電力電子課程設(shè)計(jì)--三相逆變電路的設(shè)計(jì)及其研究

1、<p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　三相逆變電路的設(shè)計(jì)及其研究2</p><p><b>　　1 引言2</b></p><p>　　2 設(shè)計(jì)依據(jù)及框圖3</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)平臺(tái)3&l

2、t;/p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)思想4</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖4</p><p>　　2.4 三相全橋逆變的理論分析4</p><p>　　3 SIMULINK仿真調(diào)試分析9</p><p>　　3.1三相逆變電路SIMULINK仿真調(diào)試分析9</p><p>　　3.

3、2 SIMULINK示波器觀察的波形圖12</p><p>　　3.3 諧波分析13</p><p><b>　　4 結(jié)語(yǔ)16</b></p><p>　　4.1 結(jié)論與討論16</p><p>　　4.2 心得體會(huì)17</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)18</b&

4、gt;</p><p>　　三相逆變電路的設(shè)計(jì)及其研究</p><p>　　摘要：本課程設(shè)計(jì)報(bào)告主要研究了三相逆變電路的設(shè)計(jì)的問題，根據(jù)逆變電路相關(guān)理論知識(shí)，利用MATLAB軟件的SIMULINK進(jìn)行仿真，對(duì)仿真出的相關(guān)波形與理論分析得出的結(jié)論比較，總結(jié)出三相逆變電路的設(shè)計(jì)是否正確，逆變電路負(fù)載特性，再對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究，本課程設(shè)計(jì)主要采用應(yīng)用非常廣泛的三相全橋逆變電路進(jìn)行研究。</

5、p><p>　　關(guān)鍵字：逆變；全橋；SIMULINK；負(fù)載</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　上學(xué)年我們開設(shè)了電力電子技術(shù)這門課，這是一門非常基礎(chǔ)和有用的課程。學(xué)會(huì)了這門課之后可以實(shí)現(xiàn)AC/DC，DC/AC（本課程設(shè)計(jì)主要涉及的逆變），DC/DC，AC/AC這些變換，還可以利用這些變換對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，例如可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)

6、的變頻調(diào)速等控制。MATLAB這個(gè)軟件不僅在數(shù)學(xué)上應(yīng)用廣泛，在電機(jī)學(xué)，自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)這些課程上的應(yīng)用也十分廣泛。本次課程設(shè)計(jì)的目的是為了：一、進(jìn)一步理解和消化書本知識(shí)，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。二、通過(guò)課程設(shè)計(jì)提高應(yīng)用能力，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 三、培養(yǎng)查閱資料的習(xí)慣,訓(xùn)練和提高獨(dú)立思考和解決問題的能力。 四、對(duì)得出的仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行比較，得出相關(guān)結(jié)論。</p><

7、;p><b>　　2 設(shè)計(jì)依據(jù)及框圖</b></p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)平臺(tái)</b></p><p>　　2.1.1 MATLA的基本介紹 MATLAB（矩陣實(shí)驗(yàn)室）是MATrix LABoratory的縮寫，是一款由美國(guó)The MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)

8、分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。除了矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來(lái)創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語(yǔ)言（包括C，C++和FORTRAN）編寫的程序。</p><p>　　2.1.2 MATLAB的發(fā)展歷史</p><p>　　20世紀(jì)70年代，美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任Cleve Moler為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，用FORTRAN編寫了最早的

9、MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市場(chǎng)。到20世紀(jì)90年代，MATLAB已成為國(guó)際控制界的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件。</p><p>　　2.1.3 MATLAB的特點(diǎn)</p><p>　　高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來(lái)；</p><p>　

10、　2) 具有完備的圖形處理功能,實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化;3) 友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；4) 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等) ,為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具。</p><p>　　2.1.4 MATLAB的SIMULINK仿真優(yōu)勢(shì)</p><p>　　SIMULINK是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件

11、包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。在SIMULINK環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。它為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用手和紙來(lái)畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。SIMULINK包含有SINKS（輸入方式）、SOURCE（輸入源）、LINEAR（線性環(huán)節(jié)）、NON

12、LINEAR（非線性環(huán)節(jié)）、CONNECTIONS（連接與接口）和EXTRA（其他環(huán)節(jié)）子模型庫(kù)，而且每個(gè)子模型庫(kù)中包含有相應(yīng)的功能模塊。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。  </p><p>　　用SIMULINK創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級(jí)開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來(lái)查看其下一級(jí)的內(nèi)容，以此類推，從而可

