交流变化器仿真研究.docx

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交流变化器仿真研究

目录

1概论1

2方案论证2

2.1设计要求2

2.2设计方案2

3电路设计3

3.1整流电路3

3.2单相桥式PWM逆变电路3

4Matlab仿真模型5

4.1升压斩波电路仿真模型5

4.2PWM逆变电路仿真模型6

4.3PWM逆变电源仿真模型6

5仿真的实现8

5.1升压斩波电路仿真实现8

5.2PWM逆变电路仿真实现8

5.3PWM逆变电源仿真实现9

参考文献11

交流变化器仿真研究

1概论

近年来，随着各行各业的技术水平和操作性能的提高，它们对电源品质的要求也在不断提高。

为了高质量和有效地使用电能，许多行业的用电设备都不是直接使用交流电网提供的交流电作为电能源，而是根据用电设备的要求采用电力电子技术对电能进行变换，从而得到各自所需的电能形式。

而实现这一功能的装置就是交流变换器。

将一种频率变换为另一种频率的交流变换器称之为变频器。

从结构上看，变频电源可分为直接变频和间接变频两大类。

直接变频又称为交一交变频，是一种将工频交流电直接转换为频率可控的交流电，中间没有直流环节的变频形式。

间接变频又称为交一直一交变频，是将工频交流电先经过整流器成直流电，再通过逆变器将直流电变换成频率可变的交流电的变频形式，因此这种变频方式又被称为有直流环节的变频方式。

其中，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。

交一直一交变频是目前变频电源的主要形式。

本文所研究的变频电源即采用这种形式。

按照电压、频率的控制方式，交一直一交变频器一种主要结构是采用单相桥式全控整流器整流、脉宽调制型（PWM）逆变器同时实现调压调频方式。

此时全控整流提高了装置输入功率因数，减小了对电网的谐波污染，又因采用高开关频率的逆变器，输出谐波很小，性能优良。

本文所研究的交流变频器可以分为四个功能模块：

整流电路、逆变电路、输出滤波器和控制电路。

整流电路是一个单相AC／DC变换电路，功能是把AC220V／50Hz的电源进行整流滤波后转换成稳定直流电源供给逆变电路。

逆变电路是该电源的关键电路，其功能是实现DC／AC的功率变换，即在在控制电路的控制下把直流电源转换成单相SPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。

2方案论证

2.1设计要求

本次设计要求对输入的单相交流220V/50HZ，采用两级变换，AC/DC、DC/AC,输出220V/50Hz的交流信号，并利用Matlab建立仿真模型，得到最终的仿真波形。

2.2设计方案

根据要求，输入的是单相交流50HZ，输出的是50HZ，而且采用两级变换，因此属于交--直--交变频。

需要先对输入电压进行整流，电容滤波后再采用电压型单相桥式PWM逆变电路，利用调制电路设置信号波的频率50HZ，调制信号设置成50HZ的SPWM正弦波，最后利用LC滤波电路将得到的交流方波变成正弦波。

最终得要的就是220V，50HZ的交流电，满足设计的要求。

整体的设计系统框图如图一所示。

滤波电路

220V/50HZ

LC滤

波电路

PWM逆变电路

整流

电路

SPWM

触发信号

触发信号

图1系统结构框图

3电路设计

3.1整流电路

整流电路的原理图如图2所示。

该电路中使用一个全控器件。

图2单相桥式全控整流电路

在电源电压u2正半周期间，VT1、VT4承受正向电压，若在触发角α处给VT1、VT4加触发脉冲，VT1、VT4导通，电流从电源a端经VT1、负载、VT4流回电源b端。

当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。

在电源电压u2负半周期间，仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经过VT3、R、VT2流回电源a端。

