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电动机系统中电抗器的计算及仿真

发布时间:2017-02-06      文章来源:lunwen5u.com

第1章 绪论

1.1课题背景及研究意义
电力电子技术由电力电子技术与信息电子技术组成,作为电力领域一项崭新技术是在上世纪末发展起来的。电力电子技术主要是针对电能而实施的一种交换及控制技术,是通过电子器件来实现的。目前,在通讯、交通、运输、电力、新能源、工业系统及领域等应用非常广泛。
当前,电力系统普遍应用的是交流电能,但由于实际需要,经常需要将其转换为直流电能,达到这种目的的电路就是整流电路。它被应用于电解、调速、电镀以及励磁调节等多个领域。在整个电路中,其主要设备包括变压器、滤波器及整流主电路等。到了二十世纪七十年代末期,晶闸管及硅整流二极管等在主电路的应用已经普及。为了去除电路中的交流成分,在负载及主电路之间需要用滤波器连接,而变压器的使用则是根据实际需要进行选择。通常为了减小电路与电网间的故障及干扰因素,或者使输入与输出电压达到平衡,做好整流电路与交流电路之间的隔离等,就需要装设变压器。目前,最为常用的整流电路有半控制整流电路、半波及单相桥式半控及全控整流电路、三相桥式半控及全控整流电路等。
当前,相控整流电路及不可控整流在各种电力电子系统的整流电路中得到了普及,其优势为结构简单,技术娴熟。但其缺点是在运行中会有大量的谐波电流流入电网,再者其输入侧功率因数很低。有资料显示,在一些发达国家其电能转换率已经达到了60%,而在本世纪初其变换后使用的电能就已经超过了95%。
电力电子技术在一些发达国家已经得到了普及及应用。据统计,经变流装置处理的电能已经超过了60%,电能都是经过一次或者以上变换处理后才最终为用户使用的。随着电力系统的现代化,其电力电子技术也成为了其中最为重要的一项技术,并以不可替代的作用及地位推动着电力系统的健康发展。
电能在传输过程中,所产生的损耗是无法避免的。但是,随着直流输电技术的应用,其优势也不断显现出来。在一些大容量及长距离输电过程中,由于其送电端及受电端所使用的整流阀及逆变阀均使用了晶闸管设计,需要使用电压等级不同的直流电作为供电源。这种晶闸管整流电源以前也被应用于通信设备系统中程控交换机的电源,目前已经以高频开关电源所替代。像电子计算机、大型计算器及微型计算机等,也使用高频开关电源作为其工作电源或者内部电源。由于高频开关电源具有供电效率高、小巧轻便等特点,在很多电子装置中,都已经以其替代了原来的线性稳压电源的供电方式。目前各种信息技术及装置的运行,都需要以电力电子技术为其提供相应保障,为其提供稳定且可靠的电源,因而,信息技术的发展,无法离开电子技术的支撑。近些年来,柔性交流电的发展,也是需要电子装置的支撑才使其实现的。
目前,整理电路应用非常广泛,随着人们生产水平及科技水平的提升,这种技术在自控、测量以及励磁系统及领域得到了极大发展。三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控及全控整流电路是目前最为普及的三相整流电路,在对其进行高压试验及做电路分析时,由于线路中各种信号及元件的存在,会使得这些工作很繁琐,有时候很难进行。比如线路中存在的电阻、电感或者电容等元件及触发、直流或者交流信号等。但由于Matlab的存在,使其很容易便可以建立电路仿真模型。由于其利用Simulink仿真工具,可以对参数进行重新设置,进而得到相应的仿真结果,其具有很强的直观性,完全不用编程,减少了很多繁琐步骤。本文就是使用了Simulink,建立了三相桥式全控整流电路模型,利用仿真效果,针对线路中各种桥及控制角的故障情形予以分析,不仅巩固了相应理论,也奠定了现代电子教学的实验基础。
可控硅整流器就是晶闸管,在现今使用的电子器件中,它能承受很高的电流及电压容量,因而在一些大容量场合起到了无可替代的作用。由于其优越的电子性能,使其在半导体器件中得到了极为广泛应用,进一步促进了现代电子技术的发展。可控硅整流器的内部是PNPN四层半导体结构,可控硅整流器是一种半控型器件,只能通过其门极控制其开通,对它的控制方式主要是相位控制。晶闸管的基本工作特性如下:如果其所承受电压为反向,即使存在很大的触发电流,也不会令其导通;如果其所承受电压为正向,即使存在很小的门极触发电流,也会令其导通;导通后,无论门极电流存在与否,都会呈现导通状态。如果在电动机系统,由于电流不够连续,会使得电动机其机械性能降低,换向器打出火花,这种情况不仅对电动机极为不利,对整流电路也会产生很大影响。在实际中,为解决上述问题,通常采用的办法是在电机主回路串接平波电抗器,以保证电流的连续。
可控硅其作为电力拖动系统的一种,在整理装置中的作用是不可忽视的。在电动机应用上,其负载除了本身所具有的电感及电阻外,还有电枢电感及反电动势E。在晶闸管导通后,变压器输出侧电压要高于反电动势E的情况下,才会输出电流。因而,在实际中要尽可能保持电流的连续性,使电动机具备较强的机械性能,就需要串接平波电抗器,以保证输出电流的平稳。
 
