次二次绕组之间在电路上没有连接，是相互隔离的。

变压器的变压比（简称变比）规定为变压器二次侧开路（即空载）时，变压器的一次绕组与二次绕组电压之比，用字母来表示

kU1U2ONN12 （2-1）

式中U1为一次侧所加的电压，U2O为二次侧的开路电压，N1、N2分别为一次、二次绕组的匝数。变压比k是变压器的一个重要参数。当变压器一次侧接通电源，二次侧接通负载后，电路中就会产生电流，变压器成为负载运行状态。此时变压器一次、二次电流有效值的关系为

I1NN21I21kI2 （2-2）

变压器的铭牌数据主要是额定电压、额定电流和额定容量，它指导用户安全、合理地使用。变压器的额定电压是指变压器空载时，各绕组的电压；额定电流是以其额定容量除以额定电压计算得出；额定容量又称额定视在功率，其值等于变压器额定电压与额定电流的乘积。

图2-1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与另一相的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的宽脉冲或双窄脉冲的触发电路；为保证输出电压三相对称并有一定的调节范围，要求晶闸管的触发信号除了必须与相应的交流电源有一致的相序外，各触发信号之间还必须严格地保持一定

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的相位关系。对图2-1的调压电路，要求A、B、C三相电路中正向晶闸管VT1、VT3、VT5的触发信号相位互差120，反向晶闸管VT4、VT6、

VT2的触发信号相位也互差120，而同一相中反并联的两个正、反向晶

闸管的触发脉冲相位应互差180，即各晶闸管触发脉冲的序列应按VT1、

VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的次序，相邻两个晶闸管的触发信号相位

差为60。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0的时刻，该点作为触发角的基

准点(如图2-1所示)。当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。对于三相导通的情况，导通相负载上电压为各相电压。对于两相导通的情况，导通的两相每相负载上的电压为其线电压的一半，不导通相的负载电压为零[4]。

u

0 1 t 2 图2-2 控制角的基准点 6

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5.三相交流调压电路的理论分析 5.1 电路工作状态分析

在三相三线电路中，两相间导通时是靠线电压导通的，而线电压超前相电压30，因此角的移相范围是0-150。在任意时刻可能是三相中各有一个晶闸管导通，这时负载电压就是电源相电压；也可能两相中各有一个晶闸管导通，另一个不导通，这时导通相的负载相电压就是电源线电压的一半。在MATLAB仿真环境下，运用SIMULINK电力系统工具箱的各种元件模型建立三相交流调压电路的仿真模型，如图2-2所示。以A相电源电压过零点为时间零点，因为是纯阻性负载，所以触发角Α的移相范围为0-150。并可将150的范围分为三段。

(1)060

在这个范围内，电路交替处于三只闸管和两只晶闸管导通的状态，因而输的A相负载电压波形由ua、uab/2、uac/2交替构成，每只晶闸管导通角度为150。但0时是一种特殊情况，一直是三个晶闸管导通。

(2)6090

在这个范围内，任一时刻电路有两只晶闸管导通，每只晶闸管导通角度为120。输出A相负载电压波形由uab/2、uac/2交替构成。

(3)90150

在这个范围内，电路处于两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管导通角度为3002，而且这个导通角度被分割为不连续的两部分，在半周波内形成两个连续的波头，各占150。输出A相负载电压波形由uab/2、uac/2和0交替构成。三相都不通时，则三相负载电压都为零。

(4)150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150。

由以上分析可得出结论：交流调压所得的负载电压和电流波形都不是正弦波，且随着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，交流调压输出的波形就不仅与有关，也与负载的阻抗角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150。由于三相交流调压带阻感性负载的工作情况比较复杂，很难理论上给出定量的分析，所以在本文后面将结合其仿真波形

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进行分析。

5.2交流调压电路谐波和功率因数分析

交流调压电路采用的是相位控制方式，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、功率因数的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的平均值；视在功率指的是电气设备电压有效值和电流有效值的乘积；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，所以功率因数如式(3-1)所示。

PSUI1cosUII1Icoscos (3-1)

式(3-1)中，为基波因数，cos为位移因数，也称为基波功率因数。

电阻负载时三相调压电路输入电流基波和各次谐波的含量与控制角关系曲线图如图2-2所示；功率因数与控制角的关系曲线图如图2-2所示，其中I*N为各次谐波电流有效值的标么值[5]。可通过分析得出其下结论：

(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，谐波的含量随谐波次数的增高而降低；

(2)随控制角的增大，由于电流有效值的减小，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，各次谐波的谐波电流含量均比电阻负载时要小，基波因数要高。 6.仿真设计步骤

6.1晶闸管交流调压电路仿真模型的搭建

MATLAB的SIMULINK电力系统工具箱是以SIMULINK为运行环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等学科中常用的基本元件和系统的仿真模型。

