三相交流电路（通用8篇）
三相交流电路 篇1
0 引言
三相异步电动机具有结构简单，运行可靠，坚固耐用，价格便宜，维修方便等一系列优点。与同容量的直流电动机相比，异步电动机还具有体积小，重量轻，转动惯量小的特点，是现代生产技术主要的动力源，因此，在工矿企业中异步电动机得到了广泛的应用。为适应生产机械和加工工艺对电动机起动、停止、转向、转速和制动等工作状态的不同要求，出现了各种各样的控制电路。三相异步电动机的控制线路大多由接触器、继电器、闸刀开关、按钮等有触点电器组合而成，形成一个强电控制系统，由于有接触触点，易产生火花现象。本文介绍利用数字芯片、固态继电器（SSR）组成的一个弱电控制强电的数字电路来控制三相异步电动机，为三相异步电动机提供更安全的控制电路。
1 控制电路中的几种电气元件介绍
1.1 固态继电器
固态继电器（Solid State Ralays，缩写SSR）是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，与电磁继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。它利用电子元件（如开关三极管、双向可控硅等半导体器件）的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。由于它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。
固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供的一个回路，使之成为固态继电器的触发信号源。固态继电器的输入回路多为直流输入，个别也为交流输入。驱动电路由隔离耦合电路、功能电路、触发电路三部分组成。隔离耦合电路目前多采用光电耦合器和高频变压器两种电路形式。功能电路主要适用在要求具备某些功能特性的固态继电器电路中，也对驱动电路起完善作用，包括整流、稳压、加速、保护、显示等各种功能电路。触发电路的作用是给输出器件提供触发信号。固态继电器的输出电路是在触发信号的控制下，实现对负载电路通断切换的开关作用。输出电路主要由功率器件（芯片）组成。固态继电器在三相异步电动机的控制电路取到了很关键的作用。它取代了常用的电磁继电器，性能更优良。
1.2 74LS112 TTL芯片（双JK触发器）
74LS112TTL为边沿JK触发器，是CP下降沿触发，异步复位端RD、异步置位端SD均为低电平有效。主要特点：CP的上升沿或下降沿触发；抗干扰能力极强，工作速度很高，在触发沿瞬间，按的规定更新状态；功能齐全（保持、置1、置0、翻转），使用方便。在CP作用下，J、K取值不同时，具有保持、置0、置1、翻转功能的电路，都叫做JK型时钟触发器。（如表1）。
1.3 DH48S-S数显时间继电器
DH48S-S数显时间继电器是一款循环延时型时间继电器，适用于交流50Hz，工作电压380V及以下或直流工作电源220V的控制电路中作延时元件，按预定时间接通或分断电路，采用大规模集成电路作为处理器，具有优秀的抗干扰性能。循环延时是指当时间继电器设定好断开时间和接通时间，在接通工作电源后，DH48S-S数显时间继电器就一直工作在断开———接通———断开———接通…的工作状态，断开和接通时间为所设定的断开和接通时间。如表2。
DH48S-S数显时间继电器具有记忆功能，需在通电前预设好延时时间，通电后预设的时间无效，继电器重复启动间隔时间应大于0.5s。DH48S-S数显时间继电器的复位功能是指在任意时刻接通复位端子（1脚和3脚），继电器归零，断开复位端，重新开始计时。DH48S-S数显时间继电器的暂停功能是指在计时过程中接通暂停端子（1脚和4脚），继电器计时停止，且显示此刻的时间，断开后继续计时。复位和暂停端子不能输入电压，以免损坏继电器。
2 数字电路对三相异步电动机间隔循环运转控制研究
2.1 数字电路对三相异步电动机间隔循环运转的控制电路
要对三相异步电动机实行间隔循环运转控制，首先必须利用计数电路对时间间隔形成计数功能，然后利用计数器驱动JK触发器，从而控制直流继电器KT,实现电机的通电与断电，即电机的运行与停止。
在控制电路中，计数电路很重要，它的设置能使电路实现相同时间间隔的循环运行。通常我们把数字电路中记忆输入CP脉冲个数的操作叫做计数，实现计数操作的电子电路称为计数器电路，输入计数器的CP信号是当作触发器的时钟信号对待，其主要组成单元是时钟触发器。计数器电路的种类很多，有二进制计数器、十进制计数器、N进制计数器；同步计数器、异步计数器；加法计数器、减法计数器、可逆计数器等多种电路类型，这里我们介绍的主要是由74LS90芯片组成的二———五———十进制异步计数器。74LS90芯片具有直接置0(R0(1).R0(2)=1）及直接置9(S9(1).S9(2)=1）、二进制计数、五进制计数、十进制计数等功能。
计数器的输出信号驱动JK触发器，利用JK触发器的翻转功能，控制三极管，使三极管分别处于导通和截止两状态，从而控制固态继电器，控制电路图如图1。
2.2 数字电路对三相异步电动机间隔循环运转的主电路
直流继电器的常开触点KT控制三相交流固态继电器SSR的直流控制端口。12V的直流电每一时间段加载或停止信号到直流控制端。三相交流电动机M在SSR的控制下，每隔一时间段转动或停止一次。最终组成了三相交流电动机间隔循环运转的电路。数字电路对三相异步电动机间隔循环运转的主电路如图2所示。
2.3 数字电路对三相异步电
动机25秒间隔循环运转电路：
如图3所示为由2片74LS90和1片74LS00组成25秒计数器。其中个位的74LS90的QA,QC，提取的BCD8421编码信号“1”和“4”，经过由两个74LS00芯片构成的与门电路，送给两个74LS90的R0(1）进行清零；由十位74LS90的QB，提取的BCD8421编码信号“2”直接送给两个74LS90的R0(2）进行清零。当CP脉冲信号第25次触发给到74LS00芯片，74LS00芯片的R0(1）和R0(2）同时得到高电平，计数器清零复位为74LS 00。由1片74LS112和1片74LS00，组成每25秒一次翻转的JK触发器电路。74LS90的R0(1）和R0(1）的2个清零复位信号，经过由74LS00的13,12,11,10,9,8构成的与门电路，作为CP脉冲信号送给74LS112的1脚。112置于JK触发器的“翻转”状态。25秒计数器每25秒清零复位一次，74LS112的Q1就25秒翻转一次。三极管3DG12的作用是：当74LS112的Q1为高电平时，3DG12导通，12V的直流继电器得电工作，常开触点KT闭合；当74LS112的Q1为低电平时，3DG12截止，12V的直流继电器KT断电停止工作，常开触点KT再次打开。
在图2所示的三相异步电动机间隔循环运转的主电路中，直流继电器的常开触点KT控制三相交流固态继电器SSR的直流控制端口，12V的直流电每25秒加载或停止到SSR的直流控制端。三相交流电动机M在SSR的控制下，每25秒转动或停止一次。最终组成了三相交流电动机25秒间隔循环运转电路。
3 数字电路对三相异步电动机正反转控制研究
3.1 数字电路对三相异步电动机正反转的控制电路：
数字电路对三相异步电动机正反转的控制电路如图4，此电路的采用了74LS112芯片、三极管3DG12来完成对三相异步电动机正反转的控制。手动CP脉冲信号送给74LS112的1脚。112置于JK触发器的“翻转”状态。74LS112的Q1就翻转一次。：当74LS112的Q1为高电平时，三极管3DG12导通，12V的直流继电器得电工作，常开触点KT闭合，常闭触点断开此信号加载到三相交流正反转固态继电器SSR上，使三相交流异步电动机得到正转信号；当74LS112的Q1为低电平时，3DG12截止，常开触点KT再次打开，常闭触点闭合，此信号加载到三相交流正反转固态继电器SSR上，使三相交流异步电动机得到反转信号。从而控制了电动机的正反转。
3.2 数字电路对三相异步电动机正反转的主电路：
数字电路对三相异步电动机正反转的主电路采用了固态继电器中的正反转模块来改变三相交流电的相序来实现三相异步电动机的正反转，同时为对电路实现保护采用了DH48S-S数显时间继电器、SSR单相交流继电器及SB1和SB2是两个暂停按钮。电路如图5。
控制电路的直流继电器的常开和常闭开关控制了主电路上的三相交流正反转固态继电器SSR，三相交流正反转固态继电器SSR采用了双向可控硅输出，模块内已设置硬件软件互锁，输入回路与输出回路之间光隔离，模块上的红、绿发光二极管指示正、反工作状态。为了防止因负载短路而造成模块烧毁，电路中采用了多重保护措施，SSR单相交流继电器首先起到了对电路的保护作用，其次DH48S-S数显时间继电器起到了延长时间的作用，使正反转切换中有一个几秒的时间间隔，从而起到了对三相交流正反转固态继电器的保护作用。SB1和SB2是两个暂停按钮，当出现紧急情况时，能及时手动终止电动机的运行。
4 结语
三相异步电动机在我们生产、生活中应用非常广泛，而三相异步电动机的间隔循环运转及其正反转都是值得研究的课题。电路图中采用了新型的电子器件固态继电器，在三相异步电动机的间隔循环运转的控制中把数字电路的计数功能与固态继电器的控制功能结合实现了三相异步电动机的间隔循环运转的控制，在三相异步电动机的正反转控制中采用了固态继电器中的正反转模块，性能优越，为了对模块进行保护，采用了DH48S-S数显时间继电器、SSR单相交流继电器及两个暂停按钮，通过外界脉冲的输入实现了三相异步电动机的正反转控制。
摘要：介绍了利用了数字电路实现了对三相异步电动机的间隔循环运转和正反运行的控制,详细分析了其工作原理。该控制电路设计合理,线路简单,工作可靠,具有实用意义。
关键词：数字电路,电动机,循环运转,正反转,控制
参考文献
[1]周定颐.李光中.电机及电力拖动(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2007.8.
