電力電子課程設(shè)計(jì)交流變換器裝置設(shè)計(jì)

1、目錄 1 概論.1 2 方案比較論證.3 2.1 主電路方案選擇.3 2.2 控制電路方案選擇.4 3 仿真模型及參數(shù)設(shè)置.6 3.1 單相整流逆變電路的仿真模型.6 3.2 仿真模型使用模塊提取的路徑及其參數(shù)設(shè)置.6 4 實(shí)驗(yàn)仿真.9 5 5 結(jié)論.10 參考文獻(xiàn).11 交流變換器仿真研究 1 概論 近年來，隨著各行各業(yè)的技術(shù)水平和操作性能的提高，它們對(duì)電源品質(zhì)的要求也在 不斷提高。為了高質(zhì)量和有效地使用電能，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用交流電 網(wǎng)提供的交流電作為電能源，而是根據(jù)用電設(shè)備的要求采用電力電子技術(shù)對(duì)電能進(jìn)行變 換，從而得到各自所需的電能形式。而實(shí)現(xiàn)這一功能的裝置就是交流變換器

2、。從結(jié)構(gòu)上 看，變頻電源可分為直接變頻和間接變頻兩大類。 直接變頻又稱為交一交變頻，是一種將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電， 中間沒有直流環(huán)節(jié)的變頻形式。間接變頻又稱為交一直一交變頻，是將工頻交流電先經(jīng) 過整流器成直流電，再通過逆變器將直流電變換成頻率可變的交流電的變頻形式，因此 這種變頻方式又被稱為有直流環(huán)節(jié)的變頻方式。其中，把直流電變成交流電的過程叫做 逆變，完成逆變功能的電路稱為逆變電路。這種能量的變換對(duì)節(jié)能、減小環(huán)境污染、改 善工作條件、節(jié)省原材料、降低成本和提高產(chǎn)量等方面均起著非常重要的作用。 交一交變頻一般使用的開關(guān)器件是晶閘管，利用電網(wǎng)電壓有自動(dòng)過零并變負(fù)的特點(diǎn)， 將晶閘管

3、直接接在交流電源上，使晶閘管能自然關(guān)斷。其過程與可控整流器一樣，不需 要附加換流器件，方法簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。但是這種方法使用晶閘管數(shù)量較多，主回路復(fù) 雜，且輸出頻率受電源頻率的限制，一般不能高于電網(wǎng)頻率的 12。 交一直一交變頻是目前變頻電源的主要形式。本文所研究的變頻電源即采用這種形 式。按照電壓、頻率的控制方式，交一直一交變頻器一種主要結(jié)構(gòu)是采用二極管全橋不 控整流器整流、脈寬調(diào)制型(pwm)逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻方式。此時(shí)不可控整流提高了 裝置輸入功率因數(shù)，減小了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，又因采用高開關(guān)頻率的逆變器，輸出諧 波很小，性能優(yōu)良。本文所述的變頻電源采用這種方案。采用二極管不可控整流，以

4、提 高網(wǎng)側(cè)電壓功率因數(shù)，整流所得直流電壓用大電容穩(wěn)壓，為逆變器提供直流電壓，再經(jīng) 過逆變器，輸出可變幅值可變頻率的信號(hào)。 本文所研究的交流變頻器可以分為四個(gè)功能模塊：整流電路、逆變電路、輸出濾波 器和控制電路。整流電路是一個(gè)單相 acdc 變換電路，功能是把 ac 220v50hz 的電源 進(jìn)行整流濾波后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電源供給逆變電路。該整流能對(duì)電網(wǎng)污染進(jìn)行雙向隔離， 以提高整機(jī)的電磁兼容性能。逆變電路是該電源的關(guān)鍵電路，其功能是實(shí)現(xiàn) dcac 的功 率變換，即在在控制電路的控制下把直流電源轉(zhuǎn)換成單相 spwm 波形供給后級(jí)濾波電路， 形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。功率級(jí)采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，電源利用率高，整

5、機(jī)工作效率高。濾波 電路是用來濾除干擾和無用信號(hào)，使輸出為標(biāo)準(zhǔn)正弦波?？刂齐娐酚糜诋a(chǎn)生 spwm 控制信 號(hào)，還具有相關(guān)的過流，過壓保護(hù)等功能。 2 方案比較論證 2.1 主電路方案選擇 1、交交變頻電路。交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)際使用 的主要是三相輸出交交變頻電路。其原理圖如圖 1 所示。電路由 p 組和 np uo z 圖 1 交交變頻原理圖 n 組反并聯(lián)的晶閘管變流電路組成。變流器 p 和 n 都是相控整流電路，p 組工作時(shí)， 負(fù)載電流為正，n 組工作時(shí)，負(fù)載電流為負(fù)。讓兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載 就可得到該頻率的交流電，改變兩組變流器的切換頻率，就可

