電力電子電路設(shè)計與仿真

1、1 設(shè)計1.1 總體設(shè)計根據(jù)本課題需要,我們需要設(shè)計一個逆變電源裝置。我們需要設(shè)計出輸入輸出濾波電路、逆變電路、驅(qū)動電路、檢測電路、保護電路等模塊并設(shè)計出其參數(shù),其結(jié)構(gòu)框圖如Figure 1 所示。 Figure 1 總體結(jié)構(gòu)框圖1.2 逆變電源裝置的主電路設(shè)計電網(wǎng)的交流電經(jīng)過二極管不控整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成脈動的直流電,經(jīng)過直流濾波電路,使脈動的直流電的電壓波形變得更加平滑,變成有一定紋波的穩(wěn)壓電源,經(jīng)過三相逆變電路后,輸出為三相交流電,再通過隔離變換電路,濾除三相交流電的直流成分,再經(jīng)過輸出濾波器,此時輸出的三相交流電就能很好帶動負載并能很好的的滿足課題的需求。 Figure 2 主電路原

2、理框圖 Figure 3 等效負載負載電阻最小值錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。負載電感最小值錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。濾波電容與負載并聯(lián),對逆變電路輸出電流影響較大,所以設(shè)計濾波電路時,先選擇設(shè)計濾波電容。首先取濾波電容容抗等于負載電感感抗的2倍即錯誤!未找到引用源。則有錯誤!未找到引用源。我們?nèi)″e誤!未找到引用源。7個錯誤!未找到引用源。250V 50HZ 交流電路用于60HZ時耐壓降為60%。即:250×0.6=150V > 110V錯誤!未找到引用源。濾波電感的作用是減小輸出電壓的諧波電壓

3、,保證基波電壓的傳輸,即電感不可太大也不可以太小。選取的電感參數(shù)應(yīng)滿足以下幾個條件:濾波電路的固有頻率應(yīng)遠離輸出電壓中可能出現(xiàn)的諧波頻率,錯誤!未找到引用源。不應(yīng)太大而接近于1,錯誤!未找到引用源。應(yīng)該較小我們?nèi)″e誤!未找到引用源。,則有錯誤!未找到引用源。實取L =1.6mH,則有錯誤!未找到引用源。此時濾波電路的固有頻率為錯誤!未找到引用源。 Figure 4 逆變輸出后的等效圖空載錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。額定負載錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。 過載倍數(shù)為2時錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!

4、未找到引用源。 錯誤!未找到引用源。額定負載錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。過載倍數(shù)為2時錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。 Figure 5 三相逆變拓撲圖三相橋式逆變電路輸出電壓為錯誤!未找到引用源。實際上由于橋臂上下管互補導(dǎo)通要保留“死區(qū)時間”,并且管子導(dǎo)通時有壓降(錯誤!未找到引用源。,輸出電壓達不到錯誤!未找到引用源。K:與死區(qū)時間引起的降壓系數(shù)(k<1;m:同一通路中開關(guān)器件個數(shù),這里m=2;由于錯誤!未找到引用源。設(shè)錯誤!未找到引用源。則有錯誤!未找到引用源。取

5、錯誤!未找到引用源。E按有可能出現(xiàn)的最低電壓取值380×0.9×1.35=461.7V考慮整流電路降壓后取450V三相逆變電路輸出電壓為錯誤!未找到引用源。無隔離變壓器時,逆變輸出電流有效值長期連續(xù)最大電流(一般滿載阻性錯誤!未找到引用源。阻感性錯誤!未找到引用源。短期最大電流(短期過載(R與錯誤!未找到引用源。支路過載阻性錯誤!未找到引用源。阻感性錯誤!未找到引用源。無隔離變壓器時,逆變輸出電流峰值長期輸出電流峰值錯誤!未找到引用源。短期最大電流(短期過載(R與錯誤!未找到引用源。支路過載錯誤!未找到引用源。電壓匹配:錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。則有錯誤!未找

6、到引用源。由于實際中變壓器有內(nèi)阻。需要考慮激磁等問題。對N略作調(diào)整錯誤!未找到引用源。我們?nèi)=0.86滿載錯誤!未找到引用源。過載錯誤!未找到引用源。開關(guān)器件的電流峰值錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。開關(guān)器件的電流可選為電流峰值的1.52倍。長期連續(xù)情況下取2倍2×282.625=565.364A 選600A經(jīng)濟過載情況下取1.5倍 1.5×545.396=818.09A 選900A安全主開關(guān)器件的耐壓根據(jù)所有工況的最高電壓考慮設(shè)下管開通下管關(guān)斷,則下管所受的最大電壓為:錯誤!未找到引用源。主開關(guān)器件承受的最高電壓一般出現(xiàn)在輸入電壓最高,輸出負載最低即空載的情況下