[2]余孟尝.电子技术基础简明教程(第3版)[M].高等教育出版社,2006,1.
[3]梅晓容.柏桂珍.张卯瑞.自动控制元件及线路[M].北京科学出版社,2007,1.
[4]许晓峰.电机及拖动[M].高等教育出版社,2009.8.
三相交流电路 篇2
课 程 名 称
授课时间
计划课时 教学目的与要求
第六章
电工基础 三相交审 批 签
流电路
字
2015年 月 授课班
2015级电
日 级
工班
（汉）
10课时
实用课时
课时
1．了解三相交流电源的产生和特点。2．握三相四线制电源的线电压和相电压的关系。
1.3．掌握
对称三相负载Y形连接和 连接时，负载线电压和相电压、线电流和相电流的关系。4．掌握对称三相功率
教学重点与难点
授课类型 教具
参考资料
复习提问 教 学 过 程 和 内 容
课时分配：
序号 章节名称(课题 教学时数 1 第六章 三相交流电路 的计算方法。1．掌握三相电路线电压与相电压、线电流与相电流的相位关系。
2．熟练分析与计算三相电路电压、电流、功率等。
理论课 教学方法
多媒体投影设备、电压表、电流表等
学生教材、参考教材及网络 图文资料
时间分配
每次课前占用约5分钟时间
第一次课
讲授
§6-1 三相交流电源 §6-2 三相负载的连接方式 2 3 实验与实训7 三相交流负载的连接 4 §6-3 提高功率因数的意义和方法 合计 10
组织教学与复习回顾
1.师生相互问好，组织学生坐端、坐好，进行上课状态。
2.点名考勤，掌握旷课、缺课学生情况及去向。3.准备多媒体投影，期间提示学生回顾上次课程的重、难点内容。
4.以集中提问或个别提问方式对上一节课的教学效果进行了解，同时复习。
新课导入及展开讲授
第一节 三相交流电源 一、三相交流电动势的产生
1．对称三相电动势
振幅相等、频率相同，在相位上彼此相差120的三个电动势称为对称三相电动势。对称三相电动势瞬时值的数学表达式为 第一相(U相电动势： e1=Emsin(t 第二相(V相电动势： e2 = Emsin(t 120
第三相(W相电动势： e3 = Emsin(t 120
显然，有e1 e2 e3 = 0。波形图与相量图如图10-1所示。
教 学 过 程 和 内 容
时间分配
图10-1 对称三相电动势波形图与相量图
2．相序
三相电动势达到最大值(振幅的先后次序叫做相序。e1比e2超前120，e2比e3超前120，而e3又比e1超前120，称这种相序称为正相序或顺相序；反之，如果e1比e3超前120，e3比e2超前120，e2 比e1超前120，称这种相序为负相序或逆相序。
相序是一个十分重要的概念，为使电力系统能够安全可靠地运行，通常统一规定技术标准，一般在配电盘上用黄色标出U相，用绿色标出V相，用红色标出W相。
2、三相电源的连接
三相电源有星形(亦称Y形接法和三角形(亦称 形接法两种。
1．三相电源的星形(Y形接法
将三相发电机三相绕组的末端U2、V2、W2(相尾连接在一点，始端U1、V1、W1(相头分别与负载相连，这种连接方法叫做星形(Y形连接。如图10-2所示。
图10-3 相电压与线电压的相量图
图10-2 三相绕组的星形接法
从三相电源三个相头U1、V1、W1引出的三根导线叫作端线或相线，俗称火线，任意两个火线之间的电压叫做线电压。Y形公共联结点N叫作中点，从中点引出的导线叫做中线或零线。由三根相线和一根中线组成的输电方式叫做三相四线制(通常在低压配电中采用。
每相绕组始端与末端之间的电压(即相线与中线之间的电压叫做相电压，它们的瞬时值用u1、u2、u3来表示，显然这三个相电压也是对称的。相电压大小(有效值均为
U1 = U2 = U3 = UP
任意两相始端之间的电压(即火线与火线之间的电压叫做线电压，它们的瞬时值
用u12、u23、u31来表示。Ｙ形接法的相量图如图10-3所示。
显然三个线电压也是对称的。大小(有效值均为
U12 = U23 = U31 = UL =
UP
线电压比相应的相电压超前30，如线电压u12比相电压u1超前30，线电压u23比相电压u2超前30，线电压u31比相电压u3超前30。
2．三相电源的三角形(△形接法
将三相发电机的第二绕组始端V1与第一绕组的末端 U2相连、第三绕组始端W1与第U1、V1、W1引出三根导线分别与负载相连，这种连接方法叫做三角形(△形连接。显然这时线电压等于相电压，即
UL = Up
教 学 过 程 和 内 容
时间分配
第二次课
第二节 三相负载的连接
一、负载的星形联结
三相负载的星形联结如图10-4所示。
图10-4 三相负载的星形联结
该接法有三根火线和一根零线，叫做三相四线制电路，在这种电路中三相电源也是必须是Y形接法，所以又叫做Y－Y接法的三相电路。显然不管负载是否对称(相等，电路
中的线电压UL都等于负载相电压UYP的即
UL =
UYP
倍，负载的相电流IYP等于线电流IYL，即
IYL = IYP
当三相负载对称时，即各相负载完全相同，相电流和线电流也一定对称(称为Y－Y形对称三相电路。即各相电流(或各线电流振幅相等、频率相同、相位彼此相差120，并且中线电流为零。所以中线
可以去掉，即形成三相三线制电路，也就是说对于对称负载来说，不必关心电源的接法，只需关心负载的接法。
【例10-2】在负载作Ｙ形联接的对称三相电路中，已知每相负载均为|Z|= 20，设线电压UL = 380V，试求：各相电流(也就是线电流。
解：在对称Ｙ形负载中，相电压
相电流(即线电流为
二、负载的三角形联结
负载做 形联结时只能形成三相三线制电路，如图10-5所示。
图10-5 三相负载的三角形联结
显然不管负载是否对称(相等，电路中负载相电压UP都等于线电压UL，即
UP = UL
当三相负载对称时，即各相负载完全相同，相电流和线电流也一定对称。负载的相电流为
教 学 过 程 和 内 容
时间分配
第三次课
线电流IL等于相电流IP的倍，即
【例10-3】 在对称三相电路中，负载作 形联接，已知每相负载均为|Z|= 50，设线电压UL = 380 V，试求各相电流和线电流。
解：在 形负载中，相电压等于线电压，即UP = UL，则相电流
线电流
【例10-4】 三相发电机是星形接法，负载也是星形接法，发电机的相电压Up = 1000 V，每相负载电阻均为R = 50 k，XL = 25 k。试求：(1 相电流；(2 线电流；(3 线电压。
解：
(1 相电流
(2线电流 IL = IP = 17.9 mA(3线电压 UL =
UP = 1732 V
第三节 三相电路的功率
三相负载的有功功率等于各相功率之和，即
P = P1 P2 P3
在对称三相电路中，无论负载是星形联结还是三角形联结，由于各相负载相同、各相电压大小相等、各相电流也相等，所以三相功率为
其中 为对称负载的阻抗角，也是负载相电压与相电流之间的相位差。
三相电路的视在功率为
三相电路的无功功率为
三相电路的功率因数为
【例10-5】 有一对称三相负载，每相电阻为R = 6，电抗X = 8，三相电源的线电压为UL = 380 V。求：(1 负载做星形联结时的功率PY；(2 负载做三角形联结时的功率P。
教 学 过 程 和 内 容
时间分配
第四次课
解：每相阻抗均为数
(1 负载做星形联结时：，功率因相电压
线电流等于相电流 负载的功率
(2 负载做三角形联结时：
相电压等于线电压 UP = UL= 380 V，相电流 线电流 IL=IP= 66 A
负载的功率 为PY的3倍。
第四节 安全用电
一、电流对人体的作用
人体因触及高电压的带电体而承受过大的电流，以致引起死亡或局部受伤的现象称为触电。触电对人体的伤害程度，与流过人体电流的频率、大小、通电时间的长短、电流流过人体的途径、以及触电者本人的情况有关。
触电事故表明，频率为50 ~ 100 Hz的电流最危险，通过人体的电流超过50 mA(工频时，就会产生呼吸困难、肌肉痉挛、中枢神经遭受损害从而使心脏停止跳动以至死亡；电流流过大脑或心脏时，最容易造成死亡事故。触电伤人的主要因素是电流，但电流值又决定于作用到人体上的电压和人体的电阻值。通常人体的电阻为800 至几万欧不等。通常规定36 V以下的电压为安全电压，对人体安全不构成威胁。