1.2论文的主要内容
 
本论文主要研究晶闸管——电动机系统中电感量的计算,并运用MATLAB对整流电路的进行仿真,从而验证计算结果的正确性。第一章绪论部分主要介绍了电力电子这门学科的研究现状。第二章主要是在多种方案中进行选择,分析它们的优缺点,并介绍所选择电路的基本原理。第三章则详细解释了晶闸管——直流电动机系统在电流连续与断续时的机械特性。第四章则是设计了所选的电动机系统,并且通过分析计算求得了电抗器的电感量。第五章是本文的重点部分,应用MATLAB所提供的Simulink进行电路的仿真,判断求得的波形分析电流是否呈连续状态,如果不连续则进一步分析其原因。
 


第2章 方案选择论证
2.1 方案分析
 将单相与三相两种可控电路进行对比,可知前者具备简便的结构、较大的输出脉动以及较低的脉动频率,单相可控电路的这几个特点导致它并不适宜在高容量要求的状况下使用,而后者和前者具备的特征几乎是截然相反的,就相当于反电动势负载的电动机而言,它可以实现自身大电路容量,小电流脉动,并且保持持续性的需要。
2.2 方案选择与原理
    相比三相半波,桥式整流电压所具备的脉动频率要比其高出整整一倍,所以其需要的平波电抗器的电感量也相应地要降低大约二分之一。尽管三相半波的接线环境十分简便,可是因为它使用的晶闸管仅仅只有三个,因此每一个晶闸管需要承担的反方向峰值电压是很高的。因为上面的原因,最后本文将选取三相桥式全控整流电路作为研究对象。
就控制量而言,三相可控整流电路在这方面比较大,同时它可以比较小的电压脉动,容易滤波,控制滞后时间较为短暂,所以基本上的工业都是使用的三相可控整流电路。在电子设备里面,偶尔也有大功率的电源,比方说超过200瓦乃至于1000到2000瓦的电源,此时,以提升变压器的利用效率,降低波纹系数,时常会使用三相整流电路。除此以外,因为三相半波可控整流电路具有一个明显的缺陷,即它的变压器二次侧电流里面具有直流分量,导致在应用里面不常见。然而利用三相桥式全控整流电路的话,能够在一定程度上避免产生直流磁化的情况。尽管和三相半波可控整流电路相对比,三相桥式全控整流电路所拥有的晶闸管数量更少,可是其输出电流波的形状更加平整直线化,在电感达到足够的标准时,负载电流波形能够相当于平直的线条。在具体实际中,尤其是运用小功率的情况下,大部分是利用的采用单相可控整流电路。在功率突破了4000瓦的界线时,顾及到三相负载需要保持平衡,所以会利用三相桥式全控整流电路。
现在,三相桥式全控整流电路是各类整流电路里运用最为宽泛的。习惯于把电路上的阴极连在一块的VT1、VT3、VT5三个晶闸管以及阳极连在一块的VT4、VT6、VT2三个晶闸管分别叫做共阴极组和共阳极组。
三相桥式全控整流电路利用变压器这一工具,和电网连接起来,经历变压器的耦合以后,晶闸管电路能够获取一个适宜的输入电压,让晶闸管能够在大功率的环境下运作。
 