6、以改變輸出頻率。改變變 流器工作時(shí)的控制角，就可以改變交流輸出電壓的幅值。不難看出，且輸出頻率受電源 頻率的限制，一般不能高于電網(wǎng)頻率的 12。交交變頻電路是才用相位控制方式，因此 其輸入電流總是滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率，其功率因數(shù)較低。 2、交直交變頻器。間接交流變流電路由整流電路、中間直流電流和逆變電路構(gòu)成。 圖 2 所示的是不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路。整流電路將 圖 2 不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路 220v/50hz 的交流變換成直流。中間直流電流對(duì)直流進(jìn)行濾波處理，必要時(shí)進(jìn)行升壓斬波， 以提高逆變后能輸出交流的最大幅值。逆變電路的功能是將直流逆變?yōu)樗桀l

7、率和幅值 的交流，主要是應(yīng)用 spwm 技術(shù)控制逆變橋，產(chǎn)生交流電。該方案具有功率因數(shù)高，對(duì)電 電源 ac 輸出 ac 網(wǎng)污染小等優(yōu)點(diǎn)。本文中采用這種間接變換電路實(shí)現(xiàn)題目要求。 2.2 控制電路方案選擇 dcac 變換部分的控制技術(shù)是逆變電源的最關(guān)鍵部分，它在很大程度上決定了整個(gè) 電源的性能。傳統(tǒng)的逆變電源采用模擬控制技術(shù)，該方法控制結(jié)構(gòu)比較成熟，積累了大 量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而且相對(duì)成本較低，但是模擬控制存在著許多固有缺點(diǎn)： (1)電源生產(chǎn)的一致性不好，產(chǎn)品升級(jí)困難，新型逆變電源的誕生，一般都伴隨著大 幅度硬件的更換； (2)因采用大量的分散元件和電路板，導(dǎo)致硬件的成本偏高，系統(tǒng)的可靠性下降： (

8、3)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，調(diào)試起來復(fù)雜。并且較難實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的復(fù)雜的控制算法。 近年來，數(shù)字化已經(jīng)成逆變電源的發(fā)展方向。隨著高性能數(shù)字信號(hào)處理器 dsp 的出 現(xiàn)和控制理論的普遍發(fā)展，使得逆變電源的控制技術(shù)朝著全數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的 方向發(fā)展。逆變電源采用數(shù)字控制相對(duì)模擬控制，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)： (1)控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊，大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)抗干擾能力； (2)設(shè)計(jì)和制造靈活，每臺(tái)電源間的一致性好，一旦改變了控制方法，只需修改程序 即可，無需變動(dòng)硬件電路，大大縮短了設(shè)計(jì)研制周期； (3)易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使得逆變電源的智能化程度更高，性 能更完美； 可見，數(shù)字化是逆變

9、電源發(fā)展的主要方向，然而，也存在著挑戰(zhàn)。原因是逆交電源是 一個(gè)復(fù)雜的電力電子裝置，是一個(gè)多變量、非線性、時(shí)變的系統(tǒng)，因此對(duì)它的控制存在 著困難。目前的困難主要來自于一下幾個(gè)方面： (1)逆變電源的輸出要跟蹤的是一個(gè)按正弦規(guī)律變化的給定信號(hào)，它不同于一般的 開關(guān)電源的常值控制。在閉環(huán)控制下，給定信號(hào)與反饋信號(hào)的時(shí)間差就體現(xiàn)為明顯的相 位差。這種相位差與負(fù)載是相關(guān)的，這就給控制器的設(shè)計(jì)帶來了困難； (2)逆變電源的輸出濾波器對(duì)系統(tǒng)的模型影響很大，輸入電壓的波動(dòng)幅度和負(fù)載的性 質(zhì)、大小的交化范圍往往比較大，這些都增加了控制對(duì)象的復(fù)雜性，使得控制對(duì)象模型 的高階性、不確定性、非線性顯著增加； (3)對(duì)

10、于數(shù)字式 pwm，都存在一個(gè)開關(guān)周期的失控區(qū)間：一般是在每個(gè)開關(guān)周期的開 始或上一個(gè)周期之末來確定本次脈沖的寬度。即使這時(shí)系統(tǒng)發(fā)生了變化，也只能在下一 個(gè)開關(guān)周期對(duì)脈沖寬度做出調(diào)整。 當(dāng)然，正是有著眾多的優(yōu)點(diǎn)，而問題又存在，才使得逆變電源的數(shù)字化控制在國(guó)內(nèi) 外引起了廣泛的關(guān)注。本文中的設(shè)計(jì)采用數(shù)字化方式控制，其核心控制芯片采用 ti 公司 的 tms320f2182。 3 仿真模型及參數(shù)設(shè)置 3.1.單相整流逆變電路的仿真模型 單相整流逆變電路的仿真模型如圖 3 所示，由圖可知，單相 50hz 交流電源經(jīng)單相 不控整流環(huán)節(jié)，進(jìn)行 lc 濾波后即為中間直流環(huán)節(jié)。再進(jìn)入 pwm 逆變，又一次 lc