常见的触电方式有单相触电和两相触电。人体同时接触两根相线，形成两相触电，这时人体受380 V的线电压作用，最为危险。单相触电是人体在地面上，而触及一根相线，电流通过人体流入大地造成触电。此外，某些电气设备由于导电绝缘破损而漏电时，人体触及外壳也会发生触电事故。
二、常用的安全措施
为防止发生触电事故，除应注意开关必须安装在火线上以及合理选择导线与熔丝外，还必须采取以下防护措施。
(1 正确安装用电设备 电气设备要根据说明和要求正确安装，不可马虎。带电部分必须有
防护罩或放到不易接触到的高处，以防触电。
(2 电气设备的保护接地 把电气设备的金属外壳用导线和埋在地中的接地装置连接起来，叫做保护接地，适用于中性点不接地的低压系统中。电气设备采用保护接地以后，即使外壳因绝缘不好而带电，这时工作人员碰到机壳就相当于人体和接地电阻并联，而人体的电阻远比接地电阻大，因此流过人体的电流就很微小，保证了人身安全。
(3 电气设备的保护接零 保护接零就是在电源中性点接地的三相四线制中，把电气设备的金属外壳与中性线连接起来。这时，如果电气设备的绝缘损坏而碰壳，由于中性线的电阻很小，所以短路电流很大，立即使电路中的熔丝烧断，切断电源，从而消除触电危险。
(4 使用漏电保护装置 漏电保护装置的作用主要是防止由漏电引起的触电事故和单相触电事故；其次是防止由漏电引起火灾事故以及监视或切除一相接地故障。有的漏电保
教 学 过 程 和 内 容
时间分配
护装置还能切除三相电动机的断相运行故小结用4课时
用多媒体结合障。
本 章 小 结
本章介绍了电路的基本概念，内容包括： 一、三相电源
振幅相等、频率相同，在相位上彼此相差120的三个电动势称为对称三相电动势。对称三相电动势瞬时值的数学表达式为
第一相(U相电动势： e1 = Emsin(t
第二相(V相电动势： e2 = Emsin(t 120
实物及操作演示方法进行教学
第三相(W相电动势： e3 = Emsin(t 120
三相电源中的绕组有星形(亦称Y形接法和三角形(亦称 形接法两种。二、三相负载
1.三相负载的Y形接法
在三相四线制电路，线电压UL是负载相电压UYP的倍，即
负载的相电流IYP等于线电流IYL，即
IYL = IYP
当三相负载对称时，即各相电流(或各线电流振幅相等、频率相同、相位彼此相差120，并且中线电流为零。所以中线可以去掉，即形成三相三线制电路。
2．三相负载的 形接法
负载做 形联结时只能形成三相三线制电路。显然不管负载是否对称(相等，电路中负载相电压UP都等于线电压UL，即
UP = UL
当三相负载对称时，相电流和线电流也一定对称。负载的相电流为
线电流IL等于相电流IP的IL=
倍，即 IP 三、三相功率
三相负载的有功功率等于各相功率之和，即
P = P1 P2 P3
在对称三相电路中，无论负载是星形联结还是
三角形联结，由于各相负载相同、各相电压大小相等、各相电流也相等，所以三相功率为
其中 为对称负载的阻抗角，也是负载相电压与相电流之间的相位差。
四、安全用电 1．触电方式
人体因触及高电压的带电体而承受过大的电流，以致引起死亡或局部受伤的现象称为触电。触电对人体的伤害程度，与流过人体电流的频率、大小、通电时间的长短、电流流过人体的途径、以及触电者本人的情况有关。通常规定36 V以下的电压为安全电压。常见的触电方式有单相触电和两相触电。人体同时接触两根相线，形成两相触电，这时人体受380 V的线电压作用，最为危险。单相触电是人体在地面上，而触及一根相线，电流通过人体流入大地造成触电。此外，某些电气设备由于导电绝缘破损而漏电时，人体触及外壳也会发生触电事故。
2．安全措施
教 学 过 程 和 内 容
为防止发生触电事故，除应注意开关必须安装在火线上以及合理选择导线与熔丝外，还必须采取必要的防护措施，例如正确安装用电设备、对电气设备做保护接地、保护接零、使用漏电保护装置等等。课堂练习
在课后练习题和PPT设置的练习题中选取练习题目，先叫个别同学上黑板试做，再集中讲解解题思路及步骤。课程总结
时间分配
对本次课程的主要内容、重点内容和难点内容进行总结，对同学们的课堂表现进行点评。作业布置
课后练习题1，2，3抄原题并完整作答，以当天作业本形式交于学习委员。
三相交流电路 篇3
以往的三相交流调压主要是利用自耦变压器进行, 设备庞大笨重;当电压较低时, 电压波形缺口大, 使加到三相对称性负载上的电压不再是正弦电压, 而使电压谐波分量较大;对电动机负载来说, 会使电动机转矩脉动和噪声增加, 附加损耗增加, 温升过高, 对电动机的运行不利。本文提出一种仅采用一只IGBT的自关断型电力电子器件作为开关元件的三相交流调压电路, 可实现脉宽调压。
MATLAB计算机仿真经济、省时、安全, 通过仿真分析容易获得需要的数据, 也易于通过改变参数来研究它们对系统性能的影响, 从而确定最佳设计参数和优化控制对象模型, 这对实际系统的研制和调试具有重要的指导作用。
1模型建立
三相对称性负载脉宽调压电路原理图见图1。
当开关元件IGBT被触发导通时, 整流电路中的共阳极与共阴极两端被短接, 整流二极管VD1～VD6导通, 三相对称性负载Zf的X、Y、Z端短接在一起, 三相电源电压施加到三相负载Zf上;当开关元件IGBT被阻断时, 使整流电路中的共阳极与共阴两端断路, 整流二极管VD1～VD6阻断, 三相负载Zf的X、Y、Z端断路, 三相电源电压不能施加到三相负载Zf上。由于开关元件IGBT为自关断型电力电子器件, 可以通过脉冲触发电路使开关元件IGBT工作在一定开关频率下, 并通过控制开关元件IGBT的导通和阻断的占空比, 从而控制和改变施加到三相负载Zf上的电压, 使加到三相负载Zf上的每相电压为正弦电压被斩波后的包络正弦电压, 以实现调压的目的。
2实例仿真及分析
用MATLAB对三相对称性负载脉宽调压电路模型进行仿真, 获得IGBT两端的电压波形、触发脉冲控制波形和负载电压波形;并在相同条件下, 用不同的触发控制频率去触发IGBT, 得到三相负载上的电压波形, 比较其效果。
2.1 MATLAB仿真图
图2为模型仿真图。在IGBT和三相负载两端加电压测量器送入示波器, 以获得它们的波形并进行观察比较。
2.2 仿真参数设置
(1) 源电压 (Three-Phase Source) 为交流220 V。
(2) 负载R、R1、R2的电阻值均为900 Ω。
(3) 二极管 (Diode、Diode1～5) 均为快恢复二极管。
(4) 触发脉冲 (Pulse Generator) 的频率分别为300 Hz和3 000 Hz。
2.3 仿真波形图
当IGBT在不同的触发频率下, 对负载两端的正弦电压波形的失真情况进行对比, 并进行分析。在IGBT的触发频率为300 Hz下的仿真波形图见图3～图6。在IGBT的触发频率为3 000 Hz下的仿真波形图见图7～图9。
2.4 仿真结果分析
在相同的外围环境且输入电压、负载电阻、二极管、IGBT都保持不变的情况下, IGBT的触发控制频率越高, 在负载上的电压失真率越小, 越接近于正弦波。
3结论
本系统仅用一只可关断功率电力电子器件作为开关元件K, 对三相对称性负载实现了三相调压的目的。在开关元件IGBT和二极管的开关控制频率允许的情况下, 触发控制频率越高, 三相负载上的电压越接近于正弦波, 从而使电压谐波分量减小, 减少负载的附加损耗, 并且触发控制频率越高系统响应越快。本调压电路是一种简单实用的调压电路, 可适用于三相Y接感应电动机的调压调速、三相Y接电阻炉调压调温等负载应用中。
参考文献
[1]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].第4版.北京:机械工业出版社, 2004.