到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。

此后又是VT1和VT4导通，如此循环的工作下去。

该电路的移向范围是0―π。

另外，由于该整流电路带的是反电动势负载，因而不是正半轴的任意时刻都能开通晶闸管的，要开通晶闸管必须在交流电瞬时值大于E的时候去触发。

提前触发的话，晶闸管会在E的作用下承受反向电压，无法导通。

3.2单相桥式PWM逆变电路

单相桥式PWM逆变电路原理图如图三所示。

该电路利用四个全控器件IGBT通过调制电路来进行控制。

图3单相桥式PWM逆变电路

图三是采用IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路。

设负载为阻感负载工作时有V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断状态互补。

在输出电压U0的正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。

由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周期电流有一段区间为正，一段区间为负。

在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，负载电压U0等于直流电压Ud；V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，U0=0.在负载电流为负的区间，仍是V1和V4导通时，i0为负，故i0实际上从VD1和VD4流过，仍有U0=Ud；V4关断，V3开通后，i0从V3和VD1续流，U0=0。

这样，U0总可以得到Ud和零两种电平。

同样，在U0为负的半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压U0可以得到-Ud和零两种电平。

单相桥式逆变电路采用双极性控制方式时，在Ur的半个周期内，三角波不是单极性，而是有正有负，所得的PWM波是有正有负。

在Ur的一个周期内，输出地PWM波只有±Ud两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。

仍然在调制信号Ur和载波信号Uc的交点时刻控制各开关器件的通断。

4Matlab仿真模型

Simulink是Matlab的仿真集成环境，是一个实现动态系统建模、仿真的集成环境。

它使Matlab的功能进一步增强，主要表现为：

①模型的可视化。

在Windows环境下，用户通过鼠标就可以完成模型的建立与仿真；②实现了多工作环境间文件互用和数据交换；③把理论和工程有机结合在一起。

利用Matlab下的Simulink软件和电力系统模块库（SimPowerSystems）进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过Simulink环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。

4.1升压斩波电路仿真模型

升压斩波电路仿真模型如下图四所示。

图4升压斩波电路仿真模型

该电路中开关器件用IGBT，控制IGBT的波形由PWM脉冲生成器PulseGenerator产生，PulseGenerator在SimulinkLibraryBrowser的Simulink下拉菜单Sources类别中。

绘制仿真图时，打开SimulinkLibraryBrowser，可以在分类菜单中查找所需元件，也可以直接在查找栏中输入元件名称，如PulseGenerator，双击查找。

找到元件后直接将其拖到新建Model文件窗口中即可。

电路中其他元件按以上方法找出，放入Model文件窗口中。

其中电阻、电感和电容元件，选择SimPowerSystems下拉菜单Elements类别中的SeriesRLCBranch，放入窗口后，双击该图标，在BranchType中选择相应类型，如电阻选R，电感选L，选择完毕后单击OK按钮。

放齐元件后，按升降压斩波电路原理图连接电路，为了方便观察输出，应在输出端加上电压测量装置VoltageMeasurement，并在Simulink下拉菜单CommonlyUsedBlocks类别中选择Scope，即示波器，以观测输出电压波形。

前半部分是升压斩波电路，直流电源为100V，利用方波脉冲来触发IGBT，通过控制开通和断开的时间来调节斩波之后的电压值，把方波脉冲信号的占空比设置成55.5%，这样输出地直流电压才是220V。

后半部是LC滤波电路，由于斩波电路中存在较大的纹波，因此加上LC滤波电路可以有效地减小纹波，从而达到更加准确的波形。

4.2PWM逆变电路仿真模型

PWM逆变仿真电路模型如下图五所示。

图5PWM逆变仿真电路模型

单相桥式PWM型逆变电路的模型可参考Marlab—>Help—>Demos—>Simulink—>SimPowerSystems—>GeneralDemos中的单相PWMVoltageSourceConverters。

