基于-SIMULINK交直交變壓變頻器中逆變器基于-SIMULINK交直交變壓變頻器中逆變器電力電子仿真

1、-. z課程設(shè)計論文任務(wù)書電氣學院電氣工程及其自動化 專業(yè) *班 一，課程設(shè)計論文題目交-直-交變壓變頻器中逆變器的仿真二，課程設(shè)計論文工作 自2021年 6 月20日至2011年6月26 日止三，課程設(shè)計論文要求：1利用matlab下的simulink和simpowersystems工具箱構(gòu)建逆變器的仿真模型。2要求對主電路和脈沖電路進展封裝。 3仿真參數(shù)為：E=100-300V; f=50Hz;交流電壓220V; h=0.0001s，其他參數(shù)自定。 4給出a角分別為0、30、90度時，負載為純電阻和阻感性負載兩種情況下的逆變電路的各種波形、包括觸發(fā)脈沖波形、相電壓和線電壓波形、電流波形和晶

2、閘管所承受電壓波形，要求采用subplot作圖。 5比擬仿真結(jié)果有何變化，給出自己的結(jié)論。 學生簽名：*2011年 6 月26 日 課程設(shè)計論文評審意見評閱人： 職稱： 年 月 日 基于SIMULINK的交-直-交變壓變頻器中逆變器的仿真*摘要：Matlab語言具備高效、可視化及推理能力強等特點，是目前工程界流行最廣的科學計算語言，而就電力電子而言，很多課程的相關(guān)實驗都與Matlab密不可分。本文以三相橋式全控逆變電路的仿真實例，表達了利用Matlab/Simulink對逆變電路進展建模仿真的方法，并給出了仿真結(jié)果波形。在忽略了一局部對誤差影響較小而使算法復(fù)雜度大大增加的因素，對其部電流、電壓

3、、電感及相位的相互關(guān)系進展了一系列定量分析，并通過對仿真結(jié)果分析就可以將系統(tǒng)構(gòu)造進展改良或?qū)⒂嘘P(guān)參數(shù)進展修改使系統(tǒng)到達要求的結(jié)果和性能，這樣就可以極加快系統(tǒng)的分析與設(shè)計過程。關(guān)鍵詞：逆變器；仿真；波形 ；電力電子目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc27233 第1章 引言5 HYPERLINK l _Toc8835 1.1引言5 HYPERLINK l _Toc17470 1.2 逆變電路概述5 HYPERLINK l _Toc25624 1.3 系統(tǒng)仿真技術(shù)概述6 HYPERLINK l _Toc2844 1.4 仿真軟件的開展狀況與應(yīng)用7 HYPERLINK

4、l _Toc326 1.5 MATLAB及SIMULINK概述8 HYPERLINK l _Toc8276 1.6 小結(jié)9 HYPERLINK l _Toc13563 第2章電路根本原理10 HYPERLINK l _Toc32327 2.1 交-直-交變壓變頻器的根本構(gòu)造10 HYPERLINK l _Toc13964 2.2 三相橋式全控逆變電路原理10 2.2.1帶負載時的工作情況11 HYPERLINK l _Toc25901 第3章 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計14 HYPERLINK l _Toc2681 3.1系統(tǒng)對象14 HYPERLINK l _Toc4061 3.2 系統(tǒng)封裝模塊14

5、HYPERLINK l _Toc17940 第4章 仿真電路設(shè)計 PAGEREF _Toc17940 15 HYPERLINK l _Toc30737 4.1 仿真電路的總體設(shè)計 PAGEREF _Toc30737 15 4.2 電路的各模塊設(shè)計及封裝15 4.2.1 電源15 4.2.2 觸發(fā)脈沖16 4.2.3 全控器件IGBT17 HYPERLINK l _Toc15983 第5章 電路仿真運行19 5.1 0電阻負載電路時仿真運行19 5.2 0阻感負載電路時仿真運行 24 5.3 30阻感性負載電路時仿真運行 26 5.4 90阻感性負載電路時仿真運行27 5.5 小結(jié)28 HYPE

