由IGBT组成的H桥型直流直流变换器的建模及应用仿真.doc

由 IGBT 组成的 H 桥型直流 直流变换器的建模及应用仿真 1 目录目录 1 引言引言 2 1 1 研究意义研究意义 2 1 2 研究内容研究内容 2 2 直流直流 直流变换器的工作原理直流变换器的工作原理 2 4 4 H H 桥桥 DC DCDC DC 变换系统的电路仿真模型建立与实现变换系统的电路仿真模型建立与实现 6 5 5 结论结论 12 心得体会心得体会 12 由 IGBT 组成的 H 桥型直流 直流变换器的建模及应用仿真 2 1 引言引言 1 1 研究意义研究意义 电能是现代工农业 交通运输 通信和人们日常生活不可缺少的能源 电能一般分为直 流电和交流电两大类 现代科学技术的发展使人们对电能的要求越来越高 不仅需要将将 交流电转变为直流电 直流电转变为交流电 以满足供电能源与用电设备之间的匹配关系 还需要通过对电压 电流 频率 功率因数和谐波等的控制和调节 以提高供电的质量和 满足各种各样的用电要求 这些要求在电力电子技术出现之前是不可能实现的 随着现代 电力电子技术的发展 各种新型电力电子器件的研究 开发和应用 使人们可以用电力电 子变流技术为各种各样的用电要求提供高品质的电源 提高产品的质量和性能 提高生产 效率 改善人们的生活环境 所谓变流就是指交流电和直流电之间的转换 对交直流电压 电流的调节 和对交流电 的频率 相数 相位的变换和控制 而电力电子变流电路就是应用电力电子器件实现这些 转换的线路 一般这些电路可以分为四大类 1 交流 直流变流器 2 直流 直流斩波调压器 3 直流 交流变流器 4 交流 交流变流器 本课题所要研究的是直流 直流斩波调压 1 2 研究内容研究内容 1 工作原理分析 2 系统建模及参数设置 3 波形分析 2 直流直流 直流变换器的工作原理直流变换器的工作原理 直流 直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 包括 直接直流变流电路和间接直流变流电路 直接直流变流电路也称斩波电路 它的功能是将 直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 一般是指直接将直流电变为另一直流电 这种情况下输入与输出之间不隔离 间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环 节 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离 因此也称为带隔离的直流 直 流变流电路或直 交 直电路 直流 直流变流器有多种类型 主要有降压变流器 升压 变流器和桥式直流变流器等 这里主要介绍桥式 H 型 直流变流器 电流可逆斩波电路虽可使电动机的电枢电流可逆 实现电动机的两象限运行 但其所能 提供的电压极性是单相的 当需要电动机进行正 反转以及可电动又可制动的场合 就必 须将两个电流可逆斩波电路组合起来 分别向电动机提供正向和反向电压 即成为桥式可 逆斩波电路 由 IGBT 组成的 H 桥型直流 直流变换器的建模及应用仿真 3 桥式直流 PWM 变流器又称 H 型变流器和四象限直流 直流变流器 桥式直流 PWM 变流器常用作直流电动机的可逆运行 其原理电路图如图 1 所示 PWM调制和驱动 Usa Uct Uvt1 Uvt4 Uvt2 Uvt3 图 1 桥式直流 PWM 变流器 采用 IGBT 开关管作为开关器件 负载为电感性 四个开关器件 VT1 和 VT4 VT2 和 VT3 两两成对 同时导通和关断 且工作于互补状态 即 VT1 和 VT4 导通时 VT2 和 VT3 关 断 反之亦然 控制开关器件的通断时间 占空比 可以调节输出电压的大小 若 VT1 和 VT4 的导通时间大于 VT2 和 VT3 的导通时间 输出电压的平均值为正 VT2 和 VT3 的导通时 间大于 VT1 和 VT4 的导通时间时 则输出电压的平均值为负 所以可用于直流电动机的可 逆运行 桥式可逆直流 PWM 变流器从控制方式上区分有双极式调制 单极式调制和受限单极式 调制三种 本课题所选用的是双极式调制 变流器四个开关器件的驱动一般都采用 PWM 方式 有调制波 三角波或锯齿波 与直流信号比较产生驱动脉冲 由于调制波频率较高 通常在数千赫兹以上 所以变流器输出电流一般连续 用于直流电动机调速时电枢回路 不用串联电抗器 