祝同课程设计报告(1)

1、 电力电子技术课程设计题 目： 三相逆变电路的设计及其研究 专 业： 电气自动化技术 班 级： 14电气 姓 名： 刘祝同 学 号： 140104011 指导教师： 喻丽丽 目录三相逆变电路的设计及其研究21 引言22 设计依据及框图32.1 设计平台32.2 设计思想42.3 设计结构框图42.4 三相全桥逆变的理论分析43 SIMULINK仿真调试分析93.1三相逆变电路SIMULINK仿真调试分析93.2 SIMULINK示波器观察的波形图123.3 谐波分析134 结语164.1 结论与讨论164.2 心得体会17参考文献18三相逆变电路的设计及其研究摘要：本课程设计报告主要研究了三相

2、逆变电路的设计的问题，根据逆变电路相关理论知识，利用MATLAB软件的SIMULINK进行仿真，对仿真出的相关波形与理论分析得出的结论比较，总结出三相逆变电路的设计是否正确，逆变电路负载特性，再对其进行进一步研究，本课程设计主要采用应用非常广泛的三相全桥逆变电路进行研究。关键字：逆变；全桥；SIMULINK；负载1 引言今年我们开设了电力电子技术这门课，这是一门非常基础和有用的课程。学会了这门课之后可以实现AC/DC，DC/AC（本课程设计主要涉及的逆变），DC/DC，AC/AC这些变换，还可以利用这些变换对电机进行控制，例如可以实现电机的变频调速等控制。MATLAB这个软件不仅在数学上应用广

3、泛，在电机学，电力电子技术这些课程上的应用也十分广泛。本次课程设计的目的是为了：一、进一步理解和消化书本知识，运用所学知识和技能进行简单的设计。二、通过课程设计提高应用能力，为专业课的学习打下基础。 三、培养查阅资料的习惯,训练和提高独立思考和解决问题的能力。 四、对得出的仿真结果与理论分析结果进行比较，得出相关结论。2 设计依据及框图2.1 设计平台2.1.1 MATLA的基本介绍 MATLAB（矩阵实验室）是MATrix LABoratory的缩写，是一款由美国The MathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值

4、计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C+和FORTRAN）编写的程序。2.1.2 MATLAB的发展历史20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。2.1.3 MATLAB的特点1) 高效的数值计算及符号计算功

5、能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；2) 具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供了大量方便实用的处理工具。2.1.4 MATLAB的SIMULINK仿真优势SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，

6、采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。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包含有SINKS（输入方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性环节）、NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创建用户自己的模块。    用SIMULINK创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统

7、模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过SIMULINK的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用SCOPE模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。    模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB的许多工具及MATL

8、AB的应用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。2.2 设计思想2.2.1三相逆变设计电路思想1、 问题重述： 将380V的直流电源逆变成频率为50HZ的有效值为220V的三相交流电源，采用应用非常广泛的三相全桥逆变电路，开关管采用六个IGBT，三个单相逆变器的开关管驱动信号之间互差，三相输出电压、大小相等，基波互差，构成一个对称的三相交流电源。逆变器的负载选用三角形联结进行研究。2、 设计思想： 问题中的六个IGBT采用MATLAB里的六脉波触发器进行控制，使得每个开关管的导通角为，同一个桥臂的上、下两个开关管互

9、补通、断，对每个桥臂按导电方式且相位上互差进行驱动。2.3 设计结构框图三相全桥 三相逆变仿真电路的设计 六 脉 冲 触 发 负 载 输 出 图1：三相全桥逆变电路设计结构框图2.4 三相全桥逆变的理论分析2.4.1 电压型三相全桥逆变电路的工作原理1、 逆变器逆变器也称逆变电源，是一种可将直流电变换为一定频率下交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言，逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电，称为DC-AC变换。这是与整流相反的变换，因而称为逆变。12、 三相全桥逆变电路三相全桥逆变电路要求直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为120°的交流

10、电。 图2：三相逆变主电路图2是一种应用非常广泛的三相桥式逆变电路。如果以直流电源中间点O为参考电位，该电路可以看做是由三个单相半桥逆变器组合而成的三相逆变器。同一桥臂的上、下两个开关管互补通、断。如A相桥臂上臂T1管导通时，下管T4截止；T4导通，T1截止。每个桥臂按导电方式且相位上互差进行驱动，则在任何时刻都有三个开关管同时导通，导通顺序为1、2、32、3、43、4、54、5、65、6、16、1、2，如此循环。3、 三相星形负载图3：三相星形负载 逆变器的三相负载可按星形或三角形联结。当负载如图3所示的星形接法时，必须先求出负载的相电压，才能求出相应的逆变器输出的电流。4、三相全桥逆变总电

11、路图4：三相全桥逆变总电路2.4.2 周期内，三相全桥逆变电路的定量电路分析模式一：第一个周期期间，、有驱动信号分别使得开关管5、6、1导通。由上图4可知。三相桥的A、C两端接正端P，而B点接负端Q。 （a） 模式一等效电路由上图（a），A相和C相负载并联，等效电阻为。在与B相负载R串联。由分压公式易知：，。模式二：第二个周期期间，、有驱动信号分别使得开关管6、1、2导通。由上图4可知，A点接正端P，B、C接负端Q。 （b） 模式二等效电路如上图（b）易知：，。 模式三：第三个周期期间，、有驱动信号分别使得开关管1、2、3导通。由上图4可知，三相桥的A、B两端接正端P，而C点接负端Q。 （c）