6、RLINK l _Toc15983 第6章 結(jié)論29 HYPERLINK l _Toc9860 參考文獻：30第一章引言1.1 引言隨著大功率全控型電力電子器件GTO、IGBT、MOSFET、IGCT的開發(fā)成功和應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，電能變換技術(shù)出現(xiàn)了突破性進展。由于像逆變電源之類大功率電力電子裝置構(gòu)造復(fù)雜，直接對裝置進展試驗，耗資耗力，故借助計算機仿真技術(shù)對裝置的運行機理與特性、控制方法的有效性進展驗證，以預(yù)測并解決潛在的問題，同時縮短研制時間和減少研制費用。MATLAB軟件具有模擬、數(shù)字混合仿真功能，具備大量的模擬功能模型和系統(tǒng)分析能力，對于一個三相電壓型逆變電路建立仿真模型，能夠?qū)ζ漭敵鎏?/p>

7、性進展仿真分析。電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和交流技術(shù)整流，逆變，斬波，變頻，變相等兩個分支?，F(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)根底課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。電力電子智能化的進展，在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)一體化，其開展有可能引起電子技術(shù)的重大改革。有人甚至提出，電子學的下一項革命將發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備和電網(wǎng)為對象的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。1.2逆變電路概述逆變電路是與整流電路Rectifier相對應(yīng)，將低電壓變?yōu)楦唠妷?，把直流電變成交流電的電路稱為逆變電路。逆變電路是通用變頻器核心部件

8、之一，起著非常重要的作用。它的根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。當交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時，稱為有源逆變；當交流側(cè)直接和負載連接時，稱為無源逆變。逆變電路的應(yīng)用非常廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、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，就需要逆變電路。另外，交流電動機調(diào)速用變頻器、不連續(xù)電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心局部都是逆變電路。在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)中最常見的交流電源是由發(fā)電廠供電的公共電網(wǎng)中用線電壓方均根值為380V，頻率為50Hz供電制。由公共電網(wǎng)向交流

9、負載供電是最普通的供電方式。但隨著生產(chǎn)的開展，相當多的用電設(shè)備對電源質(zhì)量和參數(shù)有特殊要求，以至難于由公共電網(wǎng)直接供電。為了滿足這些要求，歷史上曾經(jīng)有過電動機發(fā)電機組和離子器件逆變電路。但由于它們的技術(shù)經(jīng)濟指標均不如用電力電子器件如晶閘管等組成的逆變電路，因而已經(jīng)或正在被后者所取代。為了滿足不同用電設(shè)備對交流電源性能參數(shù)的不同要求，已開展了多種逆變電路，并大致可按以下方式分類。按輸出電能的去向分，可分為有源逆變電路和無源逆變電路。前者輸出的電能不返回公共交流電網(wǎng)，后者輸出的電能直接輸向用電設(shè)備。按直流電源性質(zhì)可分為由電壓型直流電源供電的電壓型逆變電路和由電流型直流電源供電的電流型逆變電路。按主電

10、路的器件分，可分為：由具有自關(guān)斷能力的全控型器件組成的全控型逆變電路；由無關(guān)斷能力的半控型器件如普通晶閘管組成的半控型逆變電路。半控型逆變電路必須利用換流電壓以關(guān)斷退出導(dǎo)通的器件。假設(shè)換流電壓取自逆變負載端，稱為負載換流式逆變電路。這種電路僅適用于容性負載;對于非容性負載,換流電壓必須由附設(shè)的專門換流電路產(chǎn)生，稱自換流式逆變電路。按電流波形分，可分為正弦逆變電路和非正弦逆變電路。前者開關(guān)器件中的電流為正弦波，其開關(guān)損耗較小，宜工作于較高頻率。后者開關(guān)器件電流為非正弦波，因其開關(guān)損耗較大，故工作頻率較正弦逆變電路低。按輸出相數(shù)可分為單相逆變電路和多相逆變電路。1.3 系統(tǒng)仿真技術(shù)概述系統(tǒng)是由客觀

