单相电压型全桥逆变电路及其simulink仿真-毕业论文(含开题报告)

电力电子技术课程设计电力电子技术课程设计 单相电压型全桥逆变电路及其 simulink 仿真 电力电子技术课程设计 - 2 - 开题报告开题报告 课题名称：单相电压型全桥逆变电路及其 simulink 仿真 完成时间：2012.12.14 指导老师：刘彬 (一)简要背景说明 随着电力电子技术的发展， 逆变电路具有广泛的应用范围。 交流电机调速用变频器、 不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。由于电压型逆变 电路具有直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波， 输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需要提供无功功率，为了给交流侧向直流 侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管等特点而具有广泛的应用范围。电 压型逆变电路主要用于两方面：笼式交流电动机变频调速系统。由于逆变电路 只具有单方向传递电能的功能，故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、 减速的场合。不停电电源。该电源在逆变输入端并接蓄电池，类似于电压源。 图 1 单相电压型全桥逆变电路 电力电子技术课程设计 - 3 - (二)研究的目的及其意义 在教学及实验基础上，设计单相电压型全桥逆变电路及其控制与保护电路，并通过 使用 simulink 对课程中理论对电路进行仿真实现，进一步了解单相电压型全桥逆变电路 的工作原理、波形及计算。 培养学生运用所学知识综合分析问题解决问题的能力。 在电力电子技术的应用中，逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要的 作用。逆变电路是与整流电路相对应，把直流电变成交流电的电路。逆变电路的基本作 用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可 调的交流电源。无源逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、太阳能 电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，需要通过无源逆变电路；无 源逆变 电路与其它电力电子变换电路组合形成具有特殊功能的电力电子设备，如无源 逆变器与整流器组合为交-直-交变频器(来自交流电源的恒定幅度和频率的电能先经整 流变为直流电，然后经无源逆变器输出可调频率的交流电供给负载)。当电网提供的 50 Hz 工频电源不能满足负载的需要，就需要用交-直-交变频电路进行电能交换。如感应 加热需要较高频率的电源；交流电动机为了获得良好的调速特性需要频率可变的电源。 (三)研究的主要内容 1单相电压型全桥逆变电路的原理。 2单相电压型全桥逆变电路的结构。 3单相电压型全桥逆变电路及其控制电路、保护电路的设计(画出原理图，标明器件的 选择)。 4完成单相电压型全桥逆变电路的数学模型的设计。 5建立 simulink 仿真系统进行建模，并对模型参数进行设置。 6仿真结果与分析。 (四)研究的主要方法和手段 首先建立单相电压型全桥逆变电路的电路拓扑图， 在 MATLAB 中使用 simulink 工具 箱建立相关控制模型，设置模型参数后，通过仿真得到电路的电压、电流结果，并对该 结果进行分析。 电力电子技术课程设计 - 4 - 说明书目录 摘要-5 第一章设计总体思路-5 一 课题概述-5 二 设计总体思路-5 第二章基本原理和框图-6 一 基本原理-6 二 单相电压型全桥逆变电路分析-7 第三章单元电路设计-8 一 触发电路-8 二 保护电路-10 第四章Simulink 仿真-10 一 电路模型的建立-10 二 各元件的介绍-10 三 模型参数的设置-10 四 仿真结果-15 第五章总结与体会-17 致谢-18 附录一三相整流电路的 simulink 仿真-19 附录二参考文献 -25 电力电子技术课程设计 - 5 - 摘要 逆变电路 所谓逆变，就是与整流相反，把直流电转换成某一固定频率或可变频率的交流电 (DC/AC)的过程。 整流与逆变一直都是电力电子技术的热点之一，桥式整流是利用二极管的单向导 通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转化为直流电。从整流状态变到有源逆变状态，对 于特定的实验电路需要恰到好处的时机和条件，基本原理和方法已成熟十几年了，随着我国交直流 变换器市场迅猛发展，与之相应的核型技术应用于发展比较将成为业内关注的焦点。 第一章设计总体思路 一 课题概述 随着电力电子技术的发展， 逆变电路具有广泛的应用范围。 