[2]姚俊, 马松辉.Simulink建模与模拟[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2002.
[3]丁道宏.电力电子技术[M].北京:航天工业出版社, 1995.
[4]薛定宇.控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用[M].北京:清华大学出版社, 1996.
三相电路的运用与测量 篇4
关键词：三相电路,运用分析,测量计算
1 三相电路特性概述
三相电路的结构特性是指在电路的整体构架中, 电能的提供来自三相交流电源, 而三相交流电源的特点在于可以提供三个频率相同但相位存在差异的电流或电压。在电力工程中, 为了保持不同电压之间稳定的相序, 该发电机所产生的电压相位差是π/3, 这也使得三相发电机能够正序供电与负序供电时都能够稳定运行。就当前三相电路的电源特性进行分析, 当前三相电的产生主要依赖于三相同步发电机, 通过空间互差π/3相位的绕组与转子均匀转动, 从而得出三相感应电压。在电路的连接方式中, 三相电路电源与负载均可以采用星形连接与三角形连接, 由于连接方式的特殊性与电源结构特性, 使得三相电路能够在电能的输送中更为有效的节省电能消耗, 不仅降低了输电线路中有色金属的消耗量, 对于电力传输成本的控制也有着十分重要的意义。
2 三相电路的实际运用分析
2.1 工业生产应用
在工业生产中应用三相交流电, 一部分来自于三相交流发电机, 而另一部分电力的产生则依赖于三相变压器, 在低压供电的过程中, 采用三相四线制的三相电路是最具代表性的应用。在三相四线制的三相交流发电机工作中, 电源的三个线圈按照星形排列规则进行排列, 三个线圈末端X、Y、Z连接在一起, 并将连接点作为公共点O。在三相电源运行开始供电的过程中, O点引出一条零线, 三个线圈的首端分别引出A线, B线和C线, 这三条线路统称为火线。在不同线路的连接中, 公共点O与大地相连, 便形成了地线, 这样火线与地线之间便产生了相电压, 而火线之间的电压差则称为线电压, 在工业生产的实际操作中, 220伏, 380伏所代表的也便是三相交流电四线供电中所产生的线电压与相电压。
2.2 日常生活运用
单相负载的运用是日常生活中三相电路的主要运用方式, 日常生活中的点灯, 电冰箱以及洗衣机等, 采用的都是单项负载供电。在利用三相电路对单相负载电路进行供电时, 为了保证电力的均衡分配, 就要在电路负载的连接中将负载分别连接到三相电路中, 避免负载集中连接在三相电路中的一项电路上, 进而导致电路超负荷运作而引发电路问题。在三相电路中每条线路所连接负载的性质均相同的情况下, 由于线路负载的对称性, 因此中线电路上电流之和稳定为零, 这样便可以将三相电路中的中线去掉, 采用三相电源进行三线路供电。而就日常生活中三相电路供电的实际进行分析, 由于线路负载出现完全对称的可能性极小, 因此为了保障相电流与相电压的稳定性, 就必须保证中线的连接, 避免在中线线路上安装保险丝等设备的同时, 还要选取机械强度满足要求的导线作为三相电路中线。
3 三相电路功率测量探究
在对三相电路的功率进行测量时, 由于三相负载所吸收的平均功率等于各相负载吸收的平均功率之和, 即有:P=PA+PB+PC=UAIA cosφA+UBIBcosφB+UCICcosφC (式中的UA、UB、UC分别代表三相电压有效值, IA、IB、IC分别代表各相电流有效值, φA、φB、φC分别代表各项电压电流之间的相位差) , 因此在对称三相电路的电压电流计算中, 各相电压与相电流的有效值便等同, 即:UA=UB=UC=Uph, IA=IB=IC=Iph, 在三相电路中各线路负载相同的状态下, 相电压与相电流之间的相位差也等同:φA=φB=φC=φ, 这样便可以计算得出三相负载状态下的电路平均功率:P=3Uph Iphcosφ。当三相电路为Y形连接的对称负载时, 线电压Ul=Iph, 线电路Il=Iph, 带入式P=3Uph Iphcosφ则可得出P=Ul Ilcosφ。在三相电路上的负载为三角形连接状态时, 则可得出Uph=Ul, Il=Iph, 将这两数据带入P=3Uph Iphcosφ这一式中, 则可得出与Y形连接状态下相同的功率数值, 由此可见, 在三角形连接与Y形连接状态下, 三相电路的平均功率均可用P=3Uph Iphcosφ这一公式进行计算。
在对三相电路的无功功率进行计算时, 由于电路存在Q=QA+QB+QC=UAIAsinφA+UBIBsinφB+UCICsinφC这一等式关系, 因此在三相电路中则可得出:Q=3 Ul Ilsinφ这一等式, 在三相电路功率计算S=的基础上, 带入Q表达式, 便可得出S=3Ul Il。在对三相电路的无功功率计算中, 负载的功率因数可定义为cosφ'=P/S', 因此在三相电路中的便存在cosφ=cosφ'这一等式关系, 即三相电路负载功率因数等于单相负载功率因数。三相电路中无功功率的产生多数是由接线方式导致线路电流或电压发生相变引起的, 因此为了保证工业生产与日常生活中的用电稳定性, 提供无功功率, 并通过对两种功率的供给量进行调节, 从而满足线路负载的实际供电需求。
4 结语
就当前世界范围内的供电及电力传输技术而言, 三相电路是一项十分先进的强电技术, 因此为了进一步促进我国电力工程建设事业的发展, 就要更加强调对三相电路运用领域的拓展, 并通过对发电, 输电及变电技术中的三相电路运用手段加以完善, 从而在保障工业用电安全性的基础上, 更为有力的推进我国现代化电力工业的发展。
参考文献
[1]张明金.对三相电路有功功率测量方法的探讨[J].中国现代教育装备, 2008 (10) :126-128.
[2]李铮, 姚芳.三相电路功率的计算、测量和实验设计[J].河北工业大学成人教育学院学报, 2005 (04) :12-25.