13、以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型后，用戶可以通過(guò)SIMULINK的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來(lái)對(duì)它進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行一大類仿真非常有用。采用SCOPE模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時(shí)，就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來(lái)迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到MATLAB的工作空間里做事后處理。&#

14、160; </p><p>　　模型分析工具包括線性化和平衡點(diǎn)分析工具、MATLAB的許多工具及MATLAB的應(yīng)用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。</p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)思想</b></p><p>　　2.2.1三相逆變?cè)O(shè)計(jì)電路思

15、想</p><p><b>　　問題重述：</b></p><p>　　將380V的直流電源逆變成頻率為50HZ的有效值為220V的三相交流電源，采用應(yīng)用非常廣泛的三相全橋逆變電路，開關(guān)管采用六個(gè)IGBT，三個(gè)單相逆變器的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間互差，三相輸出電壓、、大小相等，基波互差，構(gòu)成一個(gè)對(duì)稱的三相交流電源。逆變器的負(fù)載選用三角形聯(lián)結(jié)進(jìn)行研究。</p>

16、<p><b>　　設(shè)計(jì)思想：</b></p><p>　　問題中的六個(gè)IGBT采用MATLAB里的六脈波觸發(fā)器進(jìn)行控制，使得每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通角為，同一個(gè)橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)通、斷，對(duì)每個(gè)橋臂按導(dǎo)電方式且相位上互差進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　負(fù)</b>&

17、lt;/p><p><b>　　載</b></p><p><b>　　輸</b></p><p><b>　　出</b></p><p>　　三相逆變仿真電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　六</b></p><

18、;p><b>　　脈 </b></p><p><b>　　沖</b></p><p><b>　　觸</b></p><p><b>　　發(fā)</b></p><p>　　圖1：三相全橋逆變電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>

19、　　2.4 三相全橋逆變的理論分析</p><p>　　2.4.1 電壓型三相全橋逆變電路的工作原理</p><p><b>　　逆變器</b></p><p>　　逆變器也稱逆變電源，是一種可將直流電變換為一定頻率下交流電的裝置。相對(duì)于整流器將交流電轉(zhuǎn)換為固定電壓下的直流電而言，逆變器可把直流電變換成頻率、電壓固定或可調(diào)的交流電，稱為DC-A

20、C變換。這是與整流相反的變換，因而稱為逆變。[1]</p><p><b>　　三相全橋逆變電路</b></p><p>　　三相全橋逆變電路要求直流電轉(zhuǎn)換為頻率相同、振幅相等、相位依次互差為120°的交流電。</p><p>　　圖2：三相逆變主電路</p><p>　　圖2是一種應(yīng)用非常廣泛的三相橋式逆變電

21、路。如果以直流電源中間點(diǎn)O為參考電位，該電路可以看做是由三個(gè)單相半橋逆變器組合而成的三相逆變器。同一橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)通、斷。如A相橋臂上臂T1管導(dǎo)通時(shí)，下管T4截止；T4導(dǎo)通，T1截止。每個(gè)橋臂按導(dǎo)電方式且相位上互差進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，則在任何時(shí)刻都有三個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通順序?yàn)?、2、32、3、43、4、54、5、65、6、16、1、2，如此循環(huán)。</p><p><b>　　三相星形負(fù)載</

22、b></p><p><b>　　圖3：三相星形負(fù)載</b></p><p>　　逆變器的三相負(fù)載可按星形或三角形聯(lián)結(jié)。當(dāng)負(fù)載如圖3所示的星形接法時(shí)，必須先求出負(fù)載的相電壓，才能求出相應(yīng)的逆變器輸出的電流。</p><p>　　4、三相全橋逆變總電路</p><p>　　圖4：三相全橋逆變總電路</p>

23、<p>　　2.4.2 周期內(nèi)，三相全橋逆變電路的定量電路分析</p><p>　　模式一：第一個(gè)周期期間，、、有驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別使得開關(guān)管5、6、1導(dǎo)通。由上圖4可知。三相橋的A、C兩端接正端P，而B點(diǎn)接負(fù)端Q。</p><p><b>　　模式一等效電路</b></p><p>　　由上圖（a），A相和C相負(fù)載并聯(lián)，等效電阻為。在

24、與B相負(fù)載R串聯(lián)。由分壓公式易知：，。</p><p>　　模式二：第二個(gè)周期期間，、、有驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別使得開關(guān)管6、1、2導(dǎo)通。</p><p>　　由上圖4可知，A點(diǎn)接正端P，B、C接負(fù)端Q。</p><p><b>　　模式二等效電路</b></p><p>　　如上圖（b）易知：，。</p><

