机车空调车载逆变电源硬件设计

1、机车空调车载逆变电源硬件设计 The Design of Locomotive Air Conditioning Vehicle Power Supply Hardware 毕业设计任务书题目机车空调车载逆变电源硬件设计学生姓名学号班级专业承担指导任务单位电气工程系导师姓名导师职称一、设计内容设计一个在紧急情况下用于机车空调、 风机等电力设备的车载逆变电源。二、设计条件该逆变电源主要由升压电路、逆变电路和滤波电路构成。其输人为蓄电池提供的直流110V，经Boost升压后直流电压稳定在 400V，再由PWM提供驱动脉冲，将400V直流电源逆变为三相230V、50Hz的交流电源，实现为机车电力设备

2、供电。三、设计的基本要求1确定系统设计方案。2设计系统主电路，说明其工作原理，计算参数，确定元件型号。3利用matlab对主电路进行仿真实现。四、参考文献 1 黄俊. 电力电子变流技术M. 机械工业出版社, 2004.2 王文郁. 电力电子技术应用电路M. 机械工业出版社, 2001.五、进度计划 第12周： 完成开题报告 第3周： 调研、收集资料，制定设计方案 第46周： 设计主电路，计算参数，选择各元件型号 第7周： 中期答辩第910周： 学习matlab软件 第1112周： 利用matlab对主电路进行仿真实现 第13周： 撰写毕业设计 第14-15周： 答辩教研室主任签字时间 年 月

3、日毕业设计开题报告题 目机车空调车载逆变电源硬件设计学生姓名学号 班级 专业一、课题研究背景列车诞生于18世纪20年代，而作为真正意义上的列车空调系统出现在20世纪20年代，机车空调出现的更晚。早期的蒸汽机由于条件限制无法给司机室加装空调，内燃机车使得司机室的条件得到很大改善，为实现机车空调提高了可能。而且由于机车驾驶室位于列车头部，其独特的结构和环境决定了司机室空间狭小，室内小气候异常恶劣，尤其在酷热的夏天必然不利于行车安全和司机的身心健康。为了彻底改善机车乘务员工作环境条件，确保行车安全，需要对现有的机车安装空调系统。众所周知，机车震动大，温度高，电磁干扰大，车门频繁开闭。而且机车运行环境

4、也有较大流动性，艳阳高照、漫天沙尘、倾盆大雨等等各种环境都无法避免。此外，机车所用空调有其特殊性，普通民用空调无法胜任。本课题的主要工作就是设计一个逆变电源，要具有充足的制冷量、高强的抗震性、出色的耐高温、稳定的安全可靠性等特性，并满足机车空调机组的电流、电压和功率要求，以便调节司机室空气温度，改善工作环境。逆变技术的发展可以分为如下两个阶段：1956-1980年为传统发展阶段。这个阶段的特点是，开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，体积重量较大，逆变频率低，正弦波逆变器开始出现。1980年到现在为高频化新技术阶段。这个阶段的特点是，开关器件以高速器件为主，逆变

5、器的开关频率较高，波形改善以PWM为主，体积重量小，逆变效率高。正弦逆变发展日趋完善。二、国内外研究现状1.国内研究现状逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。现国内对逆变电源的研究主要集中在基于最大功率追踪及逆变部分相分离的两级能量变换结构，同时能够推向市场的逆变电源并不多见。最后，我国使用的逆变电源主要还是通过进口和合作研究，这个趋势有待我们去改善。2.国外研究现状逆变电源在国外已经可以作为比较的成熟的产品推向市场，像德国著名电气企业西门子就推出了很多具有市场化的产品，而且

6、除欧洲的科技强国外，像美国、日本等国家已经实现了逆变电源的产品化。现在逆变电源的最大功率跟踪以及逆变环集成的单级量变换上，以及成为了研究的热点问题。类似于小功率的逆变电源开发已经越来越受到人们的重视，而在这些小功率逆变电源中，其控制电路主要采用数字控制，系统的安全性，可靠性以及扩展性，同时将各个完善的保护电路考虑其中。三、论文进行的主要工作1.实现机车室制冷设备；2.了解逆变电源的工作原理，实现直流交流直流的转变；3.利用matlab对主电路进行仿真实现。四、采取的方法与手段1.输人为蓄电池提供的直流110V，经Boost升压后直流电压稳定在 400V；2.再由单片机87C196MH输出六路互