7、。選開關(guān)元件耐壓是實際工作電壓的2倍,即1182.282V。實際選取1200V 耐壓的開關(guān)元件。2 仿真2.1 SPWM 逆變線路的數(shù)學(xué)模型 錯誤!未找到引用源。 :相應(yīng)橋臂的開關(guān)函數(shù) 對于全橋逆變電路,錯誤!未找到引用源。 使用規(guī)則采樣法 錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。 :是載波,錯誤!未找到引用源。是調(diào)制波。 帶入式子則有 錯誤!未找到引用源。2.2 輸出濾波模型輸出濾波電路圖,如圖下所示 Figure 6根據(jù)輸出濾波電路寫出如下關(guān)系式1ri Vo Vi dt di L -= 01i i dt dVo C -=變換形式后的式為11ri Vo Vi Lsi -= oi i CsVo

8、 -=1畫出輸出濾波仿真模型,如圖所示 Figure 7輸出電壓Vo 與輸入電壓Vi 的關(guān)系式為 o i rCs LCs rLs Vi rcs LCs Vo 11122+-+=2.3單相逆變器的控制策略1.電壓單閉環(huán)控制系統(tǒng)單閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型,如圖所示 Figure 8在給定輸入Vi 與負載擾動輸入io 共同作用下下,閉環(huán)輸出Vo (s 為(1(1(23232s Io K s K s K rC LCs r Ls s s Vi K s K s K rC LCs K s K s K Vo i P d i P d i P d +-+= 其閉環(huán)特征方程(s D 為i P d K K s K rC

9、LCs s D +=1(23 主導(dǎo)極點21、S 為2211r r r r j S -±-=、非主導(dǎo)極點3S 為105(3-=-=n n S r r 期望的特征方程(s D r 為(2(22321r r r r r r r r r n s s s s s s s s s D +=-= 根據(jù)極點配置法求解,得rC LC n K r r d -+=2( 112(22-+=LC n K r r P LC n K r r i 3= r 是阻尼比 r 是自然振蕩頻率 L 為濾波電感 C 為濾波電容 當(dāng)8.0=r 、3500r =、10n =、=6.0r 時,代入到(11-6、(11-7、(11-

10、8中求得8825.108=P K 222950=i K 02176.0=d K2.4電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)將濾波電感電流或濾波電容電流瞬時值作為反饋量引入控制系統(tǒng),設(shè)置電流內(nèi)化改善系統(tǒng)動態(tài)性能雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型有三種情況 Figure 9 (a Figure 10 (b Figure 11 (c 如圖a 所示,模型1中負載擾動在內(nèi)環(huán)之外,其優(yōu)點是能方便的實現(xiàn)逆變器的過流保護,但對負載擾動的抗干擾性弱。如圖b 所示,模型2中負載擾動在內(nèi)環(huán)之內(nèi),其對負載擾動的抗擾性能要強于模型1,但其電感電流不受限制,不能通過限流實現(xiàn)對逆變器的保護。如圖c 所示,模型3中引入了負載電流前饋補償,電感

11、電流受到了限制,系統(tǒng)也能根據(jù)負載擾動的變化及時的調(diào)整,抗擾性也比較好。雙閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)特征方程(s D 為LC KK s LC K K K K s LC CK K K s LCK rC s s D ii i P i P i P P p+=四階系統(tǒng)期望閉環(huán)主導(dǎo)極點21、S 為2211r r r r j S -±-=、非主導(dǎo)極點3S 、4S 為r r m S -=3r r n S -=4 期望的四階系統(tǒng)特征方程(r s D 為(2(22r r r r r r r r n s m s s s s D += 根據(jù)極點配置法求解,得420r r LCmn a = 3212(r r r mn n m LC a += 22222(1r r mn n m LC a += r r n m LC a 2(3+= P i PK CK a K 22211-ii K a K 201=r C a K P -=321(02222122232=-+-+a K K K a K a CK P i P i i將8.0=r 3500=r 10=n m =6.0r ,代入式子求得901024.6=a 611030.3=a 4025.7212=a 04.03=a0923.3072=P K 059.532=i K 3459.21=P K 7326.52671=i K2.5 電路仿真模型電