方波逆变电路的设计.docx

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方波逆变电路的设计

《电力电子电路的计算机仿真》

综合训练报告

班级

姓名

学号

专业电气工程及其自动化

指导教师陈伟

2011年12月26日

摘要

本文主要介绍了基于matlab软件进行方波逆变电路的设计与仿真，以单向全桥方波逆变电路和三相全桥方波逆变电路为例，阐述了使用虚拟电子实验平台进行模拟电路仿真分析的具体方法，了解利用虚拟电子实验平台仿真电路的优点，并且将实验结果与理论知识分析比较，分析实验结果与理论知识产生差异的原因。

关键字：

matlab软件；方波逆变电路；仿真；

目录：

第一章绪论1

第二章设计内容及技术要求2

第三章主电路图工作原理说明3

3.1逆变电路的基本工作原理3

3.2逆变电路换流方式及分类3

3.3电压型逆变电路5

第四章方波逆变电路的计算机仿真模型的建立11

4.1单项桥式方波逆变电路仿真11

4.2三相桥式方波逆变电路仿真14

4.3仿真波形分析18

第五章　总结19

第六章参考文献20

第一章绪论

20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以交换和控制，产生了现代各种高效节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，楼宇办公家庭自动化提供了现代化的高薪技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产生活发生了巨大变化。

MATLAB软件是由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算机软件系统被誉为“巨人肩上的工具”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。

因此本课题在MATLAB的基础上进行电力电子方波电压逆变电路电路的仿真，运用现代仿真技术研究和比较各种电力电子方波电压逆变电路。

第二章设计内容及技术要求

2.1matlab部分

（1）熟悉matlab使用环境。

（2）初步掌握matlab的基本应用，包括数据结构、数值运算、程序设计以及绘图等。

（3）熟悉simulink系统仿真环境，包括simulink工作环境、基本操作、仿真模型、仿真模型的子系统、重要模块库等。

（4）初步掌握simpowersystems模型库及其应用。

（5）能够使用simpowersystems模型库进行电力电子电路的仿真分析。

2.2设计部分

（1）设计一单相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电压为380V，电阻负载，电阻1欧姆，电感2mh。

根据上述要求完成主电路设计。

（2）设计一三相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电压为530V，电阻负载有功功率1kw，感性无功功率0.1kvar。

根据上述要求完成主电路设计。

2.3仿真部分

（1）完成上述单相桥式方波逆变电路的计算机仿真，观察输出电压波形，系统输入电流波形、电压电路波形的谐波情况、不同仿真条件时系统输入输出的变化情况和理论分析的结果进行比较。

（2）完成上述三相桥式方波逆变电路的计算机仿真，观察输出电压波形，系统输入电流波形、电压电路波形的谐波情况、不同仿真条件时系统输入输出的变化情况和理论分析的结果进行比较。

第三章主电路工作原理

3.1逆变电路的基本工作原理

单相桥式逆变电路为例：

S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。

S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电。

改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。

图5-1逆变电路及其波形举例

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滞后于uo，波形也不同（图5-1b）。

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

3.2逆变电路换流方式及分类

换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。

开通：

适当的门极驱动信号就可使其开通。

关断：

全控型器件可通过门极关断。

半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。

研究换流方式主要是研究如何使器件关断。

1、器件换流

利用全控型器件的自关断能力进行换流（DeviceCommutation）。

2、电网换流

由电网提供换流电压称为电网换流（LineCommutation）。

可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。

3、负载换流

由负载提供换流电压称为负载换流（LoadCommutation）。

负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。

负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。

图5-2负载换流电路及其工作波形

基本的负载换流逆变电路：

采用晶闸管，负载：

电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。

电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感Ld，id基本没有脉动。

工作过程：

4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波。

负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦。

t1前：

VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uo

t1时：

触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。

t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。

3.3电压型逆变电路、

逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：

电压型逆变电路或电压源型逆变电路，

电流型逆变电路或电流源型逆变电路。

图5-1电路的具体实现。

图5-5电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）

电压型逆变电路的特点

（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动

（2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同

（3）阻感负载时需提供无功。

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

（1）单相电压型逆变电路

全桥逆变电路

电路结构及工作情况：

图5-5，两个半桥电路的组合。

1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°。

uo波形同图5-6b。

半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。

io波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。

输出电压定量分析

uo成傅里叶级数

（5-1）

基波幅值

（5-2）

基波有效值

（5-3）

uo为正负各180º时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。

移相调压方式（图5-7）。

可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。

各栅极信号为180º正偏，180º反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。

V3的基极信号只比

V1落后q（0

图5-7单相全桥逆变电路的移相调压方式

（2）三相电压型逆变电路

三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。

应用最广的是三相桥式逆变电路

可看成由三个半桥逆变电路组成。

180°导电方式：

每桥臂导电180º，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120º，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。