        图2-1 主电路原理图
从1到6,依次进行导通,因此把晶闸管根据上图所显示的顺序编好号码,也就是共阴极组里面,晶闸管VT1和三相电源a、VT3和三相电源b、VT5和三相电源c相接, 共阳极组里,晶闸管VT4和三相电源a、VT6和三相电源b、VT2和三相电源c相接。具体编好如上图所表示的, VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6是晶闸管的具体导通顺序。
它的工作特征在于不管什么时刻下,都会有不在同一组的2只晶闸管在相同时间中进行导通,组成电流通路,所以以确保电路启动抑或是电流断续之后能够照常导通为目的,一定要对不在同一组的应到导通的2只对应晶闸管在同时时间下加触发脉冲,因此触发脉冲的宽度理应比π/3大。宽脉冲触发需要极大的触发功率,很容易让脉冲变压器饱和,因而能够利用脉冲列取代双窄脉冲;以π/3为界限,每每相隔π/3,便换一次相,在进行换相时,共阴与共阳极组是交替进行的,可是仅仅在相同的组别里面换相。接线图里,晶闸管所采用的编号途径让每一个周期里面的6个晶闸管的组合导通次序为VT1按数字顺序直到VT6;共阴极组里,T1,T3,T5之间的脉冲按顺序间距2π/3;像VT1和VT4,VT3和VT6,VT5和VT2这几组,相同一个相的上下2个桥臂的脉冲相距了π,这使得分析更为便利;在α为O的时候,输出电压Ud一周期内的波的形状为六个线电压的包络线。因此输出脉动直流电压频率已经达到了电源频率的整整六倍,相比三相半波电路而言,要整整高出l倍,脉动变小,且每一次脉动的波形皆是相同的,所以这个电路也被叫做6脉动整流电路。相同的道理,三相半波整流电路也被叫做3脉动整流电路。当α比0大的时候, Ud的波形会产生缺口,而这个缺口也会因为α角度的递增而不断递增,输出电压平均值也会有所下降。在当α为2π/3的时候,所输出的电压是0值,因此在电阻性负载的时候,α的相在O到2π的范围中移动;在α比0大但是比π/3小的时候,电流不间断,每一个晶闸管导通2π/3;在α小于2π/3且大于π/3≤的时候,电流会间断,每一个晶闸管导通会比2π/3小。
 


第3章  三相桥式全控整流电路带反电动势负载的工作情况
3.1引言
     众所周知,晶闸管电动机系统具有良好的调速性能,且易于控制,目前已经得到大规模的应用。在晶闸管电动机系统中,当我们用相位控制的手段来调节电枢的电压时,特别是在的值较大时,会出现较大的脉动现象。这将直接的导致电流处于断续的状态。此外,在一样的平均电流条件之下,电流的最大值将变大,从而导致换向器出现电火花,对电动机系统造成极其不良的影响,同时,这也改变了整流系统的放大倍数。在实际操作中,我们通常会在一定的范围内增加电路的电感量,也就是在电路中串联一个平波电抗器,用这种方法来减弱电流的脉动现象,以使得电流能保持连续的状态。
除去自身存在的电阻以及电感以外,直流电动机的负载还具有反电动势E。在不将电动机的电枢电感放在考虑范围内的时候,仅仅在晶闸管的导通相变压器二次电压瞬时值比反电动势大的时候才会输出电流。这样的状况在下文的3.2和3.3里说明单相全控桥式整流电路带反电动势负载的运作状况时进行过阐述,这时负载电流并不连续,这将会对整流电路和电动机负载的工作产生不良的影响,在具体运用里必须注意,以免产生负载电流不连续的状况。
    在电动机负载电路里,负载转矩决定了电流。在电动机的负载处于较轻的状态时,相应地,负载电流也不大。在电流比较小的状态下,尤其是在低速度情况下,因为电感储能极为有限,一般不能够使电流保持连续,继而会产生电流不连贯的情况。此时,整流电路输出的电压以及电流波形和电流保持连贯的时候存在差距,所以晶闸管电动机系统会存在两类工作状态:其一,当工作的电流比较大的时候产生的电流连贯不断的工作状态;其二,是在电流比较小的时候的电流不连续的工作状态。以下将分别讨论电流连续和电流断续时的电路工作特性。
3.2  电流连续时的可控硅电动机系统的机械特性
当我们以电力拖动的视角来考虑问题时,可以体现出电动机性质和功能的一个关键之处在于电动机的机械特性,电动机的转速静差度由机械特性所决定的。
从电机学的角度来看,直流电动机的反电动势是:
                           (3-1)
其中,表示的是由电动机自身构造导致的电动势常数;表示的是电动机的磁场每对磁极下的磁通量,其表示单位是表示电动机的转动速度,它所使用的单位为
在整流电路里面,电压的平衡方程式如下:
                                                 (3-2)
其中,
可以根据式(3-2)得到不同的触发延迟角的关系。由于

