毕业设计基于MATLAB的三相正弦波变频电源的设计.docx

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毕业设计基于MATLAB的三相正弦波变频电源的设计

毕业设计（论文）

题目三相正弦波变频电源仿真设计

专业电气工程及其自动化

第一章变频器概述

1.1.变频电源的原理………………………………………………….3

1.2.变频电源的特点及应用………………………………………….3

1.3.MATLAB简介及仿真技术………………………………………4

1.4.MATLAB仿真技术在电力电子中的应用………………………6

1.5.本论文完成内容………………………………………………….8

第二章变频器硬件设计

2.1整流单元及供电电源…………………………………………….9

2.2逆变输出装置及其驱动电路…………………………………....10

2.3滤波输出及过压过流缺相检测与保护…………………………14

2.4变频电源的控制…………………………………………………17

第三章变频器软件设计

3.1控制模块设计…………………………………………………....21

第四章变频器的MATLAB仿真

4.1MATLAB在电力电子中的应用………………………………...25

1电力系统工具箱…………………………………………………..25

2MATLAB在变频器中应用及仿真框图…………………………27

第五章结语………………………………………………………...…..34

摘要:

本文采用MATLAB对变频电源进行系统分析。

基于Simulink做了系统仿真，并做了原理性的论证。

硬件部分采用IT公司的低功耗单片机MSP430F149作为主控器件，IR2130驱动3相功率管。

控制方式采用传统的SPWM，用SPWM专用集成芯片SM2001产生SPWM信号以控制IR2130的通断。

系统采用PI反馈控制使硬件系统具良好的稳压功能。

另外本文在硬件设计中对变频电源的过流，过压，缺相等保护功能进行了阐述。

第一章变频器概述

由于我国市电频率固定为50Hz，因而对于一些要求频率大于或小于50Hz的应用场合，则必须设计一个能改变频率的变频电源系统。

目前最常用的是三相正弦波变频电源。

该电源系统主要由整流、逆变、控制回路3部分组成。

其中，整流部分用以实现AC／DC的转换；逆变部分用以实现DC／AC的转换；而控制回路用以调节电源系统输出信号的频率和幅值。

1-1变频电源的原理

经过AC→DC→AC变换的逆变电源称为变频电源，它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。

变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定的纯净的正弦波电源。

理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。

变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。

变频电源主要有二大种类：

线性放大型和PWM开关型HY系列程控变频电源，以微处理器为核心，以多脉宽调制（MPWM）方式制作,用主动元件IGBT模块设计，采用数字分频、D/A转换、瞬时值反馈、正弦脉宽调制等技术,使单机容量可达100kVA,以隔离变压器输出来增加整机稳定性,具有负载适应性强、输出波形品质好、操作简便、体积小、重量轻等特点，具有短路、过流、过载、过热等保护功能，以保证电源可靠运行。

现在使用的变频电源主要采用交一直一交方式,先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源.变频电源的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成.整流部分为单相或三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率.变频电源的主电路大体上可分为两类，分别为电压型和电流型。

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波器件是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波器件是电感。

1-2变频电源的特点及应用

20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。

在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。

交流变频电源调速技术在工业发达国已得到广泛应用。

美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。

　　采用变频电源调速，一是根据要求调速用，二是节能。

其得到广泛应用主要基于交流变频调速的优异特性。

（1）变频调速系统自身损耗小，工作效率高。

（2）电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。

　　（3）可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击，节电效果明显。

　　（4）调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。

　　（5）调速范围较大，精度高。

　　（6）变频电源体积小，便于安装、调试、维修简便。

　　（7）易于实现过程自动化。

　　（8）在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

　　交流电动机的调速方法有三种：

变极调速、改变转差率调速和变频调速。

其中，变频调速最具优势。

 交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。

在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频电源调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。

工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频电源调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。

