电力电子装置课程设计

摘要随着电力电子技术、运算机技术、自动操纵技术的迅速进展，交流变频调速技术取得了迅速进展，其显著的节能效益，高精准的调速精度，宽泛的调速范围，完善的爱惜功能，和易于实现的自动通信功能，取得了广大用户的认可，在运行的平安靠得住、安装利用、维修保护等方面，也给利用者带来了极大的便利。因此，研究交一直一交变频调速系统的大体工作原理和作用特性意义十分重大。本文研究了变频调速系统的大体组成部份，主回路要紧有三部份组成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”利用Matlab/Simulink搭建交一直一交变频调速系统的仿真模型，通过实验对该交一直一交变频器的大体工作原理、工作特性及作用有更深的熟悉，也对谐波关于交一直一交变频器的阻碍有了必然的了解。关键词：交一直一交变频，整流，逆变，simulink仿真，谐波1对要求的分析1.1整体结构原理图依照设计要求，本次设计的交流/交流变换器需要采纳两级电路，即先采纳AC/DC的整流电路，把380V的三相交流电变成直流电，再采纳DC/AC的变电路，把直流电变成三相交流电输出。结构原理图如图2-1所示：图1-1整体结构原理图1.2整流滤波电路整流器是一个整流装置，简单的说确实是将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。它有两个要紧功能：第一，将（AC）变成（DC），经后供给负载，或供给；第二，给提供充电。因此，它同时又起到一个的作用。近来大量利用的确实是二极管整流器，它把工频电源变换为直流电源，电功率的传送是不可逆的。在整流器整流后的直流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，另外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采纳直流电抗器和电容器吸收脉动电压（电流）。装置容量较小时，若是电源输出阻抗和整流器容量足够时，能够省去直流电抗器而采纳简单的阻容滤波回路。当流过电感的电流转变时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的转变。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部份电能转化成磁场能存储于电感当中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得滑腻，而且整流二极管的导通角增大。在电感线圈不变的情形下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RL>>3L时才能取得较好的滤波成效。L愈大，滤波成效愈好。另外，由于滤波电感电动势的作用，能够使二极管的导通角接近n，减小了二极管的冲击电流，滑腻了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。同整流器相反，逆变器的作用是在所确信的时刻里有规那么地使六个功率开关器件导通、关断，从而将直流功率变换为所需电压和频率的交流输出功率。要紧分两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。正弦波逆变器输出的是同咱们日常利用的电网一样乃至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的那么是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，如此，对负载和逆变器本身造成猛烈的不稳固阻碍。同时，其负载能力差，仅为额定负载的40—60%，不能带感性负载（详细说明见下条）。如所带的负载过大，方波电流中包括的三次谐波成份将使流入负载中的容性电流增大，严峻时会损坏负载的电源滤波电容。针对上述缺点，最近几年来显现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时刻距离，利用成效有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范围，持续性不行。总括来讲，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和本钱均高。交直交变频器的工作原理变频器原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能操纵装置。交一直一交变频器那么是先把交流电经整流器先整流成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行滑腻滤波，再通过逆变器把那个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。交一直一交变频器又能够分为电压型和电流型两种，由于操纵方式和硬件设计等各类因素，电压型逆变器应用比较普遍。传统的电流型交直交变频器采纳自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。采纳电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优良特点，能够明显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，而且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离。2主电路设计及仿真方案一：采纳三相半波整流电路。该整流电路在操纵角小于30°时，输出电压和输出电流波形是持续的，每一个晶闸管按相序依次被触发导通，同时关断前面已经导通的晶闸管，每一个晶闸管导通120°；当操纵角大于30。时，输出电压和输出电流的波形是断续的。当两个晶闸管同时导通时，即在换向重叠角部份，晶闸管经受的最大反向电压为线电压的峰值，而经受的最大正向电压为相电压的峰值。方案二：三相桥式不可控整流电路。该整流电路不需要对电路进行很复杂得操纵，而题目中的要求对整流的环节要求不是很严格。因此在那个整流的进程当选择方案二。2.1.2整流滤波电路设计在电容滤波器的三相不可控整流电路中，最经常使用的确实是三相桥式结构。考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路原理图如图2-1所：i•aRlR末i•aRlR末VD图2-1考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载供电，ud按指数规律下降。