7、补SPWM信号为IGBT提供驱动脉冲；3.将400V直流电源逆变为三相230V、50Hz的交流电源，实现为机车电力设备供电。五、预期达到的效果实现直流、交流电源之间的变换，并且在机车正常运行情况下机车空调正常运转，从而给电力设备供电。指导教师签字时 间 年 月 日摘要当今世界铁路运输发展方向日益趋向高密度化、高速化，提高机车司机的工作环境质量来确保行车安全显得越来越重要。逆变电路的作用就是把给定的110V直流电变换为230V/50Hz交流电，从而给机车的设备供电，来保证机车空调车组的正常运行。这次设计的主要内容是设计机车空调硬件主电路图，并分析元器件的参数选择和型号的选型。把给定的110V直流

8、电压经Boost升压电路升压到稳定的400V的直流电压，再经过逆变电路来达到所需要的三相230V/50HZ的电压，然后采用正弦波脉冲调制法，通过输出脉冲控制开关管的导通。经过滤波电路、保护电路和输出电压检测电路对主电路进行控制，输出稳定的准正弦波后，供负载使用。把给定的110V直流电经升压电路和逆变电路后变换成机车需要的三相交流电，并用Matlab软件对主电路进行仿真，实现需要的波形。 关键词：升压逆变电源MatlabAbstractThe development direction of railway transportation in today's world grows ev

9、er tends to high density,high speed,improve the quality of the locomotive driver's working environment is more and more important to ensure the traffic safety.Inverter circuit is the role of a given 110v dc transform for 230v/50Hz alternating current,thus to power a locomotive equipment,to ensur

10、e the normal operation of the locomotive crews take air conditioning.The main content of this design is the design of locomotive air conditioning hardware main circuit diagram,and analysis of the parameter selection and model selection of components.The given 110v dc voltage by the Boost booster cir

11、cuit booster to the stability of the dc voltage of 400v,again after inverter circuit to meet the needs of three-phase voltage of 230v/50Hz,then the sine wave pulse modulation method is adopted,through the output pulse of the switch tube control.Through the filter circuit, protection circuit and the

12、output voltage detection circuit to control the main circuit,after stable output of quasi sine wave,for the use of load.The given 110v dc after booster circuit and inverter circuit to transform the locomotive need three phase alternating current,of main circuit are simulated with Matlab software, th

13、e realization of need of waveform. Key words: BoosterInverter power supplyMatlab 目录第1章绪论11.1课题研究的目的意义11.2国内外研究现状11.3论文进行的内容2第2章机车空调车载逆变电源的设计要求及方案32.1设计要求32.2设计方案3第3章主电路硬件设计53.1主要开关元器件性能53.1.1IGBT的介绍53.1.2二极管53.2系统总电路设计63.3DC/DC升压电路设计63.3.1充电过程63.3.2放电过程63.3.3升压斩波器工作原理73.3.4DC/DC电路的参数选择与器件选型103.4逆变电路

14、设计103.4.1三相电压型桥式逆变电路103.3.2PWM的工作原理113.3.3DC/AC电路参数设计和器件选型123.5滤波电路设计13第4章 系统的仿真154.1Matlab/Simulink仿真平台简介154.2系统的主电路的仿真174.3仿真结果分析17第5章结论22参考文献23致谢24附录外文资料25石家庄铁道大学四方学院毕业设计第1章绪论1.1课题研究的目的意义最早的列车诞生于18世纪20年代，但是真正的列车空调系统是在20世纪20年代之后才开始出现的，机车空调出现的相对来说会更晚。由于各种环境的阻碍，最初的蒸汽机没办法给机车车组装空调，但是当内燃机出现后，使得加装空调有机会实

15、现，司机室的条件也更加完善。因为机车空调驾驶室在列车的最前面，所以有着其独特的结构，因此决定了机车空调司机室空间的狭窄和室内温度十分的高，特别是在在炎热的夏天非常不利于行车的安全和司机的身体健康。为了尽可能的改善机车工作人员的工作环境条件，保证行车安全，需要对机车司机室安装空调系统。在机车行走是车身抖动大，司机室的温度比较高，并且室内产生的电磁干扰很大。并且机车的运行环境也有较大的差别，有时候经过的地区十分炎热，有的地区温度十分的低，有时候还会下大雨等等各种环境都无法避免。因外，机车空调有其独特性，普通的空调是无法来代替它的。这次设计的主要任务就是设计一个逆变电源，给机车提供合适的电压，保证机

