單相電壓型全橋逆變電路及其simulink仿真含開(kāi)題報(bào)告

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)單相電壓型全橋逆變電路及其 simuli nk 仿真電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告課題名稱：?jiǎn)蜗嚯妷盒腿珮蚰孀冸娐芳捌?simulink 仿真完成時(shí)間： 2012.12.14指導(dǎo)老師：劉彬一） 簡(jiǎn)要背景說(shuō)明隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電路具有廣泛的應(yīng)用范圍。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)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(wú)脈動(dòng)； 輸出電壓為矩形波， 輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不 同；阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率， 為了給交流側(cè)向直流 側(cè)反饋的無(wú)功提供通道， 逆變橋各臂并聯(lián) 反饋二極管等特點(diǎn)而具

2、有廣泛的應(yīng)用范圍。 電壓型逆變電路主要用于兩方面：籠式交流電動(dòng)機(jī)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(yùn)行、無(wú)需頻繁起制動(dòng)和加、減速的場(chǎng)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。+o-OZVDJ圖 1 單相電壓型全橋逆變電路-14 -研究的目的及其意義在教學(xué)及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)單相電壓型全橋逆變電路及其控制與保護(hù)電路，并通過(guò) 使用 simulink 對(duì)課程中理論對(duì)電路進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步了解單相電壓型全橋逆變電路 的工作原理、 波形及計(jì)算。培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)綜合分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。在電力電子技術(shù)的應(yīng)用中，逆變電路是通用變頻器核心部件之一，起

3、著非常重要的 作用。逆 變電路是與整流電路相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電的電路。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(wú)源逆變電路 的應(yīng)用非常廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、太陽(yáng)能 電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源 向交流負(fù)載供電時(shí)，需要通過(guò)無(wú)源逆變電路；無(wú) 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(shè)備，如無(wú)源 逆變器與整流器組合為交 -直-交變頻器 （ 來(lái)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(wú)源逆變器輸出可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載 ）。當(dāng)電網(wǎng)提供的 50 Hz 工頻電源不

4、能滿足負(fù)載的需要，就需要用交-直 -交變頻電路進(jìn)行電能交換。如感應(yīng) 加熱需要較高頻率的電源；交流電動(dòng)機(jī)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(hù)電路的設(shè)計(jì) （ 畫(huà)出原理圖，標(biāo)明器件的 選擇）。4 完成單相電壓型全橋逆變電路的數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)。5 建立 simulink 仿真系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)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?fù)鋱D， 在 MATLAB 使用 simulink 工具 箱建立 相關(guān)控制模型

5、，設(shè)置模型參數(shù)后，通過(guò)仿真得到電路的電壓、電流結(jié)果，并對(duì)該 結(jié)果進(jìn)行分析。說(shuō)明書(shū)目錄摘要 5第一章設(shè)計(jì)總體思路 - 5一課題概述 5二設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) - 8一觸發(fā)電路 8二保護(hù)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(shè)置 - 10四仿真結(jié)果 15第五章 總結(jié)與體會(huì) - 17致謝 1819附錄一 三相整流電路的 simulink 仿真 附錄二 參考文獻(xiàn) - 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

6、交流電 (DC/AC) 的過(guò) 程。 整流與逆變一直都是電力電子技術(shù)的熱點(diǎn)之一，橋式整流是利用二極管的單向?qū)?通性進(jìn)行整流的最常用 的電路，常用來(lái)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(duì) 于特定的實(shí)驗(yàn)電路需要恰到好處的 時(shí)機(jī)和條件，基本原理和方法已成熟十幾年了，隨著我國(guó)交直流 變換器市場(chǎng)迅猛發(fā)展，與之相應(yīng)的核型技術(shù)應(yīng) 用于發(fā)展比較將成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。第一章設(shè)計(jì)總體思路一課題概述隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電路具有廣泛的應(yīng)用范圍。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、 不間斷 電源、 感應(yīng)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

7、基本無(wú)脈動(dòng)；輸出電壓為矩形波， 輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不 同；阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，為了給交流側(cè)向直流 側(cè)反饋的無(wú)功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián) 反饋二極管等特點(diǎn)而具有廣泛的應(yīng)用范圍。 電 壓型逆變電路主要用于兩方面：籠式交流電動(dòng)機(jī)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(yùn)行、無(wú)需頻繁起制動(dòng)和加、 減速的場(chǎng)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(shè)計(jì)基本思路1 主電路的設(shè)計(jì)(1) 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(2) 主電路保護(hù)設(shè)計(jì)(3) 主電路計(jì)算及元器件參數(shù)選型2 Simulink 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1) 電路模型的建立(2) 各元件的介紹(3)