因此,反电动势的特性公式是
                                                (3-3)
所以,三相桥式全控整流电路的带电动机负载时的机械特性方程是:
 
                                       (3-4)           
 
3.3电流断续时的可控硅电动机系统的机械特性
经过整流之后,得到脉动直流电压,此时若电动机的负载降低或者平波电抗器的储能减少,那么电流就呈间断性,该电动机的机械特性也是非线性的。
    根据连续电流的反电动势公式(3-3),当时,忽略,此时,这就是电动机理想的空载反向电动势,在实际应用时,当减小到之后,电流就呈断续状态,然而理想中的与实际空载电动势不统一,实际的比理想大很多,因为在的时候,晶闸管触发的以后导通的相电压的瞬时值为,它比要大,因此,会产生电流,这证明不是空载点,当反电动势E=max时,电流为零,故为实际的理想空载点。
同理,可以分析得到,当电流断续的时候,只要时,电动机的真正的空载反电动势全都为。当时,E0由公式得到。当间断电流时,电机的理想空载转速在一定程度上增大,这是电动机在间断电流时的机械特性之一。在电流断续的区段内,电动机的机械特性会变软也就是是它机械特性的第二特点,也就是说,负载电流的微小变化都可能引起转速的很大变化。
由以上的分析,可以得出如下的结论:在的不同的时候,当大时,电流断续区间也将随之变大。其原因是随着在晶闸管阳极供负电压的时间的增加而增大,只有当平波电抗器储存的能量足够大时,在电抗器的不变的情况下,就要求必须的有足够大的电流才能满足条件。所以,在的值的大小增加的过程中,在断续区间里电流的大小也在不断的增加。这是电动机在断续电流下的又一个机械特性。
电动机在断续电流状态下的机械特性可由以下三个方程式得到:
(3-5)
(3-6)
(3-7)
其中,;;是回路中的总电感量。上面的三个方程式都是超越方程,要用迭代的方法才能得出结果,当导通角的范围以内,我们可以根据给出的值的大小以及的值的大小来求出对应的的大小,。当的值大小不同时,特性也会变得不一样。
一般来说,若在主电路的L足够大的情况下,就可可以把它当作线性方式看。在低速轻载的时候,断续的作用较为明显,就可以用另外的一段比较陡的特性来处理,这时它的等效电阻就会比实际的电阻大出一个数量级。
 


第4章  三相桥式全控整流电路带反电动势负载的系统设计
4.1三相桥式全控整流电路原理
 
                    图4-1 三相桥式全控整流电路原理图
一般我们把共阴极连接的VT1、VT3、 VT5叫做共阴极组;把共阳极连接的VT4、VT6、VT2叫做共阳极组。除此之外,根据日常习惯将可控硅按如图所示编号。有下面分析得到:可控硅按照VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序依次导通。
带反电动势的阻感负载就是整流电路的负载。若将二极管替代可控硅,就如触发角α为0度时一样。此时,共阴极组的可控硅中其阳极交流电压最大的一个管子导通。而在共阳极组的可控硅中阴极交流电压值最小的一个管子导通。如此看来,任意时刻每一个组中都有一个可控硅导通,负载端电压为某线性电压。此时电路工作波形如图4-2所示。
 
 
4-2 反电动势α=0o波形  
 
当α的角度为0o时,各晶体闸流管会自动在相应位置进行换相。由图中所见,所谓的自然换相点也是相电压和线电压的交点处。另外我们可以在研究UD波形的时候从相电压波形和线电压波形两个途径进行分析,如果从前者出发,那么则可以在变压器二次侧中间位置设置参考点n,此时若将共阴极组晶体闸流管进行导通,那么则会输出电压ud1作为包络线。如果将共阳极组进行导通,那么整流输出的电压ud2,则是相电压位于负半周的包络线。
我们从线电压波形出发,则可以发现,由于共阴极组中晶体闸流管处于通畅状态,与之相对应的往往是最大的相电压。而与之相反的,若晶体闸流管处于共阳极组中则它的相电压则是最小的。另外,输出整流电压 ud=相电压u1-相电压u2,这一公式得出的值是线电压中的最大值,所以,从中我们可以得知电压ud波形为线电压位于正弦位置的包络线。
因为负载端接的L→∞,因此电感并不能完全体现电流的变化过程。电流在经过电感器的时候如果出现变化,那么电感器两端就会相应地出现感应电动势,而电感器事实上是会对电流有一定的阻碍作用的。电感器在这一阶段所做的工作就是平衡调节电流,使其稳定,当电感值≈∞的时候他的波形则会几乎平直为直线。
我们可以将波形的每个周期都分为六个部分,每部分为60°,六部分组成一个圆周,以此来解释晶体闸流管在各部分的具体工作情形。如下图,可以明显看出各部分电压在晶体闸流管中的变化情况。由该表可见,6个晶体闸流管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。
4-1 三相桥式全控整流电路电阻负载α=0o时晶体闸流管工作情况
 