11、 濾波后， 連接到需要不同于 50hz 的交流電單相負(fù)載。萬用表檢測(cè)不控整流橋與逆變橋的電力電子 元件的電壓與電流，示波器還檢測(cè)輸出負(fù)載電壓波形。 圖 3 單相整流逆變電路的仿真模型 3.2.仿真模型使用模塊提取的路徑及其單數(shù)設(shè)置 離散 pwm 發(fā)生器模塊 discrete pwm generator 提取路徑是： simulinksimpowersystemspower electronicsdiscrete control blocksdiscrete pwm generator;信號(hào)終結(jié)模塊 terminator 提取路徑是:simulinkcommonly used blockster

12、minator。交流電源模塊:“phase”初相角 0,“frequency”頻率 50hz,“sample time”采樣時(shí)間 0(默認(rèn)值 0 表示該交流電源為連續(xù)源),“peak amplitude”當(dāng)變頻輸出頻率為 50hz 時(shí)置為 220v。濾波電感 l1：選 series rlc 2 branch 模塊，將參數(shù)“inductance(h)”置為 80e-3。濾波電感 l2；選 series rlc branch 模塊，將參數(shù)“inductance(h)”置為 30e-3。濾波電容 c1：選 series rlc branch 模塊，將參數(shù)“capacitance(f)”置為 1800

13、e-6。濾波電容 c2：選 series rlc branch 278 模塊，將參數(shù)“capacitance(f)”置為 320e-6。不控整流橋參 數(shù)設(shè)置如圖 4 所示，逆變參數(shù)設(shè)置如圖 5 所示，離散 pwm 發(fā)生器參數(shù)如圖 6 所示，rl 負(fù) 載參數(shù)設(shè)置如圖 7 所示。 圖 4 不控整流橋參數(shù)設(shè)置 圖 5 逆變參數(shù)設(shè)置 圖 6 離散 pwm 發(fā)生器參數(shù) 圖 7 rl 負(fù)載參數(shù)設(shè)置 4 實(shí)驗(yàn)仿真 設(shè)置仿真開始時(shí)間為 0，停止時(shí)間設(shè)置為 0.5s，采用 ode23tb 算法，其他參數(shù)采用 系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。對(duì)圖 3 模型仿真.得到仿真結(jié)果，其波形為圖 8 所示。 圖 8 單相整流逆變電路仿真波形

14、 5 結(jié)論 經(jīng)過近兩星期的努力，終于完成了本次課程設(shè)計(jì)。其中包括方案的論證、電路的詳 細(xì)設(shè)計(jì)、最后的仿真分析，包括整流電路、逆變電路、輸出濾波器的主回路等各個(gè)方面。 電源技術(shù)的精髓是電能變換，即利用電能變換技術(shù)，將市電或電池等一次電 源變換成適用于各種用電對(duì)象的二次電源。變頻技術(shù)作為電源技術(shù)的核心技術(shù)， 集現(xiàn)代電子、信息和智能技術(shù)于一體。新的器件和新的拓?fù)淅碚摰某霈F(xiàn)使得變頻 電源技術(shù)日趨可靠、成熟、經(jīng)濟(jì)、適用。 論文詳細(xì)闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想和實(shí)現(xiàn)過程。但由于時(shí)間關(guān)系，對(duì)控制器的系統(tǒng)軟 件設(shè)計(jì)沒能給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程和例程，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為人機(jī)接口程序和控制程序。 人機(jī)接口程序?qū)崿F(xiàn)了實(shí)時(shí)電壓電流數(shù)據(jù)及其波形顯示，控制參數(shù)顯示及在線修改等功能； 控制程序?qū)崿F(xiàn)了信號(hào)采樣分析、pwm 脈沖調(diào)制和觸發(fā)、pi 控制器等程序。 隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的產(chǎn)業(yè)將應(yīng)運(yùn)而生，變頻電源涉及的領(lǐng)域越來 越寬，其產(chǎn)品規(guī)格和品種也將越來越多，技術(shù)難度也將越來越大，有很多問題有待我們 去研究，如： 能否全面貫徹電磁兼容性?電氣額定值能否更高(如功率因素)或更低(如輸出電壓)？ 能否組建大容量電源?能否使外形更加小型化，外形適用使用場(chǎng)所要求?能否形成批量生 產(chǎn)或單件快捷生產(chǎn)?這五個(gè)問題是變頻電源能否在更廣泛領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵，也是我們未來 要解決的主要問題。 雖