另外变频电源也用作制造或出口贸易商对出口电器产品的用电检测、调试及用于精密仪器的供电电源。

广泛应用于家电制造业、电机、电子制造业、IT产业、电脑设备、实验室等。

★家电业制造商如：

空调设备、咖啡机、洗衣机、榨汁机、微波炉、收录音机、冰箱、DVD、洗尘器、电动剃须刀等产品的测试电源。

★电机、电子业制造商如：

交换式电源供应器、变压器、电子安定器、AC风扇、不断电系统、充电器、继电器、压缩机、马达、被动元件等产品的测试电源。

★IT产业及电脑设备制造商如：

传真机、影印机、碎纸机、印表机、扫描器、烧录机、伺服器、显示器等产品的测试电源。

★实验室及测试单位如：

交流电源测试、产品寿命及安全测试、电磁相容测试、OQC（FQC）测试、产品测试及研发、研究单位最佳交流电源。

★航空/军事单位如：

机场地面设施、船舶、航天、军事研究所等的测试电源。

★铁路、高速公路：

25Hz、静频信号电源。

1-3MATLAB简介及仿真技术

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件。

该软件是一个交互式系统，它的基本数据元素是矩阵，且不需要指定大小。

通过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题，有时还能写入非交互式语言如c和fortran等。

广泛用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。

附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。

Matlab具有起点高，人机界面适合科技人员，强大而简易的做图功能，智能化程度高和功能丰富，可扩展性强的优点。

它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。

MATLAB语言在各国高校与研究单位起着重大的作用。

MATLAB以矩阵作为基本编程单元，它提供了各种矩阵的运算与作，并有较强的绘图功能。

MATLAB集科学计算、图像处理、声音处理于一身，是一个高度的集成系统，有良好的用户界面，并有良好的帮助功能。

MATLAB不仅流行于控制界，在机械工程、生物工程、语音处理、图像处理、信号分析、计算机技术等各行各业中都有极广泛的应用。

1.Simulink

自Mathworks公司于1998年推出了Matlab5.2版以后，在Simulink中就开始增加了PSB模块集，它主要由加拿大的HydroQuebec和TECSIMInternation-al公司共同开发的，其功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前会自动将其变成状态方程描述系统形式，然后在Simulink下进行仿真分析。

Simulink是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包，它支持线形和非线性系统，能在连续时间，离散时间或两者的复合情况下建模。

系统也能采用复合速率，也就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新。

Simulin提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。

在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。

它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。

simulink拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。

同时也能自己定义和建立自己的块。

模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。

可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。

这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。

在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用simulink的菜单或matlab命令窗口的命令键入。

菜单的独特性便于交互式工作，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。

使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。

进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到matlab工作空间来做后处理和可视化。

上作均为所见即可得方式，用拖曳方式即可完成，同时支持鼠标右键快捷方式，对于复杂的交流电路，电力电子电路，动态电路和电气传动系统的仿真分析，无需编程，更感方便，可以节省大量的计算时间和耗材，大大提高了工作效率。

模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从matlab命令行直接访问，同时还有很多matlab的toolboxes中的工具。

因为matlab和simulink是一体的，所以可以仿真，分析，修改模型在两者中的任一环境中进行，让用户更为方便。

2.系统仿真技术概述

系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的具有某种特定功能的有机整体。

系统的分类方法是多种多样的，习惯上依照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统。

工程系统的含义是指由相互关联部件组成的一个整体，以实现特定的目的。

例如电机驱动自动控制系统是由执行部件、功率转换部件、检测部件所组成，用它来完成电机的转速、位置和其他参数控制的某个特定目标。

非工程系统的定义范围很广，大至宇宙，小至原子，只要存在着相互关联、相互制约的关系，形成一个整体，实现某种目的的均可以认为是系统。

如果想定量地研究系统地行为，可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象出来，构造出系统的模型。

系统的模型分为物理模型和数学模型。

由于计算机技术的迅速发展和广泛应用，数学模型的应用越来越普遍。

系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式，用来表示系统运动过程中的各个量的关系，是分析、设计系统的依据。

从它所描述系统的运动性质和数学工具来分，又可以