时段     1     2     3     4     5     6
共阴极组导通的晶闸管  
VT1
 
VT1
 
VT3
 
VT3
 
VT5
 
VT5
共阳极组导通的晶闸管  
VT6
 
VT2
 
VT2
 
VT4
 
VT4
 
VT6
整流输出电压ud   ua-ub=uab
 
ua-uc=uac ub- uc=ubc ub- ua=uba uc- ua=uca uc-ub=ucb
 
图4-3给出了α=30o时的波形。把每个周期平均分成6部分,一部分占60度,这与与触发角α为0时相比较,每个周期中ud波形还是分为6个线电压,每个导通可控硅导通规律的都仍然遵循表1。只是导通角滞后了30度,因此ud的每个线电压都随之滞后30度,ud平均值也减小。可控硅的电压波形也有所不同如图4-3。如图同时显示出变压器二次绕组a相电流ia,该电流特点是在晶闸管VT1导通的π/3时,ia>0,由于主电路L足够大,其波形近似为一条直线,在晶闸管VT4导通的π/3时,其波形近似为一条直线,但处于第四象限。
  
图4-3 α=30o时的波形
 
综合上面分析得到,当触发角α小于等于60度时,ud波形是不间断的,对于L足够大的反电动势,id波形为一条平滑的直线,也是连续的。当α大于60度时,如触发导通角为90度时,ud平均值持续减小,因为有L所以VT的关断时刻得以推迟,这样ud的值会小于零,当L足够大时,ud中电压波形关于横坐标轴对称,故其平均值约等于零。这充分说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的触发导通角在90范围内移相。
4.2 变压器的设计
根据系统要求,整流变压器一次电压为380V、二次线电压为176V,由于变压器连接方式为接法,所以二次侧电压U2为:
                      (4-1)
变压器变比为:
                    (4-2)
两侧的相电流为:
                        ﹙4-3)
                                   ﹙4-4)
在三相桥式全控电路里
                        ﹙4-5)
                         ﹙4-6)
所以变压器的容量分别如下:
变压器次级容量为:
                                  ﹙4-7)
变压器初级容量为:
                                   ﹙4-8)
变压器容量为:
                                  ﹙4-9)
即:

变压器参数归纳如下:初级绕组三角形接法;次级绕组星形接法,,,变压器的容量选择为6.0282KW。
 
 
 
4.3晶闸管的额定电压、电流的选择
晶闸管的额定电压:
根据该电路波形我们得到可控硅正、反向最大电压峰值:
                                ﹙4-10)
所以电桥的电压幅值为:
                 ﹙4-11)
综合考虑多余量,则额定电压UN为:
 ﹙4-12)
晶闸管的额定电流:
晶闸管电流的有效值为:
               ﹙4-13)
再综合考虑裕量,故晶闸管的额定电流为:
  ﹙4-14)
 
4.4 电感量的计算
    在晶闸管电动机系统的工作过程中,必须在电路中串联一个平波单抗器以使得电流呈连续状态。当电枢电流处于临界连续的状态下时,晶闸管的换流过程中没有阳极重迭的状态发生,故对于所有的整流电路皆可以用以下的等效电路来描述:
 
图4-4 等效单相电路图
 
当触发导通后,电路中的电压方程式:
                     (4-15)
                  (4-16)
              (4-17)
由上式可求得电枢电流的瞬时值:
          (4-18)
          (4-19)
此时,设:

 
              (4-20)
式中:
——整流变压器次级绕组相电压有效值
——主回路的阻抗
——回路总电阻,

——电动机电枢绕组电阻
——电抗器电阻
——变压器次级绕组电阻
——回路总电感,
——电动机电枢电感
——电抗器电感
——变压器电感
——电动机反电动势
——常数
时,晶闸管由脉冲触发,起始时电流,代入上式
            (4-21)
将常数代入上述表达式中得到
   (4-22)
其中:为一个周期内整流电压的脉动次数
时晶闸管不导通,此时的电流为零,将其代入公式(4-23)中得到
(4-22)
可设:
 