25、p>　　模式三：第三個(gè)周期期間，、、有驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別使得開關(guān)管1、2、3導(dǎo)通。由上圖4可知，三相橋的A、B兩端接正端P，而C點(diǎn)接負(fù)端Q。</p><p><b>　　模式三等效電路</b></p><p>　　2.4.3 電路分析后得到的理論波形：</p><p>　　六脈沖觸發(fā)器應(yīng)輸出的理論波形</p><p>　

26、　對(duì)應(yīng)模式下輸出的線電壓、相電壓</p><p><b>　　線電壓</b></p><p><b>　　相電壓</b></p><p>　　3 SIMULINK仿真調(diào)試分析</p><p>　　3.1三相逆變電路SIMULINK仿真調(diào)試分析</p><p>　　3.1.1六

27、脈波脈沖觸發(fā)器的仿真參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.1.1理論分析：</p><p><b>　　圖5：六脈波發(fā)生器</b></p><p>　　要求產(chǎn)生的脈波導(dǎo)通角為（即脈沖寬度為），其中alpha_deg端口代表的是脈沖的移向角，在本課程設(shè)計(jì)中移向角的參數(shù)不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Block端口給大于0則封鎖脈沖，給0則使發(fā)生器工作。 AB、B

28、C、CA接一個(gè)三相交流電源的相電壓。 </p><p>　　3.1.2實(shí)際的參數(shù)設(shè)置：</p><p>　　3.1.2 三相全橋電路的開關(guān)管的選型以及參數(shù)設(shè)置</p><p>　　3.1.2.1 理論分析：</p><p>　　六脈沖觸發(fā)器產(chǎn)生的周期性六脈波T1、T2、T3、T4、T5、T6之間相位

29、上互差，對(duì)每個(gè)橋臂要相位上互差進(jìn)行導(dǎo)通，同一個(gè)橋臂上的兩個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，又因?yàn)殚_關(guān)管采用了的導(dǎo)電形式，所以只能將脈沖T1和T4組合控制同一個(gè)橋臂上的兩個(gè)晶閘管（同一橋臂互差導(dǎo)通）作為A相，將T3和T6組合作為B相（不同橋臂要互差），其余兩個(gè)作為C相。</p><p>　　開關(guān)管選用IGBT。</p><p>　　3.1.2.2參數(shù)設(shè)置</p><p>　　3.

30、1.3 總的MATLAB的SIMULINK仿真接線圖</p><p>　　3.2 SIMULINK示波器觀察的波形圖</p><p>　　3.2.1 六脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的六個(gè)脈沖觀測(cè)的波形</p><p>　　3.2.2 線電壓VAB,相電壓VAN,VBN的波形</p><p>　　將此仿真的得出的波形與理論波形相對(duì)比，得出此仿真波形與理論分析

31、的波形一致，根據(jù)仿真的波形，可以得出，星形負(fù)載電阻上的相電壓、、是階梯波。根據(jù)傅里葉分析負(fù)載電壓的階梯波，對(duì)其進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，得出基波，再經(jīng)過(guò)濾波就能得到平滑的正弦波。</p><p><b>　　3.3 諧波分析</b></p><p>　　將時(shí)間坐標(biāo)起點(diǎn)取在階梯波的起點(diǎn)，利用傅里葉分析仿真波形圖中A相負(fù)載電壓。查電力電子技術(shù)書后附錄（A-16）得到</p

32、><p>　　無(wú)3次諧波，只含5、7、11、13等高次諧波，N次諧波的幅值為基波幅值的。通常只要采用變壓器，將變壓器的二次繞組都結(jié)成星形以便消除三倍基波頻率的諧波。</p><p>　　得出的示波器的波形：（以下依次是、、經(jīng)過(guò)變壓器濾波之后的波形）</p><p><b>　　的波形</b></p><p><b>

33、;　　的波形</b></p><p><b>　　的波形</b></p><p><b>　　4 結(jié)語(yǔ)</b></p><p><b>　　4.1 結(jié)論與討論</b></p><p>　　4.1.1三相全橋主電路設(shè)計(jì)的結(jié)論</p><p>　