12、 模式三等效电路2.4.3 电路分析后得到的理论波形：1、 六脉冲触发器应输出的理论波形2、 对应模式下输出的线电压、相电压 线电压 相电压3 SIMULINK仿真调试分析3.1三相逆变电路SIMULINK仿真调试分析3.1.1六脉波脉冲触发器的仿真参数设计3.1.1.1理论分析： 图5：六脉波发生器 要求产生的脉波导通角为（即脉冲宽度为），其中alpha_deg端口代表的是脉冲的移向角，在本课程设计中移向角的参数不影响实验结果。Block端口给大于0则封锁脉冲，给0则使发生器工作。 AB、BC、CA接一个三相交流电源的相电压。 3.1.2实际的参数设置：3.1.2 三相全桥电路的开关管的选型

13、以及参数设置3.1.2.1 理论分析：六脉冲触发器产生的周期性六脉波T1、T2、T3、T4、T5、T6之间相位上互差，对每个桥臂要相位上互差进行导通，同一个桥臂上的两个开关管不能同时导通，又因为开关管采用了的导电形式，所以只能将脉冲T1和T4组合控制同一个桥臂上的两个晶闸管（同一桥臂互差导通）作为A相，将T3和T6组合作为B相（不同桥臂要互差），其余两个作为C相。开关管选用IGBT。3.1.2.2参数设置3.1.3 总的MATLAB的SIMULINK仿真接线图3.2 SIMULINK示波器观察的波形图3.2.1 六脉冲发生器产生的六个脉冲观测的波形3.2.2 线电压VAB,相电压VAN,VBN

14、的波形 将此仿真的得出的波形与理论波形相对比，得出此仿真波形与理论分析的波形一致，根据仿真的波形，可以得出，星形负载电阻上的相电压、是阶梯波。根据傅里叶分析负载电压的阶梯波，对其进行傅里叶级数分解，得出基波，再经过滤波就能得到平滑的正弦波。3.3 谐波分析将时间坐标起点取在阶梯波的起点，利用傅里叶分析仿真波形图中A相负载电压。查电力电子技术书后附录（A-16）得到无3次谐波，只含5、7、11、13等高次谐波，N次谐波的幅值为基波幅值的。通常只要采用变压器，将变压器的二次绕组都结成星形以便消除三倍基波频率的谐波。得出的示波器的波形：（以下依次是、经过变压器滤波之后的波形） 的波形 的波形 的波形

15、4 结语4.1 结论与讨论4.1.1三相全桥主电路设计的结论六脉冲触发器产生的周期性六脉波T1、T2、T3、T4、T5、T6之间相位上互差，对每个桥臂要相位上互差进行导通，同一个桥臂上的两个开关管不能同时导通，又因为开关管采用了的导电形式，所以只能将脉冲T1和T4组合控制同一个桥臂上的两个晶闸管（同一桥臂互差导通）作为A相，将T3和T6组合作为B相（不同桥臂要互差），其余两个作为C相。要注意不能出现同一个桥臂上的两个开关管同时导通的情况。 上述图中的情况是一定不能出现的，而导通的IGBT如果不能可靠的导通或关断时，将会出现严重的后果。由于开关的控制并不是理想的那么精密，在同一相的两个正负开关在

16、各自闭合断开的瞬间有可能同时断开或同时闭合。若同时闭合，如上图所示，直流侧电压源短路发生危险。因此，为保证两开关在断开闭合时不会发生重叠，在同时开关闭合瞬间改为一段死区时间，即两开关首先同时关闭一段时间，而后其中一个开关再进行下一步闭合动作。时间内，正负开关均断开，而后再打开其中一个，保证了交替过程中不会有同时打开的可能。的具体时间长短则要根据实际中使用的器件性能参数予以确定。这种方法可以有效避免实际生产过程中逆变电路的风险。4.1.2 仿真模型设计过程中出现的问题的体会本课程设计在SIMULINK的仿真环境下进行的，它有很好的有点是好多期间都是模块化的，例如六脉冲发生器，还有三相全桥等。这些

17、模块并不是想当然的使用的，要了解这个模块具体的工作性能。还有就是电路的设计一定要一步一步来，不能急于求成！脉冲触发电路一定要得到到正确的脉冲波形后才加到晶闸管上，对晶闸管进行控制。4.2 心得体会为期一个星期的电力电子课程设计结束了，我顺利完成了老师交代的课程设计任务，刚刚接触这个课题的时候还是很困难的，觉得有些无从下手，后来我们把教材好好的研究了一下，才开始有了头绪，有了思路，之后的课程设计还是比较顺利的。起初老师布置给我们的任务看似简单明了，但是随着课题的选择就出现了麻烦，许多东西有印象但是却不能去完整的表述和理解，在最开始就出现了麻烦；但是在我们翻书仔细思考后我们还是选出了合适自己的课题；在复习了先前的知识以后，才对所要求的电路有一个大概的了解，可是，拦路虎始终都会出现，此次课程设计最核心的部分就是用Matlab仿真，而且要用到Simulink模块接线，这对我们来说是一个很大的挑战，在满是英文的界面里寻找我们需要的模块，给了我们好大的压力，我们在宿舍里不断练习，所谓勤能补拙，熟