三相电路实验方法研究 篇5
1 实验原理与方法设计
1.1 实验原理
在电工学中功率有三种, 即视在功率、有功功率、无功功率, 将三种功率有机联系在一起的量是功率因数。功率是电工学中的基本概念, 是电力电路中重要的参数, 功率、功率因数的大小直接影响配电线路的设计、配电器材的选用。三相电路功率测量的教学欲达到的目的是让学生学会对功率的估测、粗测、准确测量, 并通过对实验现象的观察, 实验数据的分析深刻理解相关理论知识。为了达到实验教学对学生能力培养的目的, 结合学生已学过的理论知识, 进行了实验项目的设计、试作、思考题的提出。
在三相三线制电路中, 无论负载连接成星形或三角形, 也无论负载对称与否, 都可两功率表法来测量三相功率。在三相四线制电源, 有中线的三相电路中, 用二个功率表测量三相功率, 无意义。
对于三相四线制供电的三相星形连接的负载, 可用一只功率表测量各相的有功功率PA、PB、PC, 则三相负载的总有功功率∑P=PA+PB+PC。若三相负载是对称的, 则只需测量一相的功率, 再乘以3即得三相总的有功功率。
三相三线制供电系统中, 不论三相负载是否对称, 也不论负载是Y形接法还是△形接法, 都可用二瓦特表法测量三相负载的总有功功率。若负载为感性或容性, 且当相位差φ>60o时, 线路中的一只功率表指针将反偏 (数字式功率表将出现负读数) , 这时应将功率表中电流线圈的两个端子调换 (不能调换电压线圈端子) , 其读数应记为负值。而三相总功率∑P=P1+P2 (P1、P2本身不含任何意义) 。
对于三相三线制供电的三相对称负载, 可用一瓦特表法测得三相负载的总无功功率Q。
1.2 测量设计
三相电路功率的测量方法有3只瓦特表法和2只瓦特表法两种。3只瓦特表分别测量3个相的功率, 然后相加, 即
若为对称系统, 则只要测量一相的功率, 然后乘以3即可。在三线制中, 常采用2只瓦特表来测量功率, 其接法如图1所示。三相电路所吸收的功率为2只瓦特表读数的代数和, 即P=P1+P2
在对称负载的四线制中, 因为无中线电流, 故用2只瓦特表测量的方法也适用。
在对称的三相电路中, 由2只瓦特表的 (W 1、W 2的读数分别表示为P 1和P 2) 读数还可以求出无功功率和功率因数、负载阻抗角, 即
在对称的三相电路中, 用1只瓦特表作特殊的连接, 也可以测量出电路的无功功率, 接线方式如图2所示, 则无功功率的数值为Q=, 式中P为瓦特表的读数。可以证明, 当负载为感性时, 数字功率表读数为正;当负载为容性时, 读数为负。
因此, 我们现在关注的应该是如何连接功率表来测量我们制作的三相三线制的负载的功率, 包括测量有功功率, 无功功率, 计算功率因数等。
2 实验步骤的设计
将实验线路板的灯泡负载并联上三相电容 (4.7μF) , 如图3所示, 作对称星形连接 (或串联电容, 线路自定。避免接线短路情况发生, 要求注意安全) , 用2只瓦特表测量三相电路的功率。
(1) 三相负载对称时, 测量两个功率表读数, 记录此时的电压值 (调压器输出电压以小于150V为宜, 避免高压容易造成危险和灯泡过热而损坏负载) 。
(2) 三相负载不对称时 (采负载灯泡3:2:1形式) , 测量两个功率表读数, 此时的相电压值也为150V。
用1只瓦特表测量上述对称电路的无功功率, 注意一个功率表的接线 (如图4中瓦特表2的电压接线) 。此时的相电压值与实验步骤1中相同, 仅读取瓦特表2的读数。
(仅读瓦特表2的读数)
3 实验仪器及注意事项
3.1 仪器要求
本实验所需仪器:三相负载电路板、含多组高耐压值电容器1套;数字功率表 (瓦特计) 2只;导线、插座若干。
3.2 实验注意事项
瓦特表测量的功率因数应该是测量的电流和电压相位的夹角的“cos”, 本实验的接线方式导致此时2个功率表的功率因数不代表这个三相电路的功率因数;注意2瓦特表测量时, 两个表的读数可能一“正”, 一“负”;如果采用其他方式连接构成三线制三相负载 (如三角形负载) , 连接一定要细心, 确认正确后再开始实验, 以免造成事故。实验线路须经指导教师检查无误后通电, 更改线路, 拆、接线时要断开电源。
测量时, 严禁用身体的任何部位接触带电的金属裸露部分。严禁带电改接线路, 改接线中时应断开电源, 如电路中有电容负载, 应在断开电源后, 将电容放电。
正确使用调压器, 本实验是强电实验, 实验线路联接完毕, 自检无误后, 经指导教师查线合格后, 方可合闸做实验。测量中线电压时, 注意万用表表笔放置的位置。注意功率表的接线方法、以及功率表的读数方法。合理选择仪表的量程。做实验内容二时, 负载端的线电压不得超过给定值。
4 实验总结
4.1 实验报告
根据所测得的参数, 在同一图中画出负载对称与不对称有无中线的电压, 电流相量图;为什么中线上不能装开关或保险?如果装上了会造成什么后果;用实验数据和观察到的现象, 总结三相四线制供电系统中中线的作用。
比较测量结果, 并进行分析。总结三相电路功率测量的方法。
4.2 实验总结
根据上述实验的目的和技能要求, 结合参考方案, 请各组独立完成实验。要求:每组设计一套实验方案, 包含:
1) 给出实验的线路连接图, 量值和线值的计算公式;
2) 列出实验所用到的仪器仪表和设备;
3) 拟定实验的步骤和实验的数据表格;
4) 指出实验的注意事项。
经审定合格后, 完成本次实验。
递交本次实验的实验报告与总结。
摘要：本文通过两个基于三相交流电路的实验训练, 提高复杂交流电路的实验能力, 提高分析问题和解决问题的能力, 增强动手能力。
关键词：三相电路,功率测量
参考文献
[1]伍秀萍.三相电路有功功率测量新方法[J].青海师范大学学报 (自然科学版) .2004, (02) .
三相交流电路 篇6
目前，不论是三相电路还是多相电路，其功率计算都是基于“相电压”的，这使得在三相三线系统等类似情况下的相电压的定义和测量出现困难。在正弦对称情况下，相电压可以根据其与线电压的关系计算得到;但是随着电力电子器件的不断使用，以及大量非线性不对称负载接入供电系统，使得电压电流畸变不对称[1,2]，这时正弦对称情况下相电压和线电压之间的关系不复存在，所以因正弦电路而定义的“相”的概念已不适合含有混合补偿设备的电路系统，而多端电路较多相电路而言具有更大的概念外延，因此将多相电路功率理论推广并改进到多端电路应是一项很有意义的工作。
顾名思义，多端电路即为含有多个引出端的电路，其可以作如下定义:如图1所示，在任意一个电路网络中，不论它多么复杂都可以将其主体看成一个黑盒子，黑盒子外的输入端和输出端统称为这个网络的引出端。若引出端的数目为n则称这个电路为n端电路，因为在交流电路的所有形式中，相数最少的单相电路实际上也是由两个引出端构成，所以在n端电路系统中n是大于等于2的，在n大于等于3时则称这个电路为多端电路。
在本文中将三相三线制电路系统看作三端电路进行处理，选择三端中的任意一端作为参考端，在实际应用中可以通过并联电压表方便地测出其他两端到参考端的电压，本文中称之为端电压，也可以通过串联电流表测量得出每个端子上的电流，本文称为端电流。在下文中，分别在电压电流均正弦对称、电压正弦对称电流畸变不对称、电压电流均不对称三种情形下，推导通过瞬时端电压和瞬时端电流定义瞬时有功功率、瞬时无功功率的表达式。结果表明，利用瞬时端电压和瞬时端电流定义瞬时功率是可行的，并且端电压和端电流的定义物理意义更加明确，在实际应用中测量更加简洁、方便。
2 电压电流均正弦对称情况下瞬时功率定义
文献[3]中提出瞬时有功功率等于瞬时电压和瞬时电流的乘积(点积)，见式(1);瞬时无功功率等于瞬时电压和瞬时电流的叉积，见式(2):
瞬时电流向量i可以分解为两个正交的分量之和，该分量分别为瞬时有功向量ip和瞬时无功向量iq，见式(3):
由于瞬时电压向量和瞬时无功电流向量正交，所以u·iq=0，而瞬时电压向量和瞬时有功电流向量在一条直线上，所以u×ip=0。因此，瞬时有功功率就可以等于瞬时电压和瞬时有功电流的点积，见式(4);瞬时无功功率等于瞬时电压和瞬时无功电流的叉积，见式(5)。
