单相桥式不可控整流-逆变电路

1、九诚琴旣JIU JIANG UNIVERSITY电力电子技术课程设计题 目单相桥式不可控整流-逆变电路院 系电了工程学院专 业自动化姓 名曾志成 黄家平年 级 A1031指导教师张波2013年6月摘要随着科学技术的不断进步，电气工程与自动化技术正以另人瞩目的发展速度，改变 着我国工业的整体面貌。同时对社会的生产方式，人们的生活方式和思想观念也产生了 重大的影响，并在现代化建设中发挥着越来越重要的作用。随着与信息科学，计算机科 学和能源科学等相关科学的交叉融合，它正向智能化，网络化和集成化的方向发展。电 力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术， 就是使用电力电子器件对电能进 行变换和控制

2、的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百 MW 甚至 GW， 也可以小到数 W 甚至 1W 以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术 主要用于电力变换。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术 （ 整流，逆变，斩波，变频， 变相等 ）两个分支。现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课， 在培养该专业人 才中占有重要地位。电力电子技术的应用十分广，包括：一般工业，交通运输，电力系统，通信系统， 计算机系统，新能源系统等，在家用领域更是明显！MATLAB 软件是由美国 Math Works 公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计 算软件系统，被誉为“巨

3、人肩上的工具” MATLAB 早期主要用于控制系统的仿真，经 过不断扩展已经成为包含通信电气工程优化控制等诸多领域的科学计算软件，可以用 于电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真。关键词：电力电子技术； MATLA；B 计算机仿真目录1. 设计的任务 41.1 设计的目的 41.2 设计的任务 42电力电子技术与 MATLAB 42 1 电力电子技术基本概念 422 电力电子技术的基本应用 523 电力电子技术 MATLAB 实践的特点 52. 4 MATLAB(simulink) 简介与使用 62.4.1 MATLAB(simulink) 简介 62.4.2 MATLAB(simulink)

4、的基本使用 73. 单相桥式不可控整流 -逆变电路的原理 73.1 单相桥式不可控整流原理 73.2 单相桥式 PWM 逆变电路及其控制方法 94单相桥式不可控整流逆变电路的仿真模型的建立 1241单相桥式不可控整流逆变电路的仿真模型 124.2仿真模型使用模块提取及其参数设置 124.2.1 各模块的提取与使用 124.2.2 各模块参数的设置 135. 本设计仿真的分析与结论 165.1 仿真分析 165.2 仿真的结论 19参考文献 20致谢 211. 设计的任务1.1设计的目的通过一学期的对电力电子技术的学习，我对电力电子中的基本电路如整流电路、 逆变电路、DC/DC变换电路、交流电力

5、控制电路等的工作原理及分析方法都有了比较深 入的认识；对保护电路及电力电子器件的缓冲电路也了解了一些；也认识到了电力电子 技术在当今社会各方面的广泛应用。但是，仅仅了解了书本上的理论知识而不会把它们 应用到实际中去，这不能叫真正掌握了一门技术。只有学以致用、在实践中检验理论的 正确性，才是学习的好方法。随着实际应用中对电能的质量要求越来越高，对电能进行变换就显得非常必要。本 文中所设计单相不可控控整流逆变电路正是在实际中应用非常广泛的一种电路，主要用于需要小功率的单相中频加热与机械零件淬火装置等。对这个电路的设计，既可以帮助 我巩固已经学过的电力电子技术的各方面的知识，也可以让我了解到在设计整

6、个电力电子装置中所要面临的各种问题，并且可以在前人总结的经典电路的基础上实现一些小的 创新。我相信，通过这次课程设计，一定可以锻炼我的思维能力和分析能力，对实践能 力的提高也会有所帮助。1.2设计的任务本设计的目的就是，设计一个单相整流-逆变电路，将单相50交流电源经过单相不 可控整流环节，进行LC滤波之后作为中间直流环节，再进入 PWM逆变，又一次经过LC 滤波之后，连接到需要不同于50HZ的交流单相负载。实现不同频率的要求的电能系统。 万用表检测不控整流桥与逆变桥的电力电子元件的电压与电流，示波器还检测出负载电压波形。2. 电力电子技术与 MATLAB2. 1电力电子技术基本概念电力电子技

7、术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件 （如晶闸管，GTQIGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电 力”功率可大到数百MWt至GW也可以小到数 W甚至1W以下，和以信息处理为主的信 息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。电能变换主要指电压、电流与频率的变换。所以电能转换的基本类型有四种，即 AC/DC变换、DC / AC变换、DC/DC变换、AC/AC变换。2. 2电力电子技术的基本应用一般工业领域：交直流电机、电化学工业、冶金工业；交通运输领域：电气化铁道、 电动汽车、航空、航海；电力系统领域：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿；电 子装