图5-9三相电压型桥式逆变电路

波形分析：

图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形

负载各相到电源中点N´的电压：

U相，1通，uUN´=Ud/2，4通，uUN´=-Ud/2。

负载线电压

（5-4）

负载相电压

（5-5）

负载中点和电源中点间电压

（5-6）

负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是

（5-7）

利用式（5-5）和（5-7）可绘出uUN、uVN、uWN波形。

负载已知时，可由uUN波形求出iU波形，一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似，桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。

定量分析：

a、输出线电压

uUV展开成傅里叶级数

（5-8）

式中，

，k为自然数

输出线电压有效值

（5-9）

基波幅值

（5-10）

基波有效值

（5-11）

b、负载相电压

uUN展开成傅里叶级数得：

（5-12）

式中，

，k为自然数

负载相电压有效值

（5-13）

基波幅值

（5-14）

基波有效值

（5-15）

防止同一相上下两桥臂开关器件直通，采取“先断后通”的方法。

第四章方波逆变电路的计算机仿真模型的建立

4.1单项桥式方波逆变电路仿真

单相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电压为380V，电阻负载，电阻1欧姆，电感2mh。

电路图：

参数设置：

电源：

IGBT：

电阻电感：

仿真波形：

改变参数：

电阻电感：

仿真波形：

4.2三相桥式方波逆变电路仿真

三相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电压为530V，电阻负载有功功率1kw，感性无功功率0.1kvar。

电路图：

参数设置：

电源：

IGBT：

有功功率和感性无功功率：

仿真波形：

改变参数：

有功功率和感性无功功率：

仿真波形：

4.3仿真波形分析

由图可以看出，单相桥式方波逆变电路中，如果将RL参数改变，输出波形将变化。

三相桥式方波逆变电路中，如果将RLC中有功功率和感性无功功率改变，输出波形也将发生变化。

以三相为例说明原因，单相与三相原因类似。

原因：

①输出电流波形随负载而变。

由图可见,A相电流iΑ可视为六阶梯波相电压uAO对负载ZΑ作用的结果。

iΑ的变化规律取决于ZΑ的性质。

在纯阻负载时，iΑ也为六阶梯波；在感性负载时则分段按指数曲线升降等。

　　②只有单方向传递功率的功能。

由于直流电源是由晶闸管组成的相控整流电路，其输出电流id方向不能改变；直流侧又并联大电解电容Cd，因此输出电压平均值Ud极性也不能改变，因此逆变入端功率平均值PB恒大于零，即电能只能由直流侧经逆变电路输向负载而不能沿相反方向由负载反馈回电网。

③故障电流较难抑制。

由于逆变入端并联大电容Cd，当逆变侧短路时，Cd中电能将释放出来，形成浪涌短路电流。

第五章总结

回顾本次课程设计，我们所做课题为单相和三相桥式方波电压逆变电路。

期间我们遇到许多问题。

其一，在使用MATLAB的过程中遇到的问题，在对这些问题的解决过程中渐渐学会一些关于这套软件的使用方法，在查找MATLAB软件使用方法的时候找到了相关的专业论坛，这为以后学习生活提供了很多帮助，可以在与别人的交流过程中学到更多的知识。

其二，仿真过程中遇到的问题.比如，在用设计要求所给电压调试时，将会出现上下限过大，以至于在仿真波形中不能看到上限和下限，即不能在示波器中看到完整的波形图，所以在本课设中为了使仿真图形一目了然，我所采用的电压与要求所给电压不同，但原理相同，我此次课设所采用电压三相电压为300v单相电压为150v。

还有出现的问题就是器件选错不能连接的问题。

还有许多其他小问题，我们都一一解决。

总之，到今天课程设计基本完成，我深刻的体会了“实践是检验真理的唯一标准”这句话。

所学知识如果不能用于实践，就不能深刻理解起含义。

光了解课本知识是不够的，还要善于利用各种工具获得需要的资源，而且加深了对各种知识的理解，也对将来走向社会积累了经验。

第六章参考文献

［1］王兆安等。

电力电子技术（M）。

北京：

机械工业出版社，2011。

［2］李传琦。

电力电子技术计算机仿真实验（M）。

北京：

机械工业出版社，2006

［3］王兴贵，陈伟，现代电力电子技术（M）,机械工业出版社2010

［4］电力电子技术计算机仿真实验（M），机械工业出版社2006

［5］李维波，MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社，2007

［6］汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥，基于PWM的逆变电路分析，《现代电子技术》2008年第1期总第264期。