單相電壓型全橋逆變電路及其simulink仿真(含開題報告)

1、電力電子技術課程設計 電力電子技術課程設計單相電壓型全橋逆變電路及其simulink仿真開題報告課題名稱：單相電壓型全橋逆變電路及其simulink仿真完成時間：2012.12.14 指導老師：劉彬(一) 簡要背景說明隨著電力電子技術的發(fā)展，逆變電路具有廣泛的應用范圍。交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。由于電壓型逆變電路具有直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動；輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同；阻感負載時需要提供無功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管等特點而具有廣泛的應用范圍。電壓型

2、逆變電路主要用于兩方面：籠式交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于逆變電路只具有單方向傳遞電能的功能，故比較適用于穩(wěn)態(tài)運行、無需頻繁起制動和加、減速的場合。不停電電源。該電源在逆變輸入端并接蓄電池，類似于電壓源。圖1 單相電壓型全橋逆變電路(二) 研究的目的及其意義 在教學及實驗基礎上，設計單相電壓型全橋逆變電路及其控制與保護電路，并通過使用simulink對課程中理論對電路進行仿真實現(xiàn)，進一步了解單相電壓型全橋逆變電路的工作原理、波形及計算。培養(yǎng)學生運用所學知識綜合分析問題解決問題的能力。在電力電子技術的應用中，逆變電路是通用變頻器核心部件之一，起著非常重要的作用。逆變電路是與整流電路相對應，把直流電

3、變成交流電的電路。逆變電路的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。無源逆變電路的應用非常廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、太陽能電池等都是直流電源，當需要這些電源向交流負載供電時，需要通過無源逆變電路；無源逆變 電路與其它電力電子變換電路組合形成具有特殊功能的電力電子設備，如無源逆變器與整流器組合為交-直-交變頻器(來自交流電源的恒定幅度和頻率的電能先經(jīng)整流變?yōu)橹绷麟?，然后?jīng)無源逆變器輸出可調(diào)頻率的交流電供給負載)。當電網(wǎng)提供的50 Hz 工頻電源不能滿足負載的需要，就需要用交-直-交變頻電路進行電能交換。如感應加熱需要較高頻率的電源；交

4、流電動機為了獲得良好的調(diào)速特性需要頻率可變的電源。(三) 研究的主要內(nèi)容1 單相電壓型全橋逆變電路的原理。2 單相電壓型全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)。3 單相電壓型全橋逆變電路及其控制電路、保護電路的設計(畫出原理圖，標明器件的選擇)。4 完成單相電壓型全橋逆變電路的數(shù)學模型的設計。5 建立simulink仿真系統(tǒng)進行建模，并對模型參數(shù)進行設置。6 仿真結(jié)果與分析。(四) 研究的主要方法和手段首先建立單相電壓型全橋逆變電路的電路拓撲圖，在MATLAB中使用simulink工具箱建立相關控制模型，設置模型參數(shù)后，通過仿真得到電路的電壓、電流結(jié)果，并對該結(jié)果進行分析。說明書目錄摘 要 -5第一章 設計總體思

5、路-5一 課題概述-5二 設計總體思路-5第二章 基本原理和框圖-6 一 基本原理-6 二 單相電壓型全橋逆變電路分析-7第三章 單元電路設計-8 一 觸發(fā)電路-8 二 保護電路-10第四章 Simulink仿真-10 一 電路模型的建立-10 二 各元件的介紹-10 三 模型參數(shù)的設置-10 四 仿真結(jié)果-15第五章 總結(jié)與體會-17致 謝 -18附錄一 三相整流電路的simulink仿真-19附錄二 參考文獻 -25摘要 逆變電路 所謂逆變，就是與整流相反，把直流電轉(zhuǎn)換成某一固定頻率或可變頻率的交流電(DC/AC)的過程。 整流與逆變一直都是電力電子技術的熱點之一，橋式整流是利用二極管的單