交流电机调速用变频器、 不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。由于电压型逆变 电路具有直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波， 输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需要提供无功功率，为了给交流侧向直流 侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管等特点而具有广泛的应用范围。电 压型逆变电路主要用于两方面：笼式交流电动机变频调速系统。由于逆变电路 只具有单方向传递电能的功能，故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、 减速的场合。不停电电源。该电源在逆变输入端并接蓄电池，类似于电压源。 二 设计基本思路 1 主电路的设计 (1)主电路结构设计 (2)主电路保护设计 (3)主电路计算及元器件参数选型 2 Simulink 仿真系统设计 (1)电路模型的建立 (2)各元件的介绍 (3)模型参数的设置 (4)仿真结果 电力电子技术课程设计 - 6 - 第二章基本原理和框图 一基本原理 逆变电路的基本工作原理: S1S4 是桥式电路的 4 个臂，由电力电子器件及辅助电路组成 图 2-1图 2-2 逆变电路及其波形举例： S1、S4 闭合，S2、S3 断开时，负载电压 uo 为正 S1、S4 断开，S2、S3 闭合时，负载电压 uo 为负 图 2-3 图 2-4 负载 a)b) 图5-1 t S1 S2 S3 S4 io uo Ud uo io t1t2 电力电子技术课程设计 - 7 - 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率 电阻负载时，负载电流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同 阻感负载时，io 相位滞后于 uo，波形也不同 图 2-5图 2-6 t1 前：S1、S4 通，uo 和 io 均为正 t1 时刻断开 S1、S4，合上 S2、S3，uo 变负，但 io 不能立刻反向 io 从电源负极流出，经 S2、负载和 S3 流回正极，负载电感能量向电源反馈，io 逐 渐减小，t2 时刻降为零，之后 io 才反向并增大 二单相电压型全桥逆变电路分析 1 工作情况: 图 2-7 1 和 4 一对，2 和 3 另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通 180 图 2-8 负负载载 a)b) 图图5 5- -1 1 t S1 S2 S3 S4 io uo Ud uo io t1t2 t uo Um -Um 电力电子技术课程设计 - 8 - uo 波形同图半桥电路的 uo，幅值高出一倍 Um=Ud io 波形和半桥中的 io 相同，幅值增加一倍 图 2-9 2 输出电压定量分析 uo 成傅里叶级数 （2-1） 基波幅值 （2-2） 基波有效值 （2-3） uo 为正负各 180时，要改变输出电压有效值只能改变 Ud 来实现 第三章单元电路设计 一触发电路 该触发电路为 D 触发器触发 下图为 D 触发器和触发电路： t io t1t2 t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2 ttt U u 5sin 5 1 3sin 3 1 sin 4 d o d d o1m 27. 1 4 U U U d d 1o 9 . 0 22 U U U 电力电子技术课程设计 - 9 - 图 3-1D 触发器 原理： 将控制信号转变为某一频率的脉冲或将控制信号转变为某一频率的脉冲或脉冲群， 用这些脉冲控制无源逆变电路中的功率开关元件的通断，以控制逆变器 用这些脉冲控 制无源逆变电路中的功率开关元件的通断。 它主要应用于变频调速装置或不停电电源的 逆变器中。一般功能是：根据控制信号的要求产生相应频率的输出脉冲；确定逆变器各 功率开关的驱动信号间的相位关系；产生足够的驱动功率以驱动功率开关元件；完成功 率开关元件和控制电路之间的电隔离。 图 3-2触发电路 电力电子技术课程设计 - 10 - 二保护电路 在电力电子电路中, 除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用 合适的过电压保护、过电流保护、dudt、didt 保护也是十分必要的 本次课程设计所采用的过电压过电流保护电路如下图所示。该电路又称为缓冲电 路。 它的作用是抑制电力电子器件内因过电压或者过电流从而减小器件的开关损耗。 缓冲电 路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为 dudt 抑制电路，用于吸 收器件关断过电压和换相过电压， 抑制 dudt， 减小关断损耗。 