16、车的运行安全，并且还需要满足车载空调的功率、电流和电压的要求，以保证车载空调的可靠运行，降低司机室的环境温度。逆变技术的发展可以分为如下两个阶段：上世纪80年代为传统发展时期。这个时期的特点是，开关通常都是高速器件，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，重量体积较大，逆变频率低，正弦波逆变器开始出现。上世纪80年代到现在为新科技时期。这个时期的特点是，开关器件还是以高速器件为主，但是逆变器的开关频率较高，通常以PWM技术来实现波形的改善，逆变器体积变的重量小，但是逆变效率却很高。正弦逆变器得到很大发展1。1.2国内外研究现状(1)国内研究现状逆变电源主要作用是能量的变换，输入为直流电，

17、经过逆变电源输出稳定的交流电。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、信号通信等许多的领域。现国内对逆变电源的研究主要集中在基于最大功率追踪及逆变部分相分离的两级能量变换结构，同时能够推向市场的逆变电源并不多见。但是，我国目前使用的逆变电源大多部分主要还是通过进口来实现的，这个发展趋势有待我们去改善。(2)国外研究现状 在其他地区的市场上，逆变电源已经被广泛的应用了，比如德国的西门子公司就推出了关于此类的产品，美国、日本等国家也先后推出了逆变电源产品。现在逆变电源的最大功率以及输出电压稳定性已经成为了人们研究的热点问题。像一些小功率的逆变电源开发已经越来越受到人们的关注，而在这些小功率的

18、逆变电源中，运用的控制电路主要是采用数字电路控制系统的安全性、可靠性以及扩展性，同时要将保护电路的完善性保考虑到其中2。1.3论文进行的内容(1)了解逆变电源的工作原理，实现直流直流交流的转变。(2)计算出各个模块的参数计算和型号选择。(3)利用matlab对主电路进行仿真实现。第2章机车空调车载逆变电源的设计要求及方案2.1设计要求首先输入给定的直流110V电源，再经Boost升压电路升压到直流400V，并且把电压稳定在400V，再经过单片机控制IGBT输出需要的脉冲，将升压后的400V的直流电变换为三相230V、50Hz的交流电源，最终达到为机车电力设备供电的目的。因为机车给定的供电电流是

19、110V直流电，但是机车空调车室需要的是三相交流电，为了保证空调车组的正常运行，所以设计的电源系统的主电路包含两部分，即升压与逆变。升压电路部分是为了实现直流110V的提升，为了满足逆变部分需要的直流高压；逆变部分实现电流的转换功能，从而得到功率、电压符合工作要求的交流电。主电路的整体结构框图如下图2-1所示。升压斩波电路逆变电路DC110V DC400V 三相AC230V 输出滤波器输出三相AC230V/50HZ 图2-1主电路的整体结构框图2.2设计方案本次设计的主要内容包括两个部分，即升压与逆变。但是在设计系统主电路原理图时要考虑系统正常运行时的保护、驱动、检测电路。升压电路要实现的目的

20、是：提高直流电压，确保负载运行时能输出要求的功率和电压，并且保持稳定的输出电压；当机车空调车载开始时电流会比正常工作时的电流大好几倍，这样会对系统产生很大的作用力，所以升压电路的电流要有一定的多余的容量，来保证机车空调车载系统的正常启动，并让其进入稳定工作状态。逆变电路原理图要实现的目的是：首先输入的是直流电压，在经过逆变电路之后变换成三相的交流电，为了让机车工作在稳定的环境下，所以必须要把逆变之后的电压稳定在一定的数值；但是也要考虑机车刚开始启动时的大电流的冲击力对设备的影响，并且附近的电源会对电路有一定的影响，因此还要合理选择电路开断的时间。保护电路要实现的目的是：机车在正常的运行时，可能

21、会出现一些小的意外，所以必须要有保护电路对系统进行保护措施，并且尽量确保主电路正常的工作，保护整个机车系统正常运行。第3章主电路硬件设计3.1主要开关元器件性能功率开关的最重要的作用是将输入的直流电压逆变成需要的的交流电压。功率开关的工作状态用两种：饱和与关断，这样可以让开关损耗尽可能的小。目前主要用到的功率开关主要有两种：MOSFET和IGBT。3.1.1IGBT的介绍IGBT具有三个输入端，分别叫做栅极G、集电极C和发射极E。给出了IGBT由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。如果将两个器件相比较，IGBT比VDMOSFET多了一个P+入口区，在工作中会产生一