6、向?qū)ㄐ赃M行整流的最常用的電路，常用來將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。從整流狀態(tài)變到有源逆變狀態(tài)，對于特定的實驗電路需要恰到好處的時機和條件，基本原理和方法已成熟十幾年了，隨著我國交直流變換器市場迅猛發(fā)展，與之相應的核型技術應用于發(fā)展比較將成為業(yè)內(nèi)關注的焦點。第一章 設計總體思路一 課題概述 隨著電力電子技術的發(fā)展，逆變電路具有廣泛的應用范圍。交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。由于電壓型逆變電路具有直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動；輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同；阻感負載時需要提供無功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提

7、供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管等特點而具有廣泛的應用范圍。電壓型逆變電路主要用于兩方面：籠式交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于逆變電路只具有單方向傳遞電能的功能，故比較適用于穩(wěn)態(tài)運行、無需頻繁起制動和加、減速的場合。不停電電源。該電源在逆變輸入端并接蓄電池，類似于電壓源。二 設計基本思路1主電路的設計(1)主電路結(jié)構(gòu)設計(2)主電路保護設計(3)主電路計算及元器件參數(shù)選型2 Simulink仿真系統(tǒng)設計(1)電路模型的建立(2)各元件的介紹(3)模型參數(shù)的設置(4)仿真結(jié)果第二章 基本原理和框圖一 基本原理逆變電路的基本工作原理:S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成 圖2-1

8、圖2-2逆變電路及其波形舉例：S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負載電壓uo為負圖2-3圖2-4改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同 圖2-5 圖2-6t1前：S1、S4通，uo和io均為正t1時刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負，但io不能立刻反向io從電源負極流出，經(jīng)S2、負載和S3流回正極，負載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為零，之后io才反向并增大二 單相電壓型全橋逆變電路分析1 工作情況: 圖2-71和4一對，2和

9、3另一對，成對橋臂同時導通，兩對交替各導通180° 圖2-8uo波形同圖半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Ud io波形和半橋中的io相同，幅值增加一倍 圖2-92 輸出電壓定量分析uo成傅里葉級數(shù) （2-1）基波幅值 （2-2）基波有效值 （2-3）uo為正負各180°時，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實現(xiàn) 第三章 單元電路設計一 觸發(fā)電路該觸發(fā)電路為D觸發(fā)器觸發(fā)下圖為D觸發(fā)器和觸發(fā)電路：圖3-1 D觸發(fā)器原理：將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋活l率的脈沖或?qū)⒖刂菩盘栟D(zhuǎn)變?yōu)槟骋活l率的脈沖或脈沖群，用這些脈沖控制無源逆變電路中的功率開關元件的通斷，以控制逆變器 用這些脈沖控制無源逆變

10、電路中的功率開關元件的通斷。它主要應用于變頻調(diào)速裝置或不停電電源的逆變器中。一般功能是：根據(jù)控制信號的要求產(chǎn)生相應頻率的輸出脈沖；確定逆變器各功率開關的驅(qū)動信號間的相位關系；產(chǎn)生足夠的驅(qū)動功率以驅(qū)動功率開關元件；完成功率開關元件和控制電路之間的電隔離。圖3-2 觸發(fā)電路二 保護電路在電力電子電路中, 除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護、dudt、didt保護也是十分必要的本次課程設計所采用的過電壓過電流保護電路如下圖所示。該電路又稱為緩沖電 路。它的作用是抑制電力電子器件內(nèi)因過電壓或者過電流從而減小器件的開關損耗。緩沖電路可分為關斷緩沖電路和開通

11、緩沖電路。關斷緩沖電路又稱為dudt抑制電路，用于吸收器件關斷過電壓和換相過電壓，抑制dudt，減小關斷損耗。開通緩沖電路又稱為di dt抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和di dt，減小器件開通損耗?？蓪㈥P斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起構(gòu)成復合緩沖電路。圖3-3 保護電路第四章 Simulink仿真一 電路模型建立Simulink仿真電路圖如下：圖4-1二 各元件的介紹本電路涉及8種元件，分別是直流電源（DC Voltage Source）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、二極管（Diode）、脈沖發(fā)生器（Pulse Generator）、串聯(lián)支路(Series RLC Branch