三相三线制电路对应多端电路示意图如图2所示，图中将负载端看成一个黑盒子，三相三线电路有三个出线端，可看作三端电路。由于在三相三线系统中负载是由三相发电机供电或者由发电机发出经由变压器变压后供电，而三相发电机或者变压器是存在中性点的，如图2中N点，假设三个端子间也存在一点N1，如图中N1点，该电位点的电位UN1与电源中性点的电位UN的电位差满足UNN1=UN-UN1=0，那么称该点为虚拟中心点，相电压即定义为各个端子到虚拟中性点之间的电压。
在三相正弦对称系统中，假设线电压的瞬时表达式为:
将线电压的瞬时表达式写成相量形式为:
如图2所示，在三相正弦对称系统中，相电压可以直接根据其与线电压的关系得到[1]:
将相电压的相量形式转化为瞬时表达式:
假设端电流的瞬时表达式为:
式中，φ为电压和电流的相位差。
端电流可以分解为有功端电流和无功端电流，其瞬时表达式分别为:
在多端电路系统中，可以利用选择任意端作为参考端后的端电压和端电流来定义其功率，例如选择3端作为参考端，电路示意图如图3所示。其端电压的瞬时表达式为:
根据式(4)，图3所示三端电路的瞬时有功功率可由各个端子上的瞬时端电压和瞬时有功端电流取点积后求和得到，将式(13)和式(11)代入式(14)中可得:
根据式(5)，图3所示三端电路的瞬时无功功率可由各个端子上的瞬时端电压和瞬时无功端电流取叉积后求和得到，将式(13)和式(12)代入式(15)中可得:
将瞬时无功端电流旋转90°即可将式(15)中的叉积转变为点积:
推导得出利用瞬时端电压和瞬时端电流定义的瞬时有功功率和无功功率表达式与文献[4]中用相电压和相电流定义的瞬时有功功率和无功功率表达式相同，但是端电压的物理意义更加明确且在实际应用中更好测量。
3 非正弦不对称系统
3.1 电压为正弦对称电流为畸变不对称时
在电力系统中，通常存在电源电压正弦对称，而电流由于非线性负载以及电力电子器件的使用造成的畸变或不对称现象[5]，下面推导电压为正弦对称、电流为畸变不对称情况下的三端电路的瞬时功率的表达式。
由于电压为正弦对称，所以其瞬时表达式可以表示为:
对于电力系统中的非线性问题，由于电压和电流具有周期性畸变的特点，可以将周期性畸变的电压和电流转化为非正弦周期电流电路处理(在后面的问题研究中都是根据此特性确定瞬时量的表达式)[4]，并且在三相三线制系统中只存在正序、负序，不存在零序电流，所以端电流瞬时表达式可以表示为:
设1、2、3三个端子上的第ki次谐波电流i1ki、i2ki、i3ki的瞬时表达式为:
将端电流分解为有功端电流和无功端电流后，其瞬时表达式分别为:
如图2所示，当选择3端作为参考端时，各个端子上的端电压的瞬时表达式为:
根据式(4)，该三端电路第ki次谐波电流的瞬时有功功率可以利用各个端子上瞬时端电压和瞬时有功端电流取点积后求和确定，将式(22)和式(20)代入式(23)中得:
根据式(5)，该三端电路第ki次谐波电流的瞬时无功功率则可利用各个端子上瞬时端电压和瞬时端无功电流取叉积后求和确定，采用与式(16)相同的方法，把瞬时无功电流旋转90°将叉积运算转化为点积运算，将式(22)和式(21)代入式(24)中得:
根据上述推导可以得出，在电压正弦对称电流畸变不对称时，该三端电路系统的瞬时有功功率为:
瞬时无功功率为:
3.2 电压电流都为畸变不对称时
在电压正弦对称情况下，电源电压是正弦对称的，三相电源电压e'1+e'2+e'3=0;由于虚拟中性点电位UN1与电源中性点电位UN之间的电位差为0，所以三端相电压之和也为0，且可以通过线电压和相电压之间的关系来确定相电压。而在非正弦不对称情况下，不但不满足正弦对称情况下线电压和相电压之间的关系，而且三相电源电压之和也不为0。这就表明由不同的三相电动势可得到相同的线电压，但是由线电压则无法唯一确定相电压，也就是说在非正弦不对称情况下，对负载起决定作用的是线电压而不再是三相电动势本身。文献[6]中指出在任意的三相三线电路中总可找到一组三相电动势e1、e2、e3满足三相之和为0，用其去替代原三相之和不为0的e'1、e'2、e'3，并利用对称分量法将某特定m次谐波分解为正序、负序、零序。由于三相正序、负序相加为0，而三相零序相加为3em0，所以采用一组去除了零序分量的电动势去代替原电动势，见式(27):
式中，e1+e2+e3=0。
由第2节中提到的相电压的定义可知，因为虚拟中性点的电位与电源中性点电位的电位差为零，而且在选择任意端作为参考端时定义的端电压中同样也不反映零序向量，所以三端的相电压也可以采用u1N=e1、u2N=e2、u3N=e3来代替原来的三端上的电压u'1N、u'2N、u'3N。也正因为有此特点，所以三端上的相电压可以利用式(28)来确定:
根据上述原理采用一组去除了零序分量的电动势代替原电动势，三端上的电压只剩下正序和负序分量，因此其瞬时表达式可以表示为:
设1、2、3三个端子上的第ku次谐波电压u1ku、u2ku、u3ku的瞬时表达式为:
各个端子上的端电流的瞬时表达式与式(18)相同，而1、2、3三个端子上的第ki次谐波电流i1ki、i2ki、i3ki的表达式与式(19)相同。因此将第ki次谐波端电流i1ki、i2ki、i3ki分解为有功端电流i1kip、i2kip、i3kip和无功端电流i1kiq、i2kiq、i3kiq，其瞬时表达式分别为:
当选择3端作为参考端时，其各个端子上第ku次谐波的端电压的瞬时表达式可以表示为:
根据式(4)，该三端电路第ki次谐波电流和第ku次谐波电压的瞬时有功功率可以利用瞬时端电压和瞬时有功端电流取点积后求和得到，将式(33)和式(31)代入式(34)中得:
根据式(5)，该三端电路第ki次谐波电流和第ku次谐波电压的瞬时无功功率可以利用瞬时端电压和瞬时端无功电流取叉积后求和得到，采用与式(16)相同的方法，把瞬时无功电流旋转90°将叉积运算转化为点积运算，将式(33)和式(32)代入式(35)中得:
根据上述推导可以得出，在电压和电流均畸变不对称时，该三端电路系统的瞬时有功功率为:
该三端电路系统的瞬时无功功率为:
通过以上推导可以得出，利用瞬时端电压和瞬时端电流推导得出的瞬时有功功率和瞬时无功功率的表达式与文献[7]中基于瞬时功率理论推导得到的表达式相同。但是在电压电流畸变的情况下，由于相电压的定义和测量都十分困难，而端电压和端电流的物理意义明确且测量简便。因此在三端电路中可以给出以下定义。
(1)定义1:瞬时有功功率等于选择任意一端作为参考端时，各个端子上相对于参考端的瞬时端电压与瞬时端电流取点积后求和。
(2)定义2:瞬时无功功率等于选择任意一端作为参考端时，各个端子上相对于参考端的瞬时端电压与瞬时端电流取叉积后求和。
本文在电压电流均正弦对称、电压正弦对称电流畸变不对称以及电压电流均畸变不对称三种情况下，都是选择3端作为参考端对端电压和端电流进行定义，进而推导得出瞬时有功功率和瞬时无功功率的表达式，同理，选择其他任意一端作为参考端可以得出同样的结果。
4 结论
(1)本文分析了现有功率理论在电压电流畸变不对称情况下的缺陷，并提出利用多端电路的理念将三相三线制电路看成一个三端电路处理的观点。
(2)文中给出了端电压和端电流的定义，并将瞬时端电流分解为两个正交的瞬时有功端电流和瞬时无功端电流。在电压电流均正弦对称、电压正弦对称电流畸变不对称以及电压电流均畸变不对称三种情况下，利用瞬时端电压和瞬时端电流推导瞬时有功功率和瞬时无功功率的表达式。推导结果与文献[7]中基于瞬时无功功率理论推导出的结果一致。
(3)最后根据推导结果给出了在三端电路中瞬时有功功率和瞬时无功功率的定义，在此定义中所用到的端电压的概念较相电压具有更大的概念外延，且物理意义更加明确，测量无需中间计算环节，更加简便。
参考文献
[1]邱关源(Qiu Guanyuan).电路(Circuit)[M].北京:高等教育出版社(Beijing:Higher Education Press),2007.303-305.