11、世界中實體與實體間的相互作用和相互依賴關(guān)系構(gòu)成的具有*種特定功能的有機整體。系統(tǒng)的分類方法是多種多樣的，習慣上依照其應(yīng)用圍可以將系統(tǒng)分為工程系統(tǒng)和非工程系統(tǒng)。工程系統(tǒng)的含義是指由相互關(guān)聯(lián)部件組成的一個整體，以實現(xiàn)特定的目的。非工程系統(tǒng)的定義圍很廣，大至宇宙，小至原子，只要存在著相互關(guān)聯(lián)、相互制約的關(guān)系，形成一個整體，實現(xiàn)*種目的的均可以認為是系統(tǒng)。如果想定量地研究系統(tǒng)地行為，可以將其本身的特性及部的相互關(guān)系抽象出來，構(gòu)造出系統(tǒng)的模型。系統(tǒng)的模型分為物理模型和數(shù)學模型。由于計算機技術(shù)的迅速開展和廣泛應(yīng)用，數(shù)學模型的應(yīng)用越來越普遍。系統(tǒng)的數(shù)學模型是描述系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學表達式，用來表示系統(tǒng)運動過程

12、中的各個量的關(guān)系，是分析、設(shè)計系統(tǒng)的依據(jù)。從它所描述系統(tǒng)的運動性質(zhì)和數(shù)學工具來分，又可以分為連續(xù)系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、離散事件系統(tǒng)、混雜系統(tǒng)等。還可細分為線性、非線性、定常、時變、集中參數(shù)、分布參數(shù)、確定性、隨機等子類。系統(tǒng)仿真是根據(jù)被研究的真實系統(tǒng)的數(shù)學模型研究系統(tǒng)性能的一門學科，現(xiàn)在尤指利用計算機去研究數(shù)學模型行為的方法。計算機仿真的根本容包括系統(tǒng)、模型、算法、計算機程序設(shè)計與仿真結(jié)果顯示、分析與驗證等環(huán)節(jié)。1.4計算機仿真軟件的概況 早期的計算機仿真技術(shù)大致經(jīng)歷了幾個階段：20世紀40年代模擬計算機仿真；50年代初數(shù)字仿真；60年代早期仿真語言的出現(xiàn)等。80年代出現(xiàn)的面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)為系統(tǒng)

13、仿真方法注入了活力。我國早在50年代就開場研究仿真技術(shù)了，當時主要用于國防領(lǐng)域，以模擬計算機的仿真為主。70年代初開場應(yīng)用數(shù)字計算機進展仿真4。隨著數(shù)字計算機的普及，近20年以來，國際、國出現(xiàn)了許多專門用于計算機數(shù)字仿真的仿真語言與工具，如CSMP，ACSL， SIMNOM， MATLAB/Simulink， Matri*/System Build， CSMP-C等。1.5Matlab及Simulink概述MATLAB是國際上仿真領(lǐng)域最權(quán)威、最實用的計算機工具。它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化數(shù)學軟件，被譽為巨人肩上的工具。MATLAB系統(tǒng)可分為五個局部:

14、1MATLAB語言。 這是一種高級矩陣語言，其有著控制流程狀態(tài)，功能，數(shù)據(jù)構(gòu)造，輸入輸出及面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。它既有小型編程的功能，快速建立小型可棄程序，又有大型編程的功能，開發(fā)一個完整的大型復(fù)雜應(yīng)用程序。2MATLAB的工作環(huán)境。 這是一套工具和設(shè)備方便用戶和編程者使用MATLAB。它包含有在你的工作空間進展管理變量及輸入和采集數(shù)據(jù)的設(shè)備。同時也有開發(fā)，管理，調(diào)試，( profiling M-files， MATLABs applications。)的系列工具。3圖形操作。 這是MATLAB的圖形系統(tǒng)。它包含有系列高級命令，其容包括二維及三維數(shù)據(jù)可視化，圖形處理，動畫制作，表現(xiàn)圖形。同時它也

15、提供低級命令便于用戶完全定制圖形界面并在你的MATLAB軟件中建立完整的用戶圖形界面。4MATLAB數(shù)據(jù)功能庫。 它擁有龐大的數(shù)學運算法則的集合，包含有根本的加，正弦，余弦功能到復(fù)雜的求逆矩陣及求矩陣的特征值， Bessel功能和快速傅立葉變換。5MATLAB應(yīng)用程序編程界面。 這是一個允許你在MATLAB界面下編寫C和Fortran程序的庫。它方便從MATLAB中調(diào)用例程(即動態(tài))，使MATLAB成為一個計算器，用于讀寫MAT-files。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標