8、置电源领域：为信息电子装置提供动力；家用电器领域：“节能灯”、变频空调；其他领域：UPS 航天飞行器、新能源、发电装置其显著作用：(1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、 高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、 轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的 一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%,我国已将许多装置列入节能的推广应用项 目。(2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将

9、有 95% 的电能要经电力电子技术处理后再使用， 即工业和民用的各种机电设备中， 有95%与电 力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算 机作用的保证和基础。(3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频 化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达 到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。(4) 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子 技术与电力电子技术一体化，其发

10、展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。2. 3电力电子技术 MATLA实践的特点电力电子技术中有关电能的变换与控制过程，有各种电路原理的分析与研究、大量 的计算、电能变换的波形测量、绘制与分析等，这些工作特别适合MATLAB的使用。首先，MATLAB运算功能强大，它提供的向量、复数运算、符号运算、常微分方 程的数值积分运算等，这些都是在交流电的可控整流、直流电的有源逆变与无源逆变里 大量存在的：整流输出直流的平均值、有效值与电路功率因数计算、控制角、导通角与 最小逆变角的计

11、算等课题，用 MATLAB求解既简单方便又精确快捷。其次，MATLAB的SimPowerSystems实体图形化仿真模型系统，把代表晶闸管等 各种实物的特有图形符号，连接成一个整流装置电路、一个逆变装置或是一个系统。这 种实体图形化模型的仿真更具有简单、方便、节省设计制作时间与低成本等特点。再有，变流技术讨论的电能转换与控制，需要对各种电压与电流波形进行测量、绘 制与分析，MATLAB提供的功能强大且使用方便的图形函数，特别适合完成此项任务。 坐标体系完整，线性类别丰富，颜色绚丽多彩，MATLAB绘制的图形尤其准确、清晰、精美，可以用来对电路的工作原理进行讨论和分析。最后，MATLAB界面友好

12、，使得从事自动控制的科技工作者乐于接触它，愿意使 用它。2. 4 MATLAB(simulink)简介与使用2.4.1 MATLAB(simuli nk)简介Simulink是MATLAB的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性 系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同 部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 (GUI)，这

13、个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了 一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各 种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了 Simulink多领域建模功能，也提供了用于 设计、执行、验证和确认任务的相应工具。 Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接 访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚

14、本的创建、 建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。242 MATLAB（simulink）的基本使用（1）将图片放在 matlab/work/文件夹下。（2） 使用语句“ I=imread（, Miss256G.bmp?） ”读入图像，注意这里需要扩展名 .bmp 。（3）然后在matlab的左侧中workspace中可看到变量I，如果没有的话，可在菜单 中设置显示该栏。（4）可以从点击“新建”按钮，显示“ New Mfile ”建立新m文件，可在该文件中 输入程序，然后保存该文件。然后点击运行“ run”按钮，可直接运行该程序。创建简单的Simulink的模型：1、 启动Simulin

15、k :命令窗中输入Simulink ；点击工具栏中的按钮。打开模型编辑 的窗口。2、根据具体问题建立数学模型。3、确定需要的仿真模块。仿真过程用示波器（Scope）来反映。（因本题未涉及具 体物理问题）。4、对模块进行操作，以方便模型的建立。5、连线。（特别注意端点的连接、分点的连接（右键）、信号线的移动、信号线 的标签（单左选中目标线，移开后双左）等）6、模块参数的设置。7、仿真输出。数学输出先双击示波器，对示波器设置然后仿真运行。非数学输出 必须先建立S函数，然后方可仿真运行。3. 单相桥式不可控整流-逆变电路的原理3.1单相桥式不可控整流原理本实验使用单相桥式不可控电路，也就是电力二极管

16、。桥式整流电路如图1所示,其中图（a）、（ b）、（ c）是它的三种不同画法。它是由电源变压器、四只整流二极 管D14和负载电阻RL组成。四只整流二极管接成电桥形式，故称桥式整流。()(b)（C）ittflLn图i单相拼武整流电路图1整流桥式整流电路的工作原理如图2所示。在U2的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止, 电流由Tr次级上端经D1 Rl f D3回到TR次级下端，在负载Rl上得到一半波整流电 压。擀式建弟趾路工杵时的电漂卉向Di Di导注H憫輝牡內曲冷打內科尉耶盘帀冋一團Z图2整流在u2的负半周，D1、D3截止，D2 D4导通，电流由Tr次级的下端经DM RLD4 回到Tr次级上

17、端，在负载RL上得到另一半波整流电压。这样就在负载RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整 流相同，即：UL = 0.9U2 IL = 0.9U2/RL。流过每个二极管的平均电流为：ID = IL /2 = 0.45 U2/RL.、每个二极管所承受的 最高反向电压为：Urm=1.414U2。3.2单相桥式PWM逆变电路及其控制方法目前中小功率的逆变电路几乎都采用 PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为 重要的应用场合。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是 电压型。其计算法和调制法分别如下：计算法：根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波