8、模型參數(shù)的設(shè)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(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成uob)圖 2-2a)圖 2-1逆變電路及其波形舉例 : 圖 5-1 S1、S4 閉合， S2、S3 斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓 uo 為正 S1、S4 斷開(kāi)， S2、S3 閉合時(shí)，負(fù)載電壓 uo 為負(fù)S1.陥閉合 ,S 趴也斷開(kāi)時(shí)電路和波形圖圖 2-3Sa>出閉合 .Si> S4 斷開(kāi)時(shí)電路和波形圖圖 2-4改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率 電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同 阻感負(fù)載時(shí)， io 相位滯后于 uo

9、, 波形也不同a)圖 5-1 圖 2-5u圖 2-6t1 前： S1、S4 通，uo 和 io 均為正t1 時(shí)刻斷開(kāi) S1、S4, 合上 S2、S3，uo 變負(fù)，但 io 不能立刻反向io 從電源負(fù)極流出，經(jīng) S2、負(fù)載和 S3 流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋， io逐漸減小， t2 時(shí)刻降為零，之后 io 才反向并增大單相電壓型全橋逆變電路分析1 工作情況 ：180uol圖 2-8圖 2-71 和 4 一對(duì)， 2 和 3 另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)uo 波形同圖半橋電路的 uo, 幅值高出一倍 Um=Udio 波形和半橋中的 io 相同，幅值增加一倍VD

10、1 VD2 VD 1 VD2圖 2-9-342 輸出電壓定量分析uo 成傅里葉級(jí)數(shù)4Ud1 1（2-1）Uosin t sin 3 t sin 5 t3 5基波幅值(2-2)Uoim 處 1.27U d基波有效值2J2UdU oi0.9U d(2-3)uo 為正負(fù)各 180 °時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能改變 Ud 來(lái)實(shí)現(xiàn)第三章單元電路設(shè)計(jì)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QDTFF圖 3-1 D 觸發(fā)器原理：將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋活l率的脈沖或?qū)⒖刂菩盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋活l率的脈沖或脈沖群， 用這些脈沖控制無(wú)源逆變電路中的功率開(kāi)關(guān)元件的通斷，以控制逆變器 用這些

11、脈沖控 制無(wú)源逆變電路中的功率開(kāi)關(guān)元件的通斷。 它主要應(yīng)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(hào)的要求產(chǎn)生相應(yīng)頻率的輸出脈沖；確定逆變器各 功率開(kāi)關(guān)的驅(qū) 動(dòng)信號(hào)間的相位關(guān)系；產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)功率以驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)元件；完成功 率開(kāi)關(guān)元件和控制電 路之間的電隔離。保護(hù)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(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、 du?d、 di?dt 保護(hù)也是十分必要的 本次課程設(shè)計(jì)所采用的過(guò)電壓過(guò)電流保護(hù)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(guò)電壓或者過(guò)電流從而減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。緩沖電路

12、可分為關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路又稱為 du?dt 抑制電路，用于吸 收器件關(guān)斷過(guò)電壓和換相過(guò)電壓， 抑制 du?dt 減小關(guān)斷損耗。開(kāi)通緩沖電路又稱為 di ?dt 抑制電 路，用于抑制器件開(kāi)通時(shí)的電流過(guò)沖和 di ?dt 減小器件開(kāi)通損耗?？蓪㈥P(guān)斷緩沖 電路和開(kāi)通緩沖 電路結(jié)合在一起構(gòu)成復(fù)合緩沖電路。圖 3-3 保護(hù)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 (

13、 Pulse Generato 、串聯(lián) RLC 支路 (Series RLC Bran ch) 、電流表 (Curre nt Measureme nt) 電壓表 (Voltage Measureme nt) 示波器 ( Scope) 。三模型參數(shù)的設(shè)置直流電源參數(shù)設(shè)置Block Parameters; DC Voltage Source DC : sask 11nt:' Ieil X volt ife icurct.Far ust m 圖 4-22 IGBT 、 IGBT1 脈沖參數(shù)設(shè)置耳 Block Parameters: Pulse Gerterator-PulseOut put

14、pul ICCIE Mif (t= PhaE? D? Zi.r> Y (t) = AvlitudttY(t) s 0 tndPulKfi tfpt det ezsinfis th s copu t&tionMl tchnlquiG u?d? E&lvgr P ThilftirithiEi aTiM"teas? il if r? esmended fez with i varisbl-sSasiplthaEfiii is x? c： &BE<? ndtd fer ai? witk a fixad 毎 tt 口 so-lvtx diicx#t? por

15、tion a mod-el UEI a vaTiibl* step EG 1V ?T .Paiutttrs7 2nt?jp-r et vset-a-r 口 m 1_.DCancel陰P曲 ply |L圖 4-33 IGBT2 、 IGBT3 脈沖參數(shù)設(shè)置及波形：圖 4-4圖 4-54 IGBT 參數(shù)設(shè)置： spleitdLlt 山 I :GM Wdg In int*Trisl Iff on) sd int?rn<l Endue 七眄百匕 cHJsnai Cis:retzrati-cn of tae 1GBI iz-ai allel vlth d fC &nilL 七已i CX J