由此可得:
              (4-23)
上式中,为晶闸管的导通角
依据公式(4-25),可求得临界电流连续条件下的相位角,电动机转速和控制角的关系式。
对于三相桥式全控整流电路m=6,p/3代入(4-25)得
 
                 (4-24)
    的时候,(4-33)式无解。
为了得到当时电流在临界连续条件下的电机转速与控制角的关系,可用级数求取,利用简化得
    (4-25)      (4-26)
当晶闸管通过导电角后,关断时代入得
      (4-27)
因为
        (4-28)

                        (4-29)
对于三相桥式全控整流电路来说将m=6,p/3带入得到
                            (4-30)
依据(4-28)式可以画出在的时候,电动机系数a和晶闸管控制角的关系如图(4.5)所示:
  
                                  图4-5 电动机特性图
此外,在反电动势的大于触发晶闸管瞬间的电压值时,电动机的电流依旧在连续状态。此时
 
图中的虚线与曲线的交点就是反电动势与触发瞬间电压值相等时的工作点,此时
 
本文依据图(4.5)中的曲线求得电流在临界连续状态下的电感量,具体过程如下:
(1)依据生产的具体要求,给出最低转速时的最小负载电流;
(2)依据电流连续时电动机的机械特性公式
                     (4-31)
求得电动机时的晶闸管最大控制角
(3)依据图(4.5)中的曲线得出时的相位角
(4)依据求得的,可以求得总电感量,所以电抗器的电感为:
                (4-32)
(5)检验所求的的电抗器的值能否使电流连续。
 
在本文选取的可控硅电动机系统中,电动机参数为:,1500转/分,
设整流变压器的参数为:,,整流电路连接形式为三相桥式,求出在转/分,额定电流条件下,保证电流连续时的电抗器的电感量。
求解过程如下:
转/分,额定电流条件下
 
由此可得:
由图(4.5)可得在的时候求得
总电感

电抗器电感

4.5保护电路
与电工产品相比较,电力电子器件的抗压能力比较弱,主要体现在承受电压和电流方面差距较大,非常容易造成耗损。所以我们在进行电力电子器件设计的是时候一定要注意安装承担电压、电流的保护装置,并综合运用多种方法对电力电子器件进行有效保护。
4.5.1 过电压保护
通常情况下,电源都会与变压器和交流电网进链接,而变压器在保护电源不受过高电压损害的方面有着巨大作用。如图4-4所示:
 
图4-4 交流过压
一般情况下,变压器都是用于降低电压,以保证电源可以承担经过的电压。因此当电源关闸的时候初级和次级绕组的电压均为0,当电源开闸时,电容两边的电压是恒定的,因此电源电压在经过变压器的时候变压器会使电压激增,从而对与之相连接的电设备产生一定危害。
另外,当我们在拉闸断电的时候,也同样会引起一定的电压,并且电子设备在通电的情况下突然断电则可能是电流极具较为0,但同时形成很大的感应电压。因为此时会产生di/dt,而di/dt与电压呈正比关系。从中我们可以看很粗,电源开关情况下所产生的电压原理是有着本质区别的,我们在处理的过程中一定要有所注意。
通常情况下,电力电子设备的电路会由一定的应激性,即弱电流较大,则会则通切除负载,这种性能被称为“电感性”,即出现超出正常情况下的电压和电流时,熔断器会进行反应。在上文中涉及到的各种电压大都适用于正常电路之中,我们将其称为操作过电压。
另外,在雷击等情况下,电力电子设备也会像影地出现不同程度的感应电压,不过因为其产生原因各有不同,且不同原因发生情况不同,因此这些电压的产生并没有形成系统的可供遵循的规律,这种电压的产生较难预测。
针对上文提到的电压对电源可能造成的损耗,我们可以从以下几个方面降低损耗度。
(1)阻容保护
    一般情况下,过电压的变化很大,但是变化时间却相对较短,所以可以得出过电时一些点的电压是相对较小的。我们可以通过电容两端电压一致的特点,采用电容器并连的方法对电容两端进行保护,这种方式被称作阻容保护可以起到电压保护的作用。我们将设计在电容两端的保护设置与电阻进行串联,这样是为了让电容可以在一定程度上降低电容的能量,并且这种方法还可以有效减少寄生震荡产生的不利影响。具体如下图4-5(a)、(b)、(c)所示。
  