16、操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、構(gòu)造和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進展建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同局部具有

17、不同的采樣速率。為了創(chuàng)立動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)立過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。1.6 小結(jié)利用MATLAB來仿真逆變電路的運行情況，減少了用實際硬件實驗的繁瑣，防止了用硬件實驗的各種誤差。Matlab軟件仿真電路可以幫助研究者更好更方便的了解逆變電路的特性，以便進一步改善其效率。第二章整流電路根本原理2.1 交-直-交變壓變頻器的根本構(gòu)造交-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流，如圖1所示。 圖2

18、-1 交-直-交變壓變頻器根本構(gòu)造圖2.2 三相逆變電路的拓撲圖交-直-交變壓變頻器中的逆變器一般接成三相橋式電路，以便輸出三相交流變頻電源，圖為6個電力電子開關(guān)器件VT1VT6組成的三相逆變器主電路，圖中用開關(guān)符號代表任何一種電力電子開關(guān)器件。圖2-2 三相電壓型電路拓撲圖帶電阻負載時的工作情況三相電壓型電壓型逆變電路只要實現(xiàn)功能就是將直流電壓變換成交流電壓。圖中V1V6的觸發(fā)脈沖具有如下特征：上下橋臂導(dǎo)通角相差，左右橋臂導(dǎo)通角相差。電路圖如下列圖2-3。以U相為例，當導(dǎo)通時，給下橋臂以關(guān)斷信號，則U相相對于直流電源假想中點輸出電壓。當關(guān)斷時，給以導(dǎo)通信號，則。但與的驅(qū)動信號始終是互補的，當

19、給加以導(dǎo)通信號時，可能導(dǎo)通，也可能是二極管續(xù)流導(dǎo)通，這是有阻感負載中電流方向決定，這就是三相橋式電路的雙極型調(diào)制特性。由上分析，的波形是幅值為的矩形波，V、M兩相情況跟U相類似。所以負載線電壓、為 圖2-3負載相電壓、為負載中點和電源中點間電壓為負載三相對稱時有，于是。所以也是矩形波，其頻率為的3倍，幅值為其，即。三相逆變輸出的電壓與電流分析類似，負載參數(shù)，以U相為例，負載的阻抗角不一樣，的波形形狀和相位都有所不同，在阻感負載下時，從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時，因負載電感中電流不能突變，先導(dǎo)通續(xù)流，待負載電流降為零，才開場導(dǎo)通。負載阻抗角越大，導(dǎo)通時間越長。在時，時為導(dǎo)通，時為導(dǎo)通；在時，時導(dǎo)通，時為導(dǎo)

20、通。、的波形與形狀一樣，相位一次相差。將三個橋臂電流相加可得到直流側(cè)電流。在上述導(dǎo)電方式逆變器中，我們采用先斷后通的方法來防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電壓短路，使得在通斷信號之間留有一個短暫的死區(qū)時間。第三章 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計3.1 系統(tǒng)對象本次研究對象為全控器件IGBT，直流電源，及脈沖，其局部參數(shù)為：T=0.02，E=220V3.2系統(tǒng)封裝模塊 電源直流電源，E=220V 脈沖。 6個脈沖，頻率50Hz，的觸發(fā)脈沖相位依次相差120，/相位依次相差180,各觸發(fā)脈沖占空比為50%，并且需把所有脈沖封裝起來，并設(shè)置觸發(fā)角。IGBT 頻率50Hz，把六個IGBT連成橋式電

21、路，并且封裝起來仿真詳細設(shè)計4.1 電路的總體設(shè)計整個仿真系統(tǒng)總體設(shè)計如圖4-1所示，其封裝的子模塊共有三個，分別為電源模塊，IGBT模塊，脈沖模塊。 圖4-1系統(tǒng)總體框圖4.2 電路的具體設(shè)計 電源在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的連接點便成為直流電源的中點。兩個大電容起穩(wěn)壓作用，此處，用兩個直流電源代替。 圖4-2 電源模塊框圖觸發(fā)脈沖以V1為基準，其他的IGBT在此根底上設(shè)置相位。 ：(a-360*3)/360*0.02：(a+180-360*3)/360*0.02：(a+120-360*3)/360*0.02：(a+420-360*3)/360*0.02：(a+240-