22、个面积较大的PN结。IGBT会由于有更大的接触面积，比其他的器件有更大的导流能力，是由双极型晶体管与MOSFET组成，也可看做是MOSFET的厚基区PNP晶体管。IGBT同MOSFET一样是场控器件。栅极和发射极间电压UGE的大小和器件的开关有关，当通电，且UGE电压大于UGE(th)的开启电压时，MOSFET内形成沟道，会在晶体管的基极处产生一个电流值，促使晶体管导通。若栅极和发射极处于反相电压或不加电压情况时，MOSFET内的沟道消失，IGBT关断。在电力电子电路中，IGBT在正向阻断区和饱和区之间来回转换，从而控制开关。3.1.2二极管二极管的单方向导电性就是其主要的特性。所以二极管在电

23、路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。从而体现了二极管的正向特性和反向特性。(1)正向特性在电子电路中，把二极管的正极接在电压高的一端，负极接在电压低的一端，二极管才会导通，这种连接方式叫做正向偏置。但是当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管还是不能导通的，这个时候流过二极管的正向电流是十分微弱的。只有当正向电压达到某一数值(也就是常说的“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V)以后，二极管才能真正导通。当二极管导通后其两端的电压基本上保持不变(锗管约为0.3V，硅管约为0.7V)，这个就是二极管的“正向压降”。(2)反向特性在电子电路中，二极管的正极接在电压低的一端，负极接在

24、电压高的一端，这个时候流过二极管中的电流几乎为零，因此二极管处于截止状态，这种连接方式叫做反向偏置。当二极管处于反向偏置状态的时候，二极管仍然会有微弱的反向电流流过，这种状态称为漏电流。但是当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流反而会急剧增大，二极管的单方向导电特性将会消失，这种状态称为二极管的击穿3。3.2系统总电路设计本设计需要将给定的直流电压110V先经过升压电路变化成稳定400V直流电压，之后再经过逆变电路逆变成230V/50HZ交流电压，需要升压电路、逆变电路、滤波电路，系统的总电路图如图3-1所示。图3-1 主电路图3.3DC/DC升压电路设计 3.3.1充电过程 电路在充

25、电过程中，开关闭合(三极管导通)，开关(三极管)相当于用导线来代替，这个时候输入的电流经过电感线圈。二极管的作用是防止电容对地有放电的电流。因为输入端提供的是直流电流，所以流经电感线圈上的的电流的增加方式是线性的，电感线圈的大小决定了增加比率的斜度。电感电流增加后，电感里储存的能量也会相应的增加。3.3.2放电过程当断开开关(即三极管截止)时，电感里面的电流不可能突然消失，所以电感里面的电流是不可能突然变成零的，而是经过一定的时间由充电完毕时的值变为零的。由于开关断开后导致开始的电路已经不存在，这个时候电感必须寻找新的电路来释放存储的电能，所以电感只能对电容充电，电容两端的电压会升高，此时电容

26、的电压已经高于输入时的电压了，电感放电完成后电容的升压完毕4。如图3-2所示。 图3-2升压斩波电路图3.3.3升压斩波器工作原理 斩波器由斩波管、电解电容、PWM控制部分(产生驱动斩波管的脉冲)等组成，主要将给定的110V直流电经过升压电路变换为稳定的400V直流电压。最常用的斩波电路种类有五种：降压式、升压式和全桥式，图3-2所示电路为升压式斩波器的原理电路，为了方便了解其工作特性，将升压电感L也包含在里面5。当IGBT开通时，VD1截止，此时负载不工作，输入电压加在电感L上，电源向电感L提供能量，流经L的电流开始增加。当IGBT断开时，电感线圈L上的电流是不会突然变为零的，VD1开通，所

27、以二极管VD1通过电感里面储存的能量续流，输出的能量传递给负载。斩波器的稳态是指流过电感的电流平均值达到一个固定的数值，每个周期起始的电流值是相同的。也就是说一个周期内电感电压的积分为零6。图3-3连续导电模式的电感电流、电压波形为叙述方便，可假设电容C足够大以确保一个恒定的输出电压，这也与实际情况相符。 当升压电感上的电流始终大于零时，称为连续导电模式，先分析连续该模式下的工作原理。在这个模式下，电感电流连续流动iL(t)>0，图3-3为一个周期内稳态工作时的波形7。IGBT开通及关断时的等效电路图分别如图3-4的(a)、(b)所示。 (a)IGBT导通时等效电路 (b)IGBT关断时