开通缓冲电路又称为 di dt 抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和 di dt，减小器件开通损耗。可将关断缓冲 电路和开通缓冲电路结合在一起构成复合缓冲电路。 图 3-3保护电路 第四章Simulink 仿真 一一 电路模型建立 Simulink 仿真电路图如下： 电力电子技术课程设计 - 11 - 图 4-1 二各元件的介绍 本电路涉及 8 种元件，分别是直流电源（DC Voltage Source） 、绝缘栅双极晶体管 （IGBT） 、二极管（Diode） 、脉冲发生器（Pulse Generator） 、串联支路(Series RLC Branch)、电流表(Current Measurement)、电压表(Voltage Measurement)、示波器（Scope） 。 三模型参数的设置 1直流电源参数设置 图 4-2 电力电子技术课程设计 - 12 - 2IGBT、IGBT1 脉冲参数设置 图 4-3 电力电子技术课程设计 - 13 - 3IGBT2、IGBT3 脉冲参数设置及波形： 图 4-4 图 4-5 电力电子技术课程设计 - 14 - 4IGBT 参数设置： 图 4-6 四仿真结果 负载为电阻时 RLC 参数设置： 图 4-7 电力电子技术课程设计 - 15 - 负载为电阻时其电流及电压波形 图 4-8 负载为电感时 电感参数设置 图 4-9 电力电子技术课程设计 - 16 - 负载为电感时其电流及电压波形： 图 4-10 阻感负载时 阻感参数设置 图 4-11 电力电子技术课程设计 - 17 - 阻感负载时其电压电流波形： 图 4-12 第五章总结与体会 我们所学习的课程以及我们所处的专业决定了我们的学习必须与实际相联系。 目前 电压型逆变电路在工业自动化领域中得到了广泛应用。因此，对于电气工程及自动化专 业的学生来说，做这样一个设计是非常有意义的，也是非常必要的。 通过本次的课程 设计，我们所学知识都得到了进一步的巩固， 不但扩展了视野，而且学会了用 MATLAB 进行 simulink 仿真。从电路设计到画图，从参数设置到运行结果，每一步看似简单却又 都付出了好多心血去研究和调试。虽然设计和实现的过程中遇到很多的问题，但这对于 我们来说也是一种挑战和锻炼的机会。也收获了许多。通过这次学习，我们进一步加深 了对电力电子技术的基本理论及一些比较抽象的理论知识的理解， 对整流电路和逆变电 路的工作原理、各电路的控制电路都有了更深入的理解。在查阅大量相关资料的时，对 当前电压型逆变电路领域和未来发展概貌也有了一定的了解。 我们深深体会到书本上的 知识是远远不够的，在实现仿真过程中也略显生涩。所以，要想更加深入得了解控制领 域还需要我们不断的学习和实践，才能够保持与时俱进。 电力电子技术课程设计 - 18 - 致谢致谢 本次课程设计能够顺利完成，离不开众老师、 朋友、同学们的指导和支 持。本设计的实现主要是在指导老师的亲切关怀和细心指导下完成的。 作为我 们的任教老师， 刘老师在以往的学习中给了我们很大的帮助， 我们对课程知识 的掌握他起到了很大作用，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的 工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，老师都 始终给予我细心的指导和不懈的支持。 在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的 敬意。 此外， 也对本设计做出提议和修改意见的老师、 同学和朋友们表示感谢。 电力电子技术课程设计 - 19 - 附录附录 附录一附录一： 三相整流电路的 simulink 仿真 一电路模型建立 图 附录-1 二参数设置及仿真结果 1 电压设置 电力电子技术课程设计 - 20 - A 相： 图 附录-2 B 相 图 附录-3 电力电子技术课程设计 - 21 - C 相 图 附录-4 2 晶闸管参数设置 图 附录-5 电力电子技术课程设计 - 22 - 3 脉冲参数设置 图 附录-6 4 电阻负载时 电阻参数设置 图 附录-7 电力电子技术课程设计 - 23 - 波形 图 附录-8 5 阻感负载时 RL 参数设置 图 附录-9 电力电子技术课程设计 - 24 - 波形 图 附录-10 电力电子技术课程设计 - 25 - 附录二 参考文献 1 黄兆安、刘进军主编.电力电子技术.第五版.北京：机械工业出版社，2009 2 黄俊主编.电力电子变流技术M.北京：机械工业出版社，2004 3 彭鸿才主编.电机原理与拖动M.北京：机械工业出版社，1998 4 王兆安、黄俊主编.电力电子技术M.第 4 版.北京：机械工业出版社，1996 5 王离九主编.电力拖动自动控制系统M.武汉：华中理工大学出版社，1991 6 吴麒.自动控制原理M.北京：机械工业出版社，1990 7 谢宗安主编.自动控制系统M.重庆：重庆大学出版社，199