22、360*3)/360*0.02：(a+300-360*3)/360*0.02幅值：1 周期：0.02s 占空比：50%按如上設(shè)置各全控器件的觸發(fā)脈沖，最后把所有脈沖封裝成一個模塊，并設(shè)置觸發(fā)角a。 圖4-3 脈沖模塊框圖IGBT橋式電路主電路 該模塊是由六個IGBT組成的橋式逆變電路模塊，晶閘管參數(shù)設(shè)置如下： 橋式電路封裝模塊部構(gòu)造如下： 圖4-4 IGBT橋式電路模塊框圖系統(tǒng)仿真運行5.1 0電阻負載電路時仿真運行參數(shù)設(shè)置為：a=0，此時的電路仿真波形如下：subplot(6,1,1)plot(a.time,a.signals(1,1).values);a*is(0,0.06,0,1.5);

23、title(V1的觸發(fā)脈沖);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(6,1,2)plot(a.time,a.signals(1,2).values);a*is(0,0.06,0,1.5);title(V3的觸發(fā)脈沖);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(6,1,3)plot(a.time,a.signals(1,3).values);a*is(0,0.06,0,1.5);title(V5的觸發(fā)脈沖);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(6,1,4)plot(a.time,

24、a.signals(1,4).values);a*is(0,0.06,0,1.5);title(V2的觸發(fā)脈沖);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(6,1,5)plot(a.time,a.signals(1,5).values);a*is(0,0.06,0,1.5);title(V6的觸發(fā)脈沖);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(6,1,6)plot(a.time,a.signals(1,6).values);a*is(0,0.06,0,1.5);title(V4的觸發(fā)脈沖);*label(t/s);yla

25、bel(u/v);grid on各觸發(fā)脈沖波形圖 圖5-1直流電源波形圖5-2 電阻性負載時，相電壓、線電壓以及電流波形、IGBT所承受的電壓波形用subplot作圖，程序代碼如下:：clcsubplot(5,1,1)plot(a1.time,a1.signals(1,1).values);title(IGBT V1兩端的電壓波形u(V1);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(5,1,2)plot(a1.time,a1.signals(1,2).values);title(IGBT V1兩端的電流波形i(V1);*label(t/s);ylabel(i

26、/A);grid onsubplot(5,1,3)plot(a1.time,a1.signals(1,7).values);title(電壓 u(UN)的波形);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(5,1,4)plot(a1.time,a1.signals(1,8).values);title(電壓 u(VN)的波形);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(5,1,5)plot(a1.time,a1.signals(1,9).values);title(電壓 u(WN)的波形);*label(t/s);ylabe

27、l(u/v);grid on 圖5-3clcsubplot(4,1,1)plot(a1.time,a1.signals(1,3).values);title(相電流 iUN的波形);*label(t/s);ylabel(i/A);grid onsubplot(4,1,2)plot(a1.time,a1.signals(1,4).values);title(相電壓 uUN的波形);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(4,1,3)plot(a1.time,a1.signals(1,5).values);title(線電壓 u(UN)的波形);*label(

28、t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(4,1,4)plot(a1.time,a1.signals(1,6).values);title(電壓uNN)的波形);*label(t/s);ylabel(u/v);grid on 圖5-4對負載相電壓、相電流以及線電壓、全控器件兩端電壓的頻譜分析如下：負載相電壓頻譜圖 圖5-4 負載相電流頻譜圖 圖5-5線電壓頻譜圖 圖5-6 IGBT V1上電壓頻譜圖 圖5-75.20帶阻感負載時的仿真波形參數(shù)設(shè)置為：， 圖5-8 圖5-9各波形頻譜圖分析如下：相電流iUN的頻譜圖 圖5-105.330阻感性負載時的仿真波形 圖5-115.4 90阻感性負載時的仿真波形 圖5-145.5小結(jié)本次模擬主要仿真三相橋式電壓型逆變電路，從輸出圖形可以看出，電阻性和阻感性負載的負載電壓均呈正弦式，證明設(shè)計根本到達了