图4-5 阻容保护
其中,图(a)是单相阻容保护示意图,从中我们可以看见阻容网络与电源相连端,以过滤电源的过剩电压。图(b)是星型的三相阻容保护电路示意图,其主要功能在于承受电源的相电压。图(c)是三相阻容保护电路保护示意图,主要用于承受电源的相电压。从以上三图中,我们可以发现三角型接线方式所承受的耐压量与星型接线比值关系为:1,不过在同一电路中,两种接线方式的过电压能量相同,所以其电容的存储量也一致。
(2)整流式阻容保护
当RC与线路直接相连的时候,支路中便会出现电流的波动,而电流通过电阻时则会由于做工而使得电阻变热。而为了减少这些缺点的危害,我们可以采取整流式阻容保护法,以保护电路。具体连接方式见下图4-6所示。
 
图4-6 整流式保护电路
 
当二极管整流可以将三相交流电转变为脉动直流电,并在通过R1时给相应的C点输电,在没有过电压经过对电路造成影响的情况下,可以提高较少的电流给电容回路,并通过这种方式来补偿损失电荷。因为R2在与C并联后电阻很大,因此其放电的速度也相对较慢,输出的电流也比较小。在这种情况下如果过电压出现,那么过电压的能量就会被电容吸收并存储下来。由于电容的容量比较大,所以可以通过这种方式确定电容电压的可控性,并防止电压过大而产生不良影响。当过电压经过后,电容两端的电压会回归常值。从这里我们能够看出,R2的电阻量与电路功耗呈反比关系。
4.5.2过电流保护
过电流指的是电路中瞬间值超出规定的最大限额的电流。这种电流会造成:过载荷、短路两种问题。我们针对过电流所造成的影响来设计电路保护措施,如图4-7所示。这里提供了多种不同的保护方法,而不同的电力电子设备则可以根据不同的需要采用一种或多种相结合的保护方法对电路进行保护。
 
图4-7 过流保护电路图
交流断路器保护法是根据电流互感器来进行电流值获取工作的,并通过控制交流电流继电器,来时时切断电路,以保护电路工作的安全性。当经过电路的交流电流过大超过既定额度之后,便会断开电源,将故障电流有效遏制。另外还需要注意的是,我们在设定整定值的时候要保证:整定值<最大电流瞬时值。因为器件承受电流的时间是很短的,我们不能让电流杂到达最大限度后才切开电源,否则会在电源断开前电力电子器件已经受到了损耗。
另外,我们可以将电流互感器运用到驱动电路之中,并设定以下情况:若电流≥整定值,则封锁驱动信号使该信号无法对外输出,并使得全控型器件进行自动阻断从而使过电流对电路的损害降到最低。而半控型器件,如晶体闸流管在这种情况下则会自动不在导通。在经过缓冲时间后,电流会逐渐消失,电子设备则自动断电。我们可以通过这种点子保护的方式来实现电子电路的维护。而与之前的断路保护方法较相似,在设定电流整定值时要保证:整定值<所能承受电流最大值
另外,这种快速熔断器保护法通常运用于电路保护的最后一项,并需要配合其他保护设施来使用。由于不同的电路具体情况不一样,我们可以将熔断器设计在交流电源侧、负载侧等不同位置,还能够通过串联的方法给每个电子器件皆配备一个快速熔断器,来保护单个电子器件。而接法不同,保护效果也有差异。熔断器保护法可能够运用于对过载荷断路情况的解决,通过这种方法可以对整个电路进行“全保护”,也可以对局部电路进行保护。
撬杠保护法一般用于体积相对较大,工艺相对较复杂的电力电子设备中。其保护原理如下:当电流信号>整定值的时候,我们可以发动晶体闸流管的保护功能。而这种保护功能首先需要在晶体闸流管旁的支路中开辟驱动电路,并接一个小电感来控di/d的通过量。驱动电路需要与电子设备中的主电路中的各器件相连接,通过这种方式使电流分散到各器件中去;再断开电流,经过缓冲期之后导致短路的电量会慢慢消失,起到保护电力电子设备安全运行的作用。
 