18、各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需 PWM波形。v4信号波载波调制 亠电路图3单相桥式PWM逆变电路调制法：输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左 右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信 号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。调制信号波为正弦波时，得到的就是 SPWM 波; 调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作 时V1和V2通断互补

19、，V3和V4通断也互补。其控制规律：Uo正半周，Vl通，也断，也和V4交替通断，负载电流比电压滞后， 在电压U正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，Vl和V4导通时，Uo 等于Ud，乂关断时，负载电流通过M和Vd3续流，Uo=O,负载电流为负区间，i0为负， 实际上从VD1和VD4流过，仍有U°=Ud，V4 断, V3通后，I。从V3和VD1续流，U°=0, Uo总 可得到Ud和零两种电平。U0负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，Uo可 得-Ud和零两种电平。AVD1R L|A叫单极性PWM控制方式（单相桥逆变）：在Ur和Uc的交点时刻控制I

20、GBT的通断。Ur正半周，V1保持通，V2保持断，当Ur>Uc时使V4通，V3断，Uo=Ud，当UyUc时使V4断，V3通，U0=0。Ur负半周，V1保持断，V2保持通，当UyUc时使V3通，V4断，Uo =-Ud , 当时使V3断，V4通，Uo=O，虚线U0f表示Uo的基波分量。波形见图4.图4单极性PWM控制方式波形4. 单相桥式不可控整流逆变电路的仿真模型的建立4. 1单相桥式不可控整流逆变电路的仿真模型QntFKr01rgTHTTrtfcX图5仿真模型图4.2仿真模型使用模块提取及其参数设置4.2.1各模块的提取与使用1、PWM发生器模块：Simuli nk'Simpow

21、er Systems'Power Electro nics'Discrete Con trol Blocks'Discrete PWM Gen erator2、信号终结模块Terminator：Simuli nk'Commo nly Used Blocks'Term in ator3、示波器Simuli nk/Si nks/Scope4、逆变桥模块Simuli nk'Simpower Systems'Power Electro nics'U niversity Bridge5、不可控整流桥模块也同样是 Simulink'S

22、impower Systems'Power ElectronicsUniversity Bridge,但是参数 需要修改。6、电压测量模块Simuli nk'Simpower Systems'Measureme nts'Voltage Measureme nt7、电源输入模块Simuli nk'Simpower Systems' Electro nical SourcesAC Voltage Source8万用表模块Simuli nk'Simpower Systems'Measureme nts'Multimeter4.2

23、.2各模块参数的设置交流电源模块：“ Phase 初相角 0, “Frequency” 频率 50Hz, “Sample time”采 样时间0 （默认值0表示该交流电源为连续源），“peak amplitude"当变频输出频率为 100Hz时置为600V* 2 ,当变频输出频率为50Hz时置为50V* 2 0 （下图为当频率为 50Hz时，电压数值为848.5V）,电源参数设置如图6所示。R Block Paramelers: AC V-oltage Source图6电源参数设置滤波电感L1:选择“ Series RLC Branch'模块，将参数“ Inductance(

24、H)”设置为: 80e-3。L1参数设置如图7所示H Block Parameters： LI 30mHSeiies KLC Branch 'nsEk； 二二nk；Ispl tss-Ris： a ifiri t« R1C branch.FLesis tsnc e .2'hzis；:OKCancelHelp图7 L1参数设置滤波电感L2:选择“ Series RLC Branch'模块，将参数“ Inductance(H)”设置为:30e-3。L1参数设置如图8所示。 Block Parnnet-ers; L2 30rnH图8 L2参数设置滤波电容C1:选择“

25、Series RLC Branch'模块，将参数“ Capaciatance(F)设置为: 1800e-6。C1参数设置如图9所示。图9 C1参数设置滤波电容C2：选择“ Series RLC Branch'模块，将参数“ Capaciatance(F)设置为: 320e-6。C2参数设置如图10所示 Block Parrneters; L2 30mH图10 C2参数设置5. 本设计仿真的分析与结论5.1仿真分析电压表输出图形如下面图11所示图11电压表图形其中电压表输出的为以下内容的数值：第一行：不可控整流二极管的端电压 Uswl与流经二极管的电流Iswl第二行：逆变桥IGBT管的端电压Uswl与流经IGBT管的电流Iswl 第三行：整流桥输出电压 Udc与逆变桥输入电压Ude。第四行：RL负载的端电压Ub与流经负载的电流Ib。然而频率为100Hz时示波器的输出图形就如下图12所示图12示波器输出1而频率为50Hz时，示波器输出波形如下图13所示图13示波器输出25.2仿真的结论输出负载电压波形还由示波器检测输出并且显示出来，当 PW