12、)、電流表(Current Measurement)、電壓表(Voltage Measurement)、示波器（Scope）。三 模型參數(shù)的設置1 直流電源參數(shù)設置圖4-22 IGBT、IGBT1脈沖參數(shù)設置圖4-3 3 IGBT2、IGBT3脈沖參數(shù)設置及波形：圖4-4圖4-54 IGBT參數(shù)設置：圖4-6四 仿真結(jié)果 負載為電阻時RLC參數(shù)設置：圖4-7負載為電阻時其電流及電壓波形圖4-8負載為電感時電感參數(shù)設置圖4-9負載為電感時其電流及電壓波形：圖4-10阻感負載時阻感參數(shù)設置圖4-11阻感負載時其電壓電流波形：圖4-12第五章 總結(jié)與體會我們所學習的課程以及我們所處的專業(yè)決定了我們的

13、學習必須與實際相聯(lián)系。目前電壓型逆變電路在工業(yè)自動化領域中得到了廣泛應用。因此，對于電氣工程及自動化專業(yè)的學生來說，做這樣一個設計是非常有意義的，也是非常必要的。 通過本次的課程設計，我們所學知識都得到了進一步的鞏固，不但擴展了視野，而且學會了用MATLAB進行simulink仿真。從電路設計到畫圖，從參數(shù)設置到運行結(jié)果，每一步看似簡單卻又都付出了好多心血去研究和調(diào)試。雖然設計和實現(xiàn)的過程中遇到很多的問題，但這對于我們來說也是一種挑戰(zhàn)和鍛煉的機會。也收獲了許多。通過這次學習，我們進一步加深了對電力電子技術的基本理論及一些比較抽象的理論知識的理解，對整流電路和逆變電路的工作原理、各電路的控制電路

14、都有了更深入的理解。在查閱大量相關資料的時，對當前電壓型逆變電路領域和未來發(fā)展概貌也有了一定的了解。我們深深體會到書本上的知識是遠遠不夠的，在實現(xiàn)仿真過程中也略顯生澀。所以，要想更加深入得了解控制領域還需要我們不斷的學習和實踐，才能夠保持與時俱進。致謝本次課程設計能夠順利完成，離不開眾老師、 朋友、同學們的指導和支持。本設計的實現(xiàn)主要是在指導老師的親切關懷和細心指導下完成的。作為我們的任教老師，劉老師在以往的學習中給了我們很大的幫助，我們對課程知識的掌握他起到了很大作用，他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，老師都始終給予我細

15、心的指導和不懈的支持。在此謹向老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。此外，也對本設計做出提議和修改意見的老師、同學和朋友們表示感謝。附錄附錄一： 三相整流電路的simulink仿真一 電路模型建立圖 附錄-1二 參數(shù)設置及仿真結(jié)果1 電壓設置A相：圖 附錄-2B相圖 附錄-3C相圖 附錄-42 晶閘管參數(shù)設置圖 附錄-53 脈沖參數(shù)設置圖 附錄-64 電阻負載時電阻參數(shù)設置圖 附錄-7波形圖 附錄-85 阻感負載時RL參數(shù)設置圖 附錄-9波形圖 附錄-10附錄二參考文獻1 黃兆安、劉進軍主編.電力電子技術.第五版.北京：機械工業(yè)出版社，2009 2 黃俊主編.電力電子變流技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2004 3 彭鴻才主編.電機原理與拖動M.北京：機械工業(yè)出版社，1998 4 王兆安、黃俊主編.電力電子技術M.第 4 版.北京：機械工業(yè)出版社，1996 5 王離九主編.電力拖動自動控制系統(tǒng)M.武漢：華中理工大學出版社，1991 6 吳麒.自動控制原理M.北京：機械工業(yè)出版社，1990 7 謝宗安主編.自動控制系統(tǒng)M.重慶：重慶大學出版社，1996 8 陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng)M.第 2 版.北京：機械工業(yè)出版社，1992 9 呂如良、沈漢