但四个开关器件都工作于 PWM 方式开关勋耗较大 双极式调制的电路仿真模型如图 2 所示 图 2 双极式调制的电路仿真模型 相应参数设置 三角波使用 Repeating Sequence 模块不断的生成 三角载波的参数设置如图 3 所示 由 IGBT 组成的 H 桥型直流 直流变换器的建模及应用仿真 4 提取路径为 Simulink Sources Repeating Sequence 图 3 三角载波的参数设置 直流波使用 constant 模块不断的生成 直流波的参数设置如图 4 提取路径为 Simulink Sources constant 图 4 直流波的参数设置 关系运算模块关系类型 参数设置如下图 由 IGBT 组成的 H 桥型直流 直流变换器的建模及应用仿真 5 图 5 关系运算模块的参数设置 信号增益模块增益 1 参数设置如下图 图 6 信号增益模块增益 1 参数设置 双极性 PWM 控制电路仿真结果如图 7 所示 由 IGBT 组成的 H 桥型直流 直流变换器的建模及应用仿真 6 图 7 双极性 PWM 控制电路仿真结果 4 4 H H 桥桥 DC DCDC DC 变换系统的电路仿真模型建立与实现变换系统的电路仿真模型建立与实现 H 桥 DC DC 变换系统的电路仿真模型如图 由 IGBT 组成的 H 桥型直流 直流变换器的建模及应用仿真 7 图 8 H 桥 DC DC 变换系统电路模型 相应的参数设置 直流电压源参数 U 100V 图 9 直流电压源参数设置 IGBT 参数 Ron 0 001 Lon 1e 6H Vf 1V Rs 1e5 Cs inf 图 10 IGBT 参数设置 由 IGBT 组成的 H 桥型直流 直流变换器的建模及应用仿真 8 负载参数 R1 1000 L 0H C inf 图 11 负载 R1 参数设置 负载参数 R2 10 L 100e 3H C 500F 图 12 负载 R2 参数设置 此时的仿真结果如图 13 所示 由 IGBT 组成的 H 桥型直流 直流变换器的建模及应用仿真 9 图 13 直流波幅值为 0 6 时的仿真结果 增大直流基波的幅值 其参数设置如下图 14 由 IGBT 组成的 H 桥型直流 直流变换器的建模及应用仿真 10 图 14 直流波的参数设置 幅值为 0 9 此时的仿真结果如图 15 所示 图 15 直流波幅值为 0 9 时的仿真结果 改变直流基波的方向 其参数设置如下 图 16 直流波的参数设置 幅值为 0 6 此时的仿真结果如图 17 所示 由 IGBT 组成的 H 桥型直流 直流变换器的建模及应用仿真 11 图 17 直流波幅值为 0 6 时的仿真结果 根据以上设计而成的图 8 所示 H 桥 DC DC 变换系统电路模型和图 13 所示仿真结果可以看 出 仿真开始后晶体管 IGBT2 和 IGBT3 保持导通 负载两端为反向电压 随后 IGBT1 和 IGBT4 导通 负载两端为正向电压 电流的平均值为负值 电动机反向运转 根据图 13 和 图 15 可知增大直流基波的幅值可以增大电流的幅值 使电动机速度加快 根据图 13 和图 17 可知改变直流基波的方向 负载的电流平均值为正值 电动机正向运转 5 5 结论结论 本文对 H 桥 DC DC 变换系统电路进行了理论分析 建立了基于 MATLAB Simulink Power System 工具箱的 H 桥 DC DC 变换系统电路的仿真模型 其仿真结 果与理论分析十分吻合 达到了电动机负载在四象限运行的目的 验证了本文所建模型的 正确性 由 IGBT 组成的 H 桥型直流 直流变换器的建模及应用仿真 12 心得体会心得体会 电力电子的仿真实验终于告一段落了 在此之前对于 simulink 仿真的了解可以算得 上是从零开始吧 虽然在本科的时候学习过电力电子 有一定的学习基础 但是很多知识 也都是一知半解 对于仿真的学习更是一头雾水 但是经过这次的仿真练习 我自认为还 是学到了很多知识的 首先在课程的前一阶段 拿到课题以后 我便搜集了很多的资料 抱着学习的态度 想更多的学习电力电子知识 同时学好 simulink 仿真 但是在仿真过程中 还是遇到了不 少的难题 比如仿真参数的设置 示波器参数的调整等 但是经过一段时间的查阅资料和 不断改进 我的仿真还是有了很大的进展 这样一个过程使我的理论知识得到了试验和应用 使我的理论知识得到了进一步的提 高 总之 这次课程设计不但让我学到了很多的东西 提高和巩固了电力电子