28、等效电路图3-4等效电路图在电路稳定工作时，一个工作周期内电感电压对时间的积分为0，即 (3-1) (3-2)整理得： (3-3)其中D为占空比 (3-4)在不考虑损耗的情况下，输入升压电路和输出电路的功率是相等的，即 (3-5)于是有输入电流平均值与输出电流平均值之比为： (3-6)以上为连续导电模式的公式。当输出功率逐渐减小，锯齿电流会逐渐减小。当每个周期内电感电流为零时，就是断续导电的模式。升压斩波器目前的典型应用，一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正电路，三是用于其他交流直流电源中。图 3-5(a)、(b)分别给出了处于断续边界和断续时的电感电流、电压波形。(a)断续边界电

29、感电流、电压波形 (b)断续时电感电流、电压波形图3-5电感电流、电压波形在断续导电工作模式下，电感电压在一个周期内对时间的积分为0，即 (3-7)整理得 (3-8)在不考虑功率损耗的情况下，有公式3-5可得 (3-9)电流流经电感没有损耗，所以电流平均值为 (3-10)得到 (3-11)在一般的情况下，在开关断开时是会有能量从输入端传给负载或电路的，但是不是全部的能量都会被负载吸收，在能量达到稳定之前电容上的电压会一直升高，电压达到某一个数值后电容将会被击穿，会对其他设备或人体造成一定的伤害。所以必须用合理的方法对占空比进行控制，保证电路稳定、安全、可靠的工作。3.3.4DC/DC电路的参数

30、选择与器件选型(1)开关管的选取MOSFET虽然有开关速度快和导通电压低的优点，但是不太适用于功率较大的场合。因此，选取IGBT作为Boost电路的开关管，它具有输入阻抗高、高速开关、低导通电压、耐高压和大电流的优点，符合设计的硬件参数要求。在IGBT的选择中，需要注意其最大集射级间电压、最大集电极电流和最大集电极功率3个参数。如果在开关过程中，IGBT集电极和发射极之间的电压超过允许的耐压值，将会损坏开关管。此外，由于IGBT工作再高频的开关状态，产生的大量开关损耗将会使器件发热严重，因此还必须综合考虑开关管的散热。在电路中IGBT管承受的最大电压为400V，IGBT的电压大约为2倍的最大电

31、压，即电压为800V，选取一定的电压、电流裕量，因此选取用富士的IGBT，型号为1MBH60-100，主要参数为：耐压：1000V，额定电流：60A7。(2)二极管的选取升压斩波电路中的二极管应具有较低的通态压降和快反恢复特性，选取一般的二极管即可满足要求，主要参数：导通电压0.8V，导通时电流为0V。(3)输出电容的选取电容C的值一般是很大的，它的作用是将输出电压保持在一定的数值，电容C的值是根据电路的电流(功率)来计算的。3.4逆变电路设计3.4.1三相电压型桥式逆变电路逆变器由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成，它将人为提供的直流110V电压换为稳定的230V/50HZ交流电压。逆变电路主要

32、包括主电路和控制电路，如图3-6为三相电压型逆变电路。逆变电路的核心电路模块是IGBT，IGBT也是上世纪出现的一种电力电子的器件，它集合了很多晶体管的优点，IGBT适合的场合比较多，主要是在一些高压电路中有很大的作用，比如高速、低功耗的电路等。IGBT的特点是耐高很压、允许通过的电流大、开关频率高、使用寿命长、热损耗小等。主电路主要有二大部分组成。 (1)逆变管V1V6 V1V6组成逆变桥，把经boost升压电路升压后得到的稳定的的400V直流电压逆变成230V/50HZ的交流电压。这是实现逆变的主要的环节，也是逆变电路的核心。常用的晶体管有绝缘栅双极晶体管(IGBT)、电力晶体管(GTR)

33、、门极可关断晶闸管(GTO)和以及电力场效应晶体管(MOSFET)等。本设计中主要使用的是IGBT。(2)续流二极管VD1VD6 其主要功能为： VT1VT6是为了给晶体管提供通路，在任何一个时间都会有三个桥臂同时导通，因此在两个桥臂间处于不停地交替导通和截止的状态。在导通和截止的交替变换过程中，还需要VD1VD6提供通路8。图3-6逆变电路图3.3.2PWM的工作原理 用SPWM控制技术作为控制电路核心，其主要作用是将正弦波参考信号与三角形载波信号相比较产生逆变电路所需要的开关动作信号，控制V1V6的通断。PWM控制是指改变脉冲的宽度的调制技术，它通过改变波形的占空比来改变输出电压的。它应用