[2]赤木泰文(Hirofumi Akagi).瞬时功率理论及其在电力调节中的应用(Instantaneous power theory and application to power conditioning)[M].徐政(Xu Zheng)译.北京:机械工业出版社(Beijing:China Machine Press),2009.17-30.
[3]戴先中,唐统一,孙树勤(Dai Xianzhong,Tang Tongyi,Sun Shuqin).非正弦三相电路中瞬时无功量的普遍化定义(A generalized definition of instantaneous reactive quantity in nonsinusoidal three-phase systems)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE),1998,18(6):388-394.
[4]熊元新,陈允平(Xiong Yuanxin,Chen Yunping).正弦电路瞬时功率理论研究(Study on theory ofinstantaneous power of sinusoidal circuit)[J].电网技术(Power System Technology),2001,20(6):18-20.
[5]Xianzhong Dai,Guohai Liu,Ralf Gretsch.Generalized theory of instantaneous reactive quantity for multiphase power system[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2004,19(3):965-972.
[6]王勤,戴先中(Wang Qin,Dai Xianzhong).非正弦不对称三相三线电路负载侧相电压的定义与测量(The definition and measurement load’s phase voltages in nonsinusoidal unsymmetrical 3-phase 3-wire system)[J].电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society),1997,12(6):55-58.
高压三相PFC整流电路的研究 篇7
传统的三相整流虽然可以满足系统大功率的需求,但是存在谐波大、功率因数低等缺点。三相VIENNA型PFC整流器,具有控制简单、输入功率因数高、无谐波污染等优点,适合于三相大功率电路,便于工程应用中的实现。文献中采用滞环控制方法[1,2,3],用反馈信号与正弦采样信号组合,再应用PWM技术实现PFC电路的稳压和电流的正弦化,可使电路在电感电流连续CCM和临界连续BCM模式下工作,简化了电路,降低制造成本。针对所作系统进行仿真,验证了系统的可行性和优越性。
2 VIENNA电路原理
2.1 原始主电路
如图1所示的电路三相三开关三电平整流电路[2],开关采用4个二极管和一个全控型MOSFET管组成。根据电路的对称性可以知道电容中点电位与电网中点的电位近似相同。
当A相开关管关断时,E点F点电位相等,UFH=UDC则UGH=0.5UFH=0.5UDC,又UEH=UDC,又UEM=0.5UDC,因此UMG=0,UEH=0.5UDC,即VIENNA电路中开关器件只承受了一半的输出直流电压,所以开关管电压应力小,非常适合于大功率三相PFC整流电路。
图1电路中,电流可以双向流动,输出端串联的两个滤波电容上的电压为1/2输出电压。a点、b点、c点的电压都有三种电平,分别是1/2Uo、0、-1/2Uo,三个电平取决于开关管的开通和关断以及电流的方向。整个电路构成了1992年由Pinheiro J R提出的三相三开关三电平PFC电路[1],即为三相维也纳型(VIENNA)整流电路。
2.2 电路的等效
如果用双向开关S1,S2和S3来分别代替图1中的三个开关,那么图1可简化为图2。
图2中D1、D2,D3,D4,D5,D6为快恢复二极管,S1,S2,S3为双向开关,可以通过双向开关S1,S2和S3来分别控制对应相上的电流。每一相电感电流的大小完全可以根据需要随时进行控制,工作在CCM模式下,可以大大减小谐波。
以A相为例,当开关闭合时,A相直接对LA储存能量,电感电流增大。当开关断开时,电感中储存的能量向输出直流侧释放,在A相电压的正半周,电流流经LA,LA、D1、C1形成升压斩波电路,在电压的负半周,LA、D4、C2形成升压斩波电路。在图1所示的电路中,当三相中的一相处于直通状态时,另外两个斩波相的电压相对于直通相的线电压就会出现同时为正或同时为负或一正一负的情况,当同时为正使电流只能从C1上流过,同时为负时,电流只能从可以从C2上流过,当线电压为一负一正时,电流可以从C1和C2上流过,这就造成了电容电压的严重不平衡,因此在其控制方法上就需要考虑这个问题。
3 VIENNA电路的控制
同其它PFC电路一样,三相VIENNA电路主要目的是在得到稳定的输出直流电压的同时,实现输入交流电流的正弦化和单位输入功率因数并且要求开关管的电压应力要小。三相VIENNA电路实际上可以等效为两个常规的PFC电路的级联,从常规PFC电路得到的一般控制方法都可以应用于该电路中。但是,与常规PFC电路不同,这种电路拓扑要根据三相电流的不同时段而发生改变。对于三相VIENNA电路来说,由于会出现两个电容上的电压严重失衡,为了解决这个问题,文中引进了了区间控制即控制电路拓扑的改变,只需要在不同时段找出中间相并使之在该时段内一直处于直通状态,而最高相和最低相在该时段内一直处于高频斩波状态。
3.1 分时段信号的产生
严格说来,分时段信号的产生应当根据最高相、最低相和中间相的输入电流而不是输入电压来将一个工频周期划分为6个区间。但是,在PFC电路稳定运行之前,三相电流信号根本就不存在,即使有也不是三相正弦波形。这就意味着若以三相电流信号作为区间划分的输入信号,系统根本没有稳定运行的可能性。解决这个问题的办法是取电压信号代替电流信号,这是因为PFC电路的根本目的是实现输入电流的正弦化和功率因数为1,输入电流在波形和相位上与输入电源电压基本上是一致的,仅就区间划分的需要而言,输入交流电流信号完全可以以输入交流电压信号来替代,而输入电压信号总是存在的。令每一相电压在正向和负向过零的30°范围内其对应的开关一直导通,另外两相交替斩波,信号划分区间如图3所示。
根据图3所示的三相信号以及时段的划分,有等式(2):
式中:L为逻辑电平,下标表示区间。
根据式(2)的信号要求,设计出时段(相位)划分电路如图4所示。
在图4中,三相线电压uab、ubc、uca经过电压互感器隔离降压后,再经过由一阶RC网络构成的滤波器滤除噪声,送入过零比较器转换为线电压方波同步信号。三个线电压方波同步信号通过反相器获得三个线电压的反相电压uba、ucb、uac的方波同步信号。这六个方波信号经过逻辑门后产生6个时段的高电平信号。
考虑到VIENNA电路在一个工频周期内的6个时段的拓扑有两两相同,即电路拓扑实际上只有3种,因此将6个时段高电平信号两两相或得到3个高电平信号,以控制相应的相双向开关直通。
3.2 控制方法
通常对PFC电路的控制采用电压外环电流内环的控制结构[4],其中电压外环的目的是使输出直流电压稳定,电压环的输出通过乘法器乘以参考正弦信号后作为内环电流环的电流参考信号,系统检测主电路上的电流与参考电流信号进行比较,误差量经过调节器后输出PWM脉冲占空比。鉴于本系统功率较大,主开关管采用四管并联结构,所以采用能够高精度跟踪基准正弦电流信号、电路调试方面、易于实现多管或多模块的滞环控制法来控制[3]。但在系统闭环带宽、增益等参数的配合调试上要注意协调,否则系统不易稳定。
控制部分由电流内环和电压外环组成,外环调节电压,内环矫正功率因数。虽然每一相都配备独立的电压环有利于提高控制精度和响应速度实现三相独立调节,但是不利于斩波时段的控制,严重时导致系统不稳定,因此,在设计控制电路时不宜为每一相配备一个独立的电压控制环,必须三相公用一个公共电压控制环。
以S1的导通信号PWM a的生成为例,输出电压U0和给定电压Uref相比较,二者的差值经过PID调解之后通过乘法器乘以参考正弦信号ua半波后作为内环电流环的电流参考信号,系统检测主电路上的电流ia半波与参考电流信号进行比较,误差量经过调节器后输出PWM a,同理生成PWM b和PWM c。
控制部分生成的PWM a、PWM b、PWM c分别和区间控制中的输出La、Lb、Lc分别相或,所的信号即为PWMA、PWMB和PWMC作为最终的开关控制信号,把它们分别送给双向开关S1、S2、S3,使得电路电流电压同相位,达到功率因数校正的目的。
由于电流参考信号由电压反馈环决定,所以为了保持系统稳定且获得高的功率因数,反馈环的带宽不宜太宽。
4 仿真结果(输出直流4000V)
三相VIENNA电路闭环控制参数如下:
其仿真结果如图5所示(取A相电压电流来观察)。