34、　六脈沖觸發(fā)器產(chǎn)生的周期性六脈波T1、T2、T3、T4、T5、T6之間相位上互差，對(duì)每個(gè)橋臂要相位上互差進(jìn)行導(dǎo)通，同一個(gè)橋臂上的兩個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，又因?yàn)殚_關(guān)管采用了的導(dǎo)電形式，所以只能將脈沖T1和T4組合控制同一個(gè)橋臂上的兩個(gè)晶閘管（同一橋臂互差導(dǎo)通）作為A相，將T3和T6組合作為B相（不同橋臂要互差），其余兩個(gè)作為C相。要注意不能出現(xiàn)同一個(gè)橋臂上的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的情況。</p><p>　　上述圖中的

35、情況是一定不能出現(xiàn)的，而導(dǎo)通的IGBT如果不能可靠的導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。</p><p>　　由于開關(guān)的控制并不是理想的那么精密，在同一相的兩個(gè)正負(fù)開關(guān)在各自閉合斷開的瞬間有可能同時(shí)斷開或同時(shí)閉合。若同時(shí)閉合，如上圖所示，直流側(cè)電壓源短路發(fā)生危險(xiǎn)。</p><p>　　因此，為保證兩開關(guān)在斷開閉合時(shí)不會(huì)發(fā)生重疊，在同時(shí)開關(guān)閉合瞬間改為一段死區(qū)時(shí)間，即兩開關(guān)首先同時(shí)關(guān)閉一段時(shí)間

36、，而后其中一個(gè)開關(guān)再進(jìn)行下一步閉合動(dòng)作。時(shí)間內(nèi)，正負(fù)開關(guān)均斷開，而后再打開其中一個(gè)，保證了交替過(guò)程中不會(huì)有同時(shí)打開的可能。的具體時(shí)間長(zhǎng)短則要根據(jù)實(shí)際中使用的器件性能參數(shù)予以確定。這種方法可以有效避免實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中逆變電路的風(fēng)險(xiǎn)。</p><p>　　4.1.2 仿真模型設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問題的體會(huì)</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)在SIMULINK的仿真環(huán)境下進(jìn)行的，它有很好的有點(diǎn)是好多期間都

37、是模塊化的，例如六脈沖發(fā)生器，還有三相全橋等。這些模塊并不是想當(dāng)然的使用的，要了解這個(gè)模塊具體的工作性能。還有就是電路的設(shè)計(jì)一定要一步一步來(lái)，不能急于求成！脈沖觸發(fā)電路一定要得到到正確的脈沖波形后才加到晶閘管上，對(duì)晶閘管進(jìn)行控制。</p><p><b>　　4.2 心得體會(huì)</b></p><p>　　為期一個(gè)半星期的電力電子課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，我和我的組員吳晗完成了老

38、師交代的課程設(shè)計(jì)任務(wù)，電力電子是大三學(xué)習(xí)的課程，所以有些知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)有些忘了，剛剛接觸這個(gè)課題的時(shí)候還是很困難的，覺得有些無(wú)從下手，后來(lái)我們把教材好好的研究了一下，才開始有了頭緒，有了思路，之后的課程設(shè)計(jì)還是比較順利的。</p><p>　　起初老師布置給我們的任務(wù)看似簡(jiǎn)單明了，但是隨著課題的選擇就出現(xiàn)了麻煩，許多東西有印象但是卻不能去完整的表述和理解，在最開始就出現(xiàn)了麻煩；但是在我們翻書仔細(xì)思考后我們還是選出了合

39、適自己的課題；在復(fù)習(xí)了先前的知識(shí)以后，才對(duì)所要求的電路有一個(gè)大概的了解，可是，攔路虎始終都會(huì)出現(xiàn)，此次課程設(shè)計(jì)最核心的部分就是用Matlab仿真，而且要用到Simulink模塊接線，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，在滿是英文的界面里尋找我們需要的模塊，給了我們好大的壓力，我們?cè)谒奚崂锊粩嗑毩?xí)，所謂勤能補(bǔ)拙，熟能生巧，應(yīng)該也是這樣吧，幾天過(guò)去了，總算能很快找到模塊接好電路；出波形時(shí)，又很難調(diào)試出跟理論上相似的波形，為此我們上網(wǎng)查原因，去圖書

40、館查資料，總算得出原因，大家一起努力得出了波形，感受到了科研出結(jié)果的艱辛與不易。 </p><p>　　對(duì)于此次課程設(shè)計(jì)，要特別感謝**老師的悉心教導(dǎo)，和我們組員**同學(xué)對(duì)我的幫助，我們才能在短期內(nèi)比較靈活的使用軟件。以后還有很多路要走，我們要從此次課程設(shè)計(jì)得到的經(jīng)驗(yàn)來(lái)走好我們的將來(lái)的路。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>