34、的领域比较广，现在很多机车与汽车都是通过这种方式来进行调速的。 PWM逆变电路有两种：电压型和电流型。但是目前我们常用的大多还是电压型的电路，所以本设计采用电压型PWM逆变电路的调速方法。PWM控制的方法有三种：计算法、调制法、跟踪控制法。计算法：根据PWM逆变电路的控制原理，给逆变电路一个正弦波的输出频率、幅值和周期，就可以计算出PWM波形中各个脉冲的宽度。根据计算的结果可以控制开关器件的通断，就可以得到需要的PWM波形。调制法：输出的波形作为调制信号，接受的信号作为载波，控制信号波的调制来达到所希望的PWM波形，本设计以锯齿波作为载波，当调制信号为正弦波是，输出的波形为SPWM波形9。当三

35、角波只在正极性或负极性其中的一个范围内变化时，所得到的PWM波形也在其中一个极性范围内变化的控制方式叫做单极性PWM控制方法。如图3-7所示。图3-7单极性PWM控制方式波形在信号波半个周期内，三角波是有极性的，所得到的PWM波也是有正负的，这种方式叫做双极性控制方式。如图3-8所示。图3-8双极性PWM控制方式波形3.3.3DC/AC电路参数设计和器件选型中小容量的低压系统，使用更多的开关器件MOSFET的，因为MOSFET的压降较低和高开关频率，具有正温度系数，热稳定性好，但在逆变器的设计，MOSFET具有以下两个缺点：(1)由于输出滤波电感电流增长的作用时间的流，容易燃烧MOSFET。(

36、2)MOSFET在高电压大容量系统，随着电压的增加也会增加其在国家阻力，降低电路的整体效率。因此，在电力系统中高压变频器，IGBT的开关频率高、低电流、高电压和大电流的优点，被广泛应用。据的特点设计电路IGBT作为开关组件的选择。在系统设计中，梁的两端，IGBT承受400V的电压，电压峰值的过程中考虑到设备开关，即使它的缓冲电路，或选择一定的保证，因此承受电压600V。选择与三菱的智能功率模块(IPM)，型号是6MBP20RH060，其耐受电压600V，耐流20A，包括六个开关管。逆变电路主要的元器件是IGBT与二极管，逆变电路基本的工作方式是1800导电方式，即每个桥臂的导电角度为180&#

37、176;，在任何的时间都会有三个桥臂同时导通。主要的计算如下10。三项桥式电压型逆变电路，幅值=200V，输出相电压的有效值 (3-12)输出线电压的有效值 (3-13)PWM的载波比N(载波频率和调制频率) (3-14)3.5滤波电路设计逆变后的电流经过滤波电路前电压是不稳定的，在经过逆变电路后波形将会是有一定的规律，所以会使直流电进一步会形成脉动电流，为了最大限度的滤除掉脉动电流中的交流部分，使之输出的波形为无上下波动的平滑直流波，一定要在其后连接上一个低通滤波电路。输出滤波电感可以改善输出波形的质量，因为许多逆变器输出波形主要的电感两端更高的谐波，以确保低输出电压谐波滤波电感高频阻抗不能

38、低于滤波电容阻抗，所以电感值不是太小了。增加电感可以简单而有效的抑制谐波低，但增加电感线损失的大小，重量和电感会相应增加。电感值越大，动态特性的响应时间越长，波形将成为没有法律；电感值较小，虽然可以改善动态特性，但纹波电流，电感值综合考虑。滤波电容的作用是和滤波电感一起除去电压中的高次谐波，保证输出电压的要求，电容越大，波形失真度越小，流经逆变器的无功电流增加，但是逆变器的电流量增大后，导致系统的体积增大，效率降低。滤波电容过小则会导致输出电压的失真度变大。滤波电容的选取原则是在满足波形失真度的条件下，取值尽量小11。滤波电路如图3-9所示。图3-9滤波电路图 加上滤波电容后最大峰值电压 (3

39、-15) 一般三项全桥电路 (3-16)因此电容C的取值为 (3-17)第4章 系统的仿真4.1Matlab/Simulink仿真平台简介Mathworks公司开发研创的新一代用于科学运算的Matlab平台与Simulink系统仿真平台，二者相结合成为控制系统动态建模、仿真的最实用的仿真软件。Matlab(即矩阵实验室)属于同时具有命令翻译、科学数值计算和图形处理等功能的交互式软件系统。Matlab软件1984年首次进入市场的，此后长期被改善，如今已成为了科学计算领域的一个标志；随后在1993年开发Simulink平台，这是在原有框图的情况下更加具有实用性仿真平台，Simulink是在Matl