它由以下6个子模块库构成：电源模块库(E-lectric Sources)、基本元件模块库(Elements)、电力电子模块库(Power Electronics)、电机模块库(Machines)、连接模块库(Connectors)、测量模块库

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(Measurements)和一个附加模块库(Extra Lib)。利用上述6个基本子模块中的元件为基础，搭建晶闸管交流调压电路模型。

检查电路连接及参数设置，确认无误后启动仿真开始实验。调节触发角控制模块输入，输入不同的触发角，启动仿真观察示波器的输出波形并保存。

6.2仿真电路图和参数的设置

仿真电路图如图3-1所示。启动MATLABT软件，在SIMULINK模型库中搭建仿真电路图。在模型参数中设置参数，设置电源电压三相对称电源，即三相互差120，频率为50Hz，双击同步六脉冲发生器模块，在弹出的对话框中选择“双脉冲”，则为双脉冲触发，若是选择宽脉冲触发时，脉冲宽度要大于60。而选择器模块输出参数分别设置为[1 3 5]和[4 6 2]，负载电阻都设置为10，即对称负载，在测量选项中选择“测量电压”，示波器设置为观察三路信号的输出。仿真时间设置为0.1秒，仿真算法设置为ODE23TB，晶闸管参数采用默认值即可[6]。

图3-1 Matlab仿真电路图

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无功电源应和有功电源一样，从规划着手包括无功优化配置规划和自动化规划(无功电压优化控制)，而且要作到局部服从全网，全网照顾局部；一方面要增加投入，另一方面要充分发挥现有网上无功控制设备(包括电容器、静止补偿器、有载调压变压器、电抗器等)；上级和下级协调，分散和集中相结合，使网上各级电压达到要求而无功潮流最小。如果地方电源的装机容量不能满足故障条件下对电网电压的支撑要求，则应考虑建议适当增加地方电源的装机容量，以提高无功电压支撑能力[7]。 7.仿真结果和分析

7.1仿真结果与波形比较 下图为触发角分别为

图5 -1 

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30和60时的仿真波形。

30负载电压波形

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图5-2 60负载电压波形

7.2仿真结果分析

图5-1和图5-2为三相交流调压电路带星形电阻负载中，触发角分别为30和60的负载电压—时间仿真波形。由于是电阻负载，且电阻值为10，所以同一相上电流波形与电压波形相似，只是在幅值上有差别。由仿真结果可看出，交流调压所得的负载电压和电流波形都不是正弦波，且随着角增大,负载电压相应变小，仿真结果与上文中的理论分析相一致。 8总结

本文对基于晶闸管的三相三线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关的仿真分析，验证了交流调压电路的工作原理和相关谐波问题的研究。通过本实验，对三相交流调压有了进一步的学习。本论文的主要内容概述如下：

(1)分析了三相交流调压电路的原理，通过分析和简单的计算选取了合适的电路，设计了主电路的仿真模型并进行了仿真。

(2)给出了系统的电路图，并对电路的工作状态进行了分析，对触发电路的要求做了明确的说明，并对仿真的参数设置。

(3)利用MATLAB的SIMULINK软件进行了仿真，仿真结果表明：三相交流调压所得的负载电压和电流波形都不是正弦波，且随着角增大,负载电压相应变小，90之后,负载电流开始出现断续。

(4)通过对谐波的分析可得：当负载为阻感负载时，负载电压和电流不再同相，而且当电压为零时，由于回路中电感的储能作用，电流并不为零，这是因为负载为感性负载，晶闸管关断过程因反向电流迅

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速减小，回路电感中就会产生很高的换流过电压，所以在实际应用中应在晶闸管两端加上阻容吸收回路快速吸收产生过电压的能量

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第1章 参考文献

[1] 刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录［M］.北京：高等教育出

版社1957.

[2] 徐以荣,冷增祥.电力电子学基础[M].南京：东南大学出版社,1996.

[3]林辉,王辉.电力电子技术[M].武汉：武汉理工大学出版社,2002. [4] 刘文良.MATLAB在电力电子技术仿真中的应用[J].电气自动化，2001.

[5] 黄忠霖.控制系统MATMAB计算及仿真[M],北京：高等教育出版社，2004.

[6] 李传奇，盛义发，邹其洪.电力电子技术计算机仿真实验[M].电

子工业出版社，2006.

[7] 薛定宇.基于MATLAB/SIMULINK的系统仿真技术与应用[M].北京：

清华大学出版社,2002.

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课程名称 题目名称 学生姓名 电力电子技术课程设计 三相交流调压电路设计与分析 学号 指导教 师姓名 指 标 按期的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。 课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析2 课程设计质量 问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。 3 4 总分 评语： 创新 答辩 工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。 能正确回答指导教师所提出的问题。 5 30 45 20 职称 评分 序号 评价项目 工作量、工作态度和出勤率 满分 1 11

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