第5章 整流电路带反电动势负载的MATLAB仿真
5.1MATLAB的介绍
   MATLAB(其全称是,即矩阵实验室),它具备了超强的科学计算与可视化功能,最早是用来作为LINPACK与EISPACK矩阵的软件包的接口。世界上第一个版本的MATLAB是由MathWorks公司于1984年正式的推出。在本文中应用的MATLAB为R2013b版本。历时三十多年的发展, MATLAB已经被广泛应用于各种基本的教学与科研工作。MATLAB不仅具有很强的数值计算功能,还有符号计算功能,它能提供很多的绘图指令,为完成可视化操作提供了非常便捷的条件。
 Math works为用户提供的仿真工具—Simulink,它为我们建立了系统模型,选择参数和算法,对程序进行仿真,用不同的输出值得出不同的结果提供了很好的环境。只需要通过简单的操作就可以得到复杂的模型和精确的仿真结果。仿真和连接是Simulink的两个重要功能,当我们建立一个数学模型后,根据给定的模拟要求,进入模块库就可以准确地找到我们需要的模块,再把它们进行预期的组合,实现系统仿真,使得模型的建立和仿真都变得很简便。Simulink具有很强的电力系统模块集,在电路、电机系统、电力电子和电力传输等过程的仿真中都可以应用。其实现方式是通过提供一种电路建模的形式,用户可以根据设计要求绘制出系统图形,在开始仿真之前,先把系统用状态方程描述,然后在此环境下进行仿真。
总体来说,MATLAB是至今最为强大的应用软件,在各个科学技术领域都将发挥越来越重要的作用。
 
5.2仿真电路模块的建立与说明
     在MATLAB中新建一个model,并将其命名为sanxiang。本文将采用simpowersystems模型库中的三相桥和触发器的集成模块,采用通用桥式电路,保证了结果的精确性。其中采用的集成同步六脉冲发生器是本次仿真的重点,由于引入了变压器器件,故采用该脉冲发生器来保证触发脉冲与主电路同步,同时控制角由此输入。变压器等器件的参数设置打开相应元件即可看到。与集成同步六脉冲发生器相连接的变压器仅是为了提取电压信号,不参与计算,不需考虑参数。仿真模型如图5-1所示:
 
图5-1 三相桥式全控整流电路反电动势负载的MATLAB仿真模型
5.3仿真参数的设置
各仿真元件的参数在上一章已经求出,其中求得,在实际仿真中取 。
各仿真元件的参数设置如下:
(1)电感电阻的参数
 
                      图5-2 电感电阻的参数设置
(2)电抗器电感量的参数
 
                    图5-3 电抗器电感量的参数设置
(3)电动机反电动势的参数
  
                     图5-4 电动机反电动势的参数设置
(4)三相交流电源的参数
 
                     图5-5 三相交流电源的参数设置
(5)变压器的参数
                              图5-6 变压器的参数设置
(6)集成同步六脉冲发生器的参数
 
                           图5-7 集成同步六脉冲发生器的参数设置
5.4仿真波形的结果与分析
运行后,在示波器scope中分别得到负载电流id、负载电压ud的波形。根据上一章的计算结果和本章的仿真模型的建立,可以得到在转速为150r/min,触发角分别为30度,60度,90度时的波形如下图所示。
(1)当触发角为30度时的仿真波形如下图所示:
 
                        图5-8 当触发角为30度时的仿真波形
此时,负载电流连续呈连续状态。
(2)当触发角为60度时的仿真波形如下图所示:
 
                        图5-9 当触发角为60度时的仿真波形
此时,负载电流依旧呈连续状态。
(3)当触发角为90度时的仿真波形如下图所示:
 
                         图5-10 当触发角为90度时的仿真波形
此时,负载电流呈临界连续状态。
    综合以上结果分析可得:当本文所选取的可控硅电动机系统中,电动机参数为:,150转/分,时,将所求得的电抗器电感量的值应用于仿真模型中,当取不同值时,其负载电流波形都呈连续状态,其中当为90度时电流呈临界连续状态,满足要求。
 

结束语
    本文主要研究了可控硅——电动机系统,并完成了以下的工作:
1.对电力电子这门学科有了一个更深入的理解,对这门学科的未来发展趋势有一个更直观的展望。
2.研究了各种整流电路的工作原理,并分析了它们各自的优缺点。
3.研究计算了晶闸管——电动机系统中电抗器的电感量。
4.通过自己的学习和研究用MATLAB设计出可控硅——电动机系统带电动机负载的仿真模型,并对仿真结果分析,进一步地验证了计算的正确性。
 
注:出稿时经Ucheck查重和知网查重检测均合格,转载请注明来自论文无忧网(lunwen5u.com),专注原创文章定制
 
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