设二极管在距线电压过零点8角处开始导通，并以二极管々6和VD1开始同(3-1)(3-2)时导通的时刻为时刻零点，那么线电压为ub=V6U2sin(①t+8)而相电压为u=V2U2sin(①t+8-?)(3-1)(3-2)在函=0时，二极管々6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于"油；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于u^。这两段导通进程之间的交替有两种情形，一种是在VD1和VD2同时导通之前VD1和VD6是关断的，交流侧向直流侧的充电电流七是断续的，另一种是VD1—直导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，七是持续的。介于二者之间的临界情形是，VD6和VDi同时导通的时期与VDi和VD2同时导通的时期在®t+8=2丸/3处恰好衔接了起来，七恰好持续。由“电压下降速度相等”的原那么，能够确信临界条件。假设在®t+8=2丸/3的时刻“速度相等”恰好发生，那么有dU6u2dU6u2sin(①t+8)]d㈣x也wt+8=3d“6Usin丑ewrc"'-(3-8)]}23d(①t)(3-3)e2kwt+0=3可得wRC=J3,这确实是临界条件。wRC>^3和wRC<73别离是电流，d断续和持续的条件。对一个确信的装置来讲，通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重。因此能够说，在轻载时直流侧取得的充电电流是断续的，重载时是持续的，分界点确实是R=v'3/(wC)。为了使直流负载取得滑腻的直流电流通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器Ld，称平波电抗器。其要紧参数有流过电抗器的电流，一样是已知的，因此电抗器参数计算主若是电感量的计算。使输出电流持续的临界电感量L1L1=0.693U2/七.,U2=220V计算得：I.=10%I=4.54A%=33.6mH(2)限制输出电流脉动的电感量L2L2=U2/Si-1疽U2=220V,Id=45.4ASi=10%计算得：L=48.5mH应选用48.5mH作为串入半波电抗器的电感值。整流器的仿真以上分析的是理想的情形，未考虑实际电路中存在的交流侧电感和为抑制冲击电流而串联的电感。当考虑上述电感时，电路的工作情形发生转变，其仿真进程如下：对一个电路的仿真需要分两步完成：建模和设置参数，运行仿真。下面以三相桥式不可控整流电路实验为例来介绍仿真的具体实现。仿真电路图如图2-2所示：图2-2整流电路仿真电路图仿真后取得的整流波形如图2-3所示:图2-3整流后波形方案一：采纳电流型全桥逆变电路。在电流型逆变电路中，直流输入时交流整流后，由大电感滤波后形成的电流源。此电流源的交流内阻近似于无穷大，他吸收负载的谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电流是幅值等于输入电流的方波电流。方案二：采纳电压型全桥逆变电路。在电压型逆变电路中，直流电源是交流整流后，由大电容滤波后形成的电压源。此电压源的交流内阻抗近似于零，他吸收负载端得谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电压幅值等于输入电压的方波电压。比较以上两种方案，电流型桥式逆变电路采纳的是半控器件晶闸管，可能显现换相失败等情形，致使逆变失败。电压型桥式逆变电路采纳的是全控器件IGBT，便于操纵。综上所述，选择方案二。逆变电路依照直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。那个地址采纳的电压型逆变电路，下面组成、原理和特性进行介绍：其大体原理图如图2-4所示：图2-4三相电压型桥式逆变电路电压型逆变电路要紧有以下特点：直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压大体无脉动，直流回路呈现低阻抗。由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，而且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗的情形的不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。采纳IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如图2-4所示能够看成由三个半桥逆变电路组成。图2-4电路的直流侧通常只有一个电容器就能够够了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出了假象中点N'。和单相半桥、全桥逆变电路相同，电压型三相桥式逆变电路的大体工作方式也是180°导电方式，即每一个桥臂的导电角度为180°，同一相(即同一半桥)上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。如此，在任一刹时，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。关于U相来讲，当桥臂1导通时，%=Ud/2，当桥臂4导通时，L=-Ud/2。因此，y的波形是幅值为Ud/2的矩形波。V、W两相的情形和U相类似，"、"的波形形状和"相同，只是相位依次相差120°。VN'WN'UN'

负载线电压uuv、"宙、u^可由下式求出设负载中点N与直流电源假想中点设负载中点N与直流电源假想中点N'之间的电压为u，NN'那么负载各相的u=u—uUVUNVNu=u-uVWVNWNu=u-uWUWNUN相电压别离为u=u-uUNUNNNu=u-uVNVNNNu=u-uWNWNNN+u)-1(uWN3UN+u+u)VNWN把上面各式相加并整理求得u,=—(u,+u)-1(uWN3UN+u+u)VNWN设负载为三相对称负载，那么有UUN+UN+UWN=0，故可得u=—(u+u+u)NN3UNVNWN由此能够得出：uNN,也是矩形波，但其频率为u频率的3倍，幅值为其1/3,即为Ud/6。下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出电压u^展开成傅里叶级数得u=2提Ud(sin①t一sin5wt-sin7①t+sin11wt+J_sin13wt一)uv兀571113=2""d[sin①t+^—(-1)ksinn①t]兀nn式中，n式中，n=6k+1;k为自然数。输出线电压有效值%为Uuv*』尸UUuv*』尸UUV2d①'=0.816Ud其中基波幅值Uuv1和基波有效值uuv1别离为危Ud=1.1UUUV]=U慌m=2^Ud=0.78U2U下面再来对负载的相电压%进行分析。把其展开成傅里叶级数得uUN丸2U—d~(sin①t+丸d-(sin①t+—sin5①t+—sin7①t+—sin11①t+^―2UuUN丸2U—d~(sin①t+丸571113^—sinn①t)nn式中，n=6k土1;k为自然数。负载相电压的有效值U为UNUuN2^j3兀u2Nd①t=0UuN2^j3兀u2Nd①t=0.471Ud其中的基波幅值UuN1m和UUN1别离为J1m=L=0.637UdUun1=。urm,=0.45Ud在上述的180°导电方式的逆变器中，为了避免同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引发直流侧电源的短路，要采取“先断后通”的方式。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留必然的时刻裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在二者之间留一个短暂的死区时刻死区时刻的长短要视器件的开关关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时刻就能够够越短。利用MATLAB软件对设计的整流部份进行仿真，仿真电路图如图2-5所示:4+RlLLFtL2图2-5逆变电路仿真图2-7电流波形将前面2.1的整流电路与2.2的逆变电路结合起来，用整流电路的输出电压作为逆变的路的输入电压，就能够够