如图5所示,输入电流幅值为85A,输出电压为4000V,输出电压的误差范围是-2~+2V。从图中可以看出三相输入电流为和输入电压同相位的正弦波,说明电流环参数设计合理,功率因数校正效果好。输出电压稳定,说明电压环参数设计合理。从而验证了文中分析方法的正确性。
5 实例设计(输出800V)
原理样机如图6所示,其主要参数为:输入幅值为311V的三相交流电压,输出直流电压V0=800V,输出功率1.6k W,开关频率f=100k Hz,主电路所选的元器件有:输入EMI滤波电路中所用的电容型号为250V、105K、MPX275~X2,陶瓷电容的型号为4700p F、250V、AH472M,有机电容的型号为CSDMPR224J630V,升压电感0.2m H(Tokin FEER42-2500B,23匝),开关管Sa、Sb、Sc型号为SPW47N60CFD,Dn5、Dn6等快恢复二极管型号为DSEC60-06A,Dn1-Dn4型号为DS145-08A,输出稳压电容有19个电解电容并联,型号为San con CD29H。
如图7(a)、(b)所示,利用样机做实验,通过观察波形,可以看到所有的波形都很干净,输入三相电流和三相电压同相,功率因数近似为1,输出电压为800V,波形比较稳定,电压值波动较小。
6 结论
本文从理论上分析了三相VIENNA电路的性能,又利用仿真对其做了验证,并给出了一个设计实例,进行了实验验证,通过分析可以得出如下结论。
(1)用滞环控制法可以对三相VIENNA型电路的功率因数进行很好的矫正,可以得到一个输出稳定,无谐波污染,控制简单,高输入功率因数等诸多优点的大功率三相整流系统。
(2)开关管所承受的电压应力均为输出直流电压的一半,因此该变换器非常适用于高压大功率的应用场合。
(3)在实际的高压场合中(比如4000V)输出稳压电容的型号选择比较艰难,这个问题还有待解决。
摘要：为了得到输出稳定、开关耐压力小并且功率因数高的大功率三相整流器,对三相VIENNA型PFC电路拓扑进行了研究,对VIENNA整流器的原理进行了调查,根据原有的控制理念,在其控制方面采用了区间控制结合滞环控制法来控制整个电路。在整个系统方案设计完毕后,搭建Matlab模型对所设计的电路进行仿真,由仿真结果可以看到系统的输出为稳压输出,开关器件的耐压力为输出电压的一半,输入功率因数为1,并且做了一些小样机对系统所采用的控制进行了验证。
关键词：三相拓扑电路,区间控制法,功率因数校正,滞环控制
参考文献
[1]Glanzer G,Sivaraman T,Buffalo J I.Cost-efficient Integra-tion of Electric Veh icles with the Power Grid by Means ofSmart Charging Strategies and Integrated on-board Chargers[J].Environment and Electrical Engineering,2011,12(1):1-4.
[2]Tero Viitanen,Heikki Tuusa.A Steady-State Power LossConsideration of the 50kW VIENNA I and PWM Full-Bridge Three-phase Rectifiers[J].Power Electronics Spe-cialists Conference,2002,2(6):915-920.
[3]Gui-xin Wang,Bin Wang,Yong Kang,Jim Chen.A NovelVoltage-Controlled Delta-Modulated UPS Inverter ControlScheme senior member[J].Industrial Electronics Society,2004,2(6):1833-1838.
三相交流电路 篇8
随着科技的飞速发展,电力电子技术已经深入到电力、冶金、化工、通讯、铁路电气以及家电等各个领域。在电力电子装置中,整流器作为装置与电网的接口,占有相当大的比重。由于目前的电网均为交流电,故通常电路都需要利用整流器进行AC/DC变换。目前最常用的是带电容滤波的三相不可控桥式整流电路。本文通过相关的仿真,分析了三相不可控桥式整流电路的直流电压和直流电流与负载的关系,并对其功率因数和交流侧的谐波进行了分析。
1 基本原理
在电容滤波的三相不可控桥式整流电路(如图1)中,当某一对二极管导通时,输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个,该线电压既向电容供电,也向负载供电。当没有二极管导通时,由电容向负载放电,电容电压ud按指数规律下降。
设二极管在距线电压过零点角处开始导通,并以二极管VD6和VD1开始导通的时刻为时间零点,则线电压为:
而相电压为:
在ωt=0时,二极管VD6和VD1开始同时导通,直流侧电压等于uab;下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2,直流侧电压等于uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况,一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的,交流侧向直流侧的充电电流id是断续的;另一种是VD1一直导通,交替时由VD6导通换相至VD2导通,id是连续的。介于二者之间的临界情况是:VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2在处恰好衔接了起来,id恰好连续。由前面所述"电压下降速度相等"的原则,可以确定临界条件。假设在的时刻"速度相等"恰好发生,则有
由计算可得,这就是临界条件。当和时分别是电流id断续和连续的条件。对一个确定的装置来讲,通常只有R是可变的,它的大小反映了负载的轻重。因此可以说,在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的,重载时是连续的,分界点就是
以上讨论过程中,忽略了电路中诸如变压器漏抗、线路电感等的作用。另外,实际应用中为了抑制电流冲击,常在直流侧串入较小的电感,成为感容滤波的电路,如图1所示。
3 电路仿真与分析
本文主要通过Matlab的Simulink对电路进行仿真,由仿真结果分析得到整流后的直流电压与负载电阻的关系;直流侧的电流与负载的关系;交流侧电流的谐波分析以及电路功率因数的分析。
3.1 直流电压与负载电阻关系
图2是电路空载以及电阻R分别取10kΩ、1kΩ、100Ω时的仿真情况,仿真的波形及由仿真得到的直流电压的平均值分别如图所示。
图2不同负载时整流器输出直流电压的波形(参见下页)
因为越小,意味着负载越大。由仿真的波形可以得到整流输出直流电压与负载电阻的关系为:空载时,整流输出直流电压的波形近似为直线;随着负载增大(即R分别为10kΩ,1kΩ,100Ω),输出直流电压的纹波越来越严重;并且随着负载增大,电压的平均值越来越小。
3.2 直流侧的电流与负载的关系
电阻R分别取100Ω,1.67Ω,R=0.1Ω时,仿真得到的直流侧的电流波形分别如图3所示。
由仿真波形可知:当R越小,即负载越大时,直流侧的电流是逐渐增大的,电流的起伏也逐渐变大(由仿真波形的幅值得出)。是电流断续和连续的临界条件,代入,C=3300μF,计算可得R=1.67Ω时是电流的临界状态,由仿真波形可知:R=0.1Ω时,直流侧的电流为连续,R=100Ω时,直流侧的电流为断续,从而验证了理论推算的正确性。
3.3 交流侧电流的谐波分析以及电路功率因数
当电阻R分别取10Ω、1Ω时,仿真得到的a相电流的波形及其相应的傅立叶分析的结果分别如图4所示。
由仿真波形可知:随着负载加大(R=10Ω、1Ω),a相电流逐渐增大,越来越接近正弦波。由仿真计算出R分别为10Ω、1Ω时,电路的功率因数分别为0.91和0.94,并根据其傅立叶分析结果,可以得到交流电流的谐波特性和功率因数有如下特点:
(1)交流侧电流仅含奇次谐波,谐波次数越高,其幅值越小。
(2)各次谐波幅值均随的增大而增大,而基波的幅值会随的增大而减小。其原因主要是越大,意味着负载越小,此时二极管的导通角越小,波形的畸变也会越严重。
(3)总的功率因数随增大而减小。如果改变电容的大小,同样可以通过仿真得出电容越大,基波因数会越小,总的功率因数越大。基波因数随增大而减小,随的增大而增大。
4 结束语
本文主要通过仿真实验对电容滤波的三相不可控桥式整流电路进行了分析,得出了直流电压与负载电阻,直流侧的电流与负载的关系,并对交流侧电流的谐波以及电路功率因数进行了分析,为参数的选择以及电路分析提供了指导性依据。
参考文献
[1]王一农,杜世俊,刘小宁.电容滤波型三相桥式整流电路的电压分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2005,28(5):111-114.
[2]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2006