此电路采用了单相逆变桥集成块UniversalBridge2arms，触发电路由DiscretePWMGenerator模块构成，滤波电路有LC组成。

所有的模块电路构成单相桥式PWM型逆变电路模型。

在此电路模型中，直流电源为220V，在调制电路中将信号波的频率设置为50HZ，通过调制电路来控制PWM桥式逆变电路，逆变之后得到的就是交流方波。

利用LC滤波电路将交流方波变成交流正弦波。

对电感和电容的参数进行设置，从而得到幅值为220V，频率为50HZ的正弦交流电。

4.3PWM逆变电源仿真模型

将上述的PWM你变得电路的直流电源去掉直接接在斩波电路的两端作为直流电源输入，从而就构成了PWM逆变电源仿真模型如下图六所示。

图6PWM逆变电源仿真模型

此电路是由升压斩波电路和PWM逆变电路组合而成，升压斩波电路出来的是220V电压波形是振荡的波形，差不多5S之后波形才稳定下来保持220V，因此逆变电路刚开始的正弦波也是振荡的，只有当升压斩波电路的波形稳定后它才稳定下来。

通过设置斩波电路中触发电路的占空比为55.5%来讲100V直流电压编程220V，然后再将PWM逆变电路中的调制电路的信号波的频率设置为50HZ，最后得到的就是本次设计所要求的输出单相电压为220V，50HZ的交流电。

5仿真的实现

5.1升压斩波电路仿真实现

打开斩波电路窗口，根据参考资料设置初试参数，设置时双击元件图标。

输入直流电设为100V，开关器件IGBT和二极管Diode使用默认参数。

负载R=1

，电感L=0.03H（即30mH），电容C=0.3F。

设置PWM发生器周期Period为0.02s，占空比PulseWidth（%ofperiod）为55.5%，其他参数不变。

单击Startsimulation按键，开始仿真，双击示波器Scope，观察输出波形图。

此时输出波形持续等副震荡，且幅值太高，并且稳定之后的纹波很大，很不理想。

所以加上LC滤波电路，参数取值L=0.007H，C=0.008F，就可以得到振荡较小且纹波很小的波形。

大约4S后波形达到稳定220V。

升压斩波电路的波形如下图七所示。

图7升压斩波电路的波形

通过几次调节各元件参数发现，改变电感和电容的值，输出电压稳定值也在变化。

电容的作用主要是使输出电压保持住，电容值过小输出波形会持续震荡，应取较大，但过大的电容值会使输出电压稳定的时间太长。

根据以上规律反复改变各元件参数，直到得到满意的结果。

5.2PWM逆变电路仿真实现

逆变电路中的参数主要有离散PWM生成器（DiscretePWMGenerator）中的载波频率（Carrierfrequency）、采样时间（Sampletime）、调制参数（Modulationindex）和输出电压频率（Frequencyofoutputvoltage）。

将载波频率设置为1000HZ，信号波频率设置为50HZ，其他的保持默认值，不加滤波电路得到的PWM逆变电路仿真波形如下图八所示。

图8PWM逆变电路仿真

5.3PWM逆变电源仿真实现

首先应将斩波电路的输出电压调到220V左右，再对逆变电源进行仿真。

反复调节参数知当斩波电路中PWM脉冲生成器的占空比达到55.5%时，输出的直流电压约为220V，升压斩波电路（L=0.007H，C=0.008F）和PWM逆变电路（L=0.02H，C=0.00113F）都加上LC滤波电路之后，在PWM逆变电路的调制电路中把信号波的频率设置为50HZ，载波的频率为1000HZ，则输出电压先大幅震荡，大约4s后，稳定在220V左右的正弦交流电。

PWM逆变电源仿真波形如下图九所示。

图9PWM逆变电源仿真波形

改变逆变电源仿真模型中的参数到要求值，单击Startsimulation按键开始仿真，由上图可知输出地波形满足输出为220V、50HZ单相交流电的要求。

参考文献

[1]王兆安，黄俊.《电力电子技术》.北京：

机械工业出版社，2007.

[2]樊立平，王忠庆.《电力电子技术》.北京：

北京大学出版社,2006.

[3]王正谋，朱力恒.《protel电路设计与仿真技术》.福建：

福建科学技术出版社,2004.

[4]李宏.《电力电子设备用器件与集成电路应用指南》.北京：

机械工业出版社，2001.

[5]王水平，贾静，方海燕等.《开关稳压电源原理及设计》.北京：

人民邮电出版社,2008.

[6]王维平.《现代电力电子技术及应用》.南京：

东南大学出版社，1999.