40、ab环境下进行仿真，是Matlab为中心的包括数字、图像、编程功能以及在这些功能基础之上进行仿真和原型设计的一种工具，应用于对真实世界的动态系统的建模、仿真和分析。两者相互弥补，形成一种“基于模型=(Model-Based Design)”的系统开发平台。其主要作用是，通过虚拟系统中所搭建的物理原型，在同环境下对其仿真从而能够迅速完成对电路设计的完善。Matlab常用多种平台为基础来仿真，它内部的Simulink工具箱要优于其他仿真软件，所以在一般设计中，经常用Matlab进行仿真。SIMULINK的功能为对不稳定物理模型进行建模、仿真和分析，在现场的操作非常优秀的软件，它不仅包括连续、离散线

41、性和非线性系统，而且还支持连续、离散相互混合的线性和非线性系统，除此还同时兼容多种采样频率的系统。当工作时，单靠鼠标方可达到在窗口中直接地“画”模型的目的，画完完整模型时，鼠标点击运行方可对电路实施仿真。为了方便，它还为客户设置了一个简单的方框图进行建模的图形接口，如此一来，在画模型图时就像自己用手在纸上画模型一样具有真实感，要比在原来的方法更有人性化的设计。同一般仿真软件对比，例如要对较传统的微、差分方程建模比较，它便存在很多优点，所以它成为了最常用的应用软件。SIMULINK包含有SINKS(输入方式)、SOURCE(输入源)、LINEAR(线性环节)、NONLINEAR(非线性环节)、(

42、连接与接口)和(其他环节)子模型库，并且在任一子模型库中还有功能差异模块。用户可以根据自己的实际情况设计和创建属于用户自己的模块。Simulink比其他软件突出的优点是，具有控制系统模型图形组态输入与仿真功能，也就是说用户只需要提供一些需要建立的数学模型和一些具体的模拟要求，用户调出模块库，从中选择需要的模块再一一组合一起，综上所述，用户只需要了解所用模块的输入输出的数学关系，不需要了解模块内部是怎样进行工作的，最后，用户利用模块库中基本模块的适当选择，将这些模块按照正确的方式搭建控制系统仿真模型，再对整个电路完成仿真与分析。这一较其他软件突出的优点令一个比较繁琐的系统的仿真建模更加容易，是平

43、常一般普通仿真软件不存在的突出特点12。用搭建模型能够呈现出递阶结构，所以使用者能够根据自己的情况考虑设计从上到下或者是从下到上的结构搭建准确结构模型。人们从为高级浏览，选中系统模块再双击，方可得下级电路结构，以此类推，能够调出所搭建的整个模型的电路图细节，有利于用户认识模型的结构和各模块之间的相互关系。当定义完成时，人们能够打开菜单或命令窗口编写命令完成其系统的仿真。打开菜单方式输入指令的方式简化了交互工作的操作，而通过命令窗口输入指令的方式，比菜单方式更有助于运行一大类仿真。打开SCOPE和别的画图模块，在进行电路仿真的时，人们能查看电路仿真结果。不光有上边的功能，人们也能通过变换参数达到

44、快速看到里边各模块变化情况。这个电路仿真结果人们能够自由保存到工作空间里进行处理13。Simulink给予多种仿真工具，特别是不断完善、增加内容的模块库给系统仿真带来了很多的方便。各学科领域根据本学科的仿真需要，在Matlab现有情况下，创造出更多的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式放入Simulink中，充实模块库。Simulink模块库实际上就是用Matlab基本语句编写的子程序集。从Simulink4.1版开始，就包含有电力系统模块库。Simulink变成环境比较随意，在这里用户创造须要的任一模型是被允许的，通过存在的模块构成针对具体仿真实验须要的新型模块，以扩充现有的模型库14。要

45、建立自己的模型，主要有如下方法工如下。(1)用现有模型组合成新的自定义功能模型。(2)使用Matlab Function模型调用Matlab函数，构造形如y=f(x)的函数。(3)通过S-Function模板构造新功能模块，依照需要设计的模型的数学模型和相关的状态函数设计出可实现所需功能的新功能模块。综上的所介绍的几种方法中，一般情况下为了操作方便，为了更简单和快的完成仿真，通常采用第1种方法，具体操作的步骤为用Simulink提供的一个建立子系统Subsystem的功能，建立完成后将编辑区内的所有的实现电路功能的模块按照正确的顺序方法搭建起来，最终在编辑区内形成一个完整的能够实现设计要求的新