16、CU.1 t. Tn. an Eate lt>e IEiT 益EIH ± indflctin* (Ion) Tn -off"stat# tht IGBT wdel his :nfinit# imDdiri? ： * Th# set to ESTCb avs:lEtl= D3.1y tmc-JEt! tt ： E Eniversa_ Eridze sla-ck.Pala,* ESLEtan: e lrz=.k/ hc-T z.Eaiiir?zi=r.t pc -r tQICancel圖 4-6四仿真結(jié)果1 負(fù)載為電阻時(shí)RLC 參數(shù)設(shè)置 :圖 4-7負(fù)載為電阻時(shí)其電流及電

17、壓波形圖 4-82 負(fù)載為電感時(shí)電感參數(shù)設(shè)置圖 4-9負(fù)載為電感時(shí)其電流及電壓波形圖 4-103 阻感負(fù)載時(shí)阻感參數(shù)設(shè)置圖 411阻感負(fù)載時(shí)其電壓電流波形圖 4-12第五章總結(jié)與體會(huì)我們所學(xué)習(xí)的課程以及我們所處的專業(yè)決定了我們的學(xué)習(xí)必須與實(shí)際相聯(lián)系。 目前 電壓型逆變電路在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)于電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，做這樣一個(gè)設(shè)計(jì)是非常有意義的，也是非常必要的。 通過(guò)本次的課程 設(shè)計(jì)，我們所學(xué)知識(shí)都得到了進(jìn)一步的鞏固， 不但擴(kuò)展了視野，而且學(xué)會(huì)了用 MATLAB 進(jìn)行 simulink 仿真。從電路設(shè)計(jì)到畫(huà)圖，從參數(shù)設(shè)置到運(yùn)行結(jié)果，每一步看似簡(jiǎn)單卻又 都付出了好多

18、 心血去研究和調(diào)試。雖然設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中遇到很多的問(wèn)題，但這對(duì)于 我們來(lái)說(shuō)也是一種挑戰(zhàn) 和鍛煉的機(jī)會(huì)。也收獲了許多。通過(guò)這次學(xué)習(xí)，我們進(jìn)一步加深 了對(duì)電力電子技術(shù)的基本理論及 一些比較抽象的理論知識(shí)的理解， 對(duì)整流電路和逆變電 路的工作原理、各電路的控制電路都有了更深入的理解。在查閱大量相關(guān)資料的時(shí)，對(duì)當(dāng)前電壓型逆變電路領(lǐng)域和未來(lái)發(fā)展概貌也有了一定的了解。我們深深體會(huì)到書(shū)本上的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程中也略顯生澀。所以，要想更加深入得了解控制領(lǐng)域還需要我們不斷的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，才能夠保持與時(shí)俱進(jìn)。致謝 本次課程設(shè)計(jì)能夠順利完成，離不開(kāi)眾老師、 朋友、同學(xué)們的指導(dǎo)和支 持。本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)主要

19、是在指導(dǎo)老師的親切關(guān)懷和細(xì)心指導(dǎo)下完成的。 作為我 們 的任教老師，劉老師在以往的學(xué)習(xí)中給了我們很大的幫助， 我們對(duì)課程知識(shí) 的掌握他起到了很大作用，他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的 工作 作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成， 老師都 始終給 予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。 在此謹(jǐn)向老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的 敬意。此 外，也對(duì)本設(shè)計(jì)做出提議和修改意見(jiàn)的老師、 同學(xué)和朋友們表示感謝。附錄附錄一：三相整流電路的 simulink 仿真電路模型建立理幻崢加UnrrwlU5ZXFLEBGineratcr圖附錄 -1二參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果1 電壓設(shè)置電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)圖

20、附錄 -3-36 -A相:圖附錄 -2電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)k圖附錄 -7-40 -圖附錄 -42 晶閘管參數(shù)設(shè)置?I Block Parameters; Universal BridgeUniversal Bridge inask. (link.ThiE block i mplezient a bridgre- cf sele匚te-d pqwer elect r-q-n ICE deTi ces. Series 丘二 snLitb er G irculls are connec ted in PELTE 11 el 百匚七呂 each swideTri ce. Pr-es E Help fo

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22、 this block to fixe the 6 thrzistoxs of a. 6-pulse converter. The GiitpLit is n Via ctar of S pulses (O1) inlivi dually 唱廿土豈! 1 z the fi coo nt at ion v-oltaEes- Fulfies a_ri! cen&rited alofta tie trees after tJie increasing zero*er& s singa of the ccaautat ion. vcltages.F 自工口 電 t. 色FT tqus-ncy57nchrcmi Eation volt age# (HE):Puls- width (dtfzfta*)Double fuisiRi jEoxcJ |Helpippiy圖附錄 -64 電阻負(fù)載時(shí)電阻參數(shù)設(shè)置B Block Parameters; Series RL 匚 &ranch Series RLC &rsneh 血曲 1) 應(yīng)； Zsplesent s a. sriez RLC br