46、功能模块。当然有时候需要组成的系统会很复杂，这时候就会出现子系统的内部包含二级子系统模块，多层嵌套等组成一个繁琐子系统情况，很随意的操作便搞定功能模块封装，模块体积不在那么大了，该系统主要采用第一种方法来完成系统的仿真15。4.2系统的主电路的仿真系统主电路的仿真主要是根据总的硬件电路原理图在Matlab中选择好各个模块后搭建主电路仿真图，把给定的直流110V电压先升压到稳定的400V直流电，再把直流电逆变成所需要的230V、50Hz交流电如图4-1所示。图4-1主电路仿真图4.3仿真结果分析在本设计中，直流110V电源是模块库中模块。把给定的直流110V，经Boost升压后直流电压稳定在40

47、0V，升压仿真建模图如图4-2所示。图4-2升压仿真建模图升压斩波电路中电感L的参数选择如图4-3所示。图4-3电感参数选择升压斩波电路中开关管IGBT的参数选择如图4-4所示。图4-4开关管参数选择升压斩波电路中电容C参数选择如图4-5所示。图4-5电容参数选择升压斩波电路中电阻R的参数选择如图4-6所示。图4-6电阻参数选择把给定的110V直流电经升压斩波电路后输出稳定的400V电压，在Matlab中对升压斩波主电路进行仿真，输出的波形如图4-7所示。图4-7升压主电路输出波形逆变电路中选用模块中的模块。将直流升压后得到的稳定的400V直流电源逆变成230V/50Hz的交流电。逆变模块中主

48、要的元器件为开关管IGBT，它的参数选择如图4-8所示。 图4-8开关管参数选择直流升压后得到的稳定的400V直流电源经逆变电路逆变成230V/50Hz的交流电，在Matlab中对逆变主电路进行仿真，得到的波形如图4-9所示。图4-9输出波形第5章结论本次课题设计的是机车空调车载逆变电源的硬件主电路图。本次设计采用的是比较经典的两级变换的方式，即第一级是运用直流/直流的变换方式，第二级是运用直流/交流的变换方式。在该车载逆变电源中开关管IGBT是主要的核心元器件，主电路由boost升压斩波电路，spwm逆变电路和滤波输出组成。该逆变电路的主要功能是把机车上提供的110V直流电压先升压到400V

49、稳定的直流电，再逆变成机车电器所需要的230V/50HZ的交流电压，给机车提供电能，改善机车车室的环境。本次设计主要计算了各个模块中的参数计算，并根据计算出来的数值对元器件进行型号的选择，并把计算出来的值输入到Matlab中，并对主电路进行仿真，得到相应的波形，通过输出的波形来检验得到的结果是否正确。参考文献1 康华光.电子技术基础数字部分(第五版)M.北京:高等教育出版社,2005. 2 胡宴如,耿苏燕.高频电子线路M.北京:高等教育出版社,2006. 3 李小坚,赵山林,冯小君电路设计与制版实用教程(第2版)M.北京:人民邮电出版社,2008.4 周志敏,周纪海,纪爱华.现代开关电源控制电

50、路设计及应用M.北京:人民邮电出版社,2005. 5 康华光,陈大钦.电子技术基础(模拟部分)(第四版)M.北京:高等教育出版社,1999. 6 戴盛春.二极管的特性与应用M.中文期刊数据库,2010. 7 王志良.电力电子新器件及其应用技术M.北京:国防工业出版社,1995.8 李爱文,张承慧.现代逆变技术及其应用M.北京:科学出版社,2000. 9 丁浩华.带电流和短路保护的IGBT驱动电路研究J,1997. 10 周志敏,周纪海.开关电源实用技术设计与应用M.北京:人民邮电出版社,2003. 11 张占松等.开关电源的原理与设计M.北京:电子工业出版社,1999. 12 Stephan Zwahlen.Constant innovations demanded by tools: Diamond ReviewJ ,2004. 13 王英剑.新型开关电源实用技术M.北京:电子工业出版社,1999. 14 李政,单庆晓,一种低成本的车载逆变电源.电源技术应用J,2004. 15 都永超,朱汉林.12V/220V车载逆变电源实用制作技