基于-SIMULINK交直交变压变频器中逆变器基于-SIMULINK交直交变压变频器中逆变器电力电子仿真

1、-. z课程设计论文任务书电气学院电气工程及其自动化 专业 *班 一，课程设计论文题目交-直-交变压变频器中逆变器的仿真二，课程设计论文工作 自2021年 6 月20日至2011年6月26 日止三，课程设计论文要求：1利用matlab下的simulink和simpowersystems工具箱构建逆变器的仿真模型。2要求对主电路和脉冲电路进展封装。 3仿真参数为：E=100-300V; f=50Hz;交流电压220V; h=0.0001s，其他参数自定。 4给出a角分别为0、30、90度时，负载为纯电阻和阻感性负载两种情况下的逆变电路的各种波形、包括触发脉冲波形、相电压和线电压波形、电流波形和晶

2、闸管所承受电压波形，要求采用subplot作图。 5比拟仿真结果有何变化，给出自己的结论。 学生签名：*2011年 6 月26 日 课程设计论文评审意见评阅人： 职称： 年 月 日 基于SIMULINK的交-直-交变压变频器中逆变器的仿真*摘要：Matlab语言具备高效、可视化及推理能力强等特点，是目前工程界流行最广的科学计算语言，而就电力电子而言，很多课程的相关实验都与Matlab密不可分。本文以三相桥式全控逆变电路的仿真实例，表达了利用Matlab/Simulink对逆变电路进展建模仿真的方法，并给出了仿真结果波形。在忽略了一局部对误差影响较小而使算法复杂度大大增加的因素，对其部电流、电压

3、、电感及相位的相互关系进展了一系列定量分析，并通过对仿真结果分析就可以将系统构造进展改良或将有关参数进展修改使系统到达要求的结果和性能，这样就可以极加快系统的分析与设计过程。关键词：逆变器；仿真；波形 ；电力电子目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc27233 第1章 引言5 HYPERLINK l _Toc8835 1.1引言5 HYPERLINK l _Toc17470 1.2 逆变电路概述5 HYPERLINK l _Toc25624 1.3 系统仿真技术概述6 HYPERLINK l _Toc2844 1.4 仿真软件的开展状况与应用7 HYPERLINK

4、l _Toc326 1.5 MATLAB及SIMULINK概述8 HYPERLINK l _Toc8276 1.6 小结9 HYPERLINK l _Toc13563 第2章电路根本原理10 HYPERLINK l _Toc32327 2.1 交-直-交变压变频器的根本构造10 HYPERLINK l _Toc13964 2.2 三相桥式全控逆变电路原理10 2.2.1带负载时的工作情况11 HYPERLINK l _Toc25901 第3章 仿真系统总体设计14 HYPERLINK l _Toc2681 3.1系统对象14 HYPERLINK l _Toc4061 3.2 系统封装模块14

5、HYPERLINK l _Toc17940 第4章 仿真电路设计 PAGEREF _Toc17940 15 HYPERLINK l _Toc30737 4.1 仿真电路的总体设计 PAGEREF _Toc30737 15 4.2 电路的各模块设计及封装15 4.2.1 电源15 4.2.2 触发脉冲16 4.2.3 全控器件IGBT17 HYPERLINK l _Toc15983 第5章 电路仿真运行19 5.1 0电阻负载电路时仿真运行19 5.2 0阻感负载电路时仿真运行 24 5.3 30阻感性负载电路时仿真运行 26 5.4 90阻感性负载电路时仿真运行27 5.5 小结28 HYPE

6、RLINK l _Toc15983 第6章 结论29 HYPERLINK l _Toc9860 参考文献：30第一章引言1.1 引言随着大功率全控型电力电子器件GTO、IGBT、MOSFET、IGCT的开发成功和应用技术的不断成熟，电能变换技术出现了突破性进展。由于像逆变电源之类大功率电力电子装置构造复杂，直接对装置进展试验，耗资耗力，故借助计算机仿真技术对装置的运行机理与特性、控制方法的有效性进展验证，以预测并解决潜在的问题，同时缩短研制时间和减少研制费用。MATLAB软件具有模拟、数字混合仿真功能，具备大量的模拟功能模型和系统分析能力，对于一个三相电压型逆变电路建立仿真模型，能够对其输出特

7、性进展仿真分析。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术整流，逆变，斩波，变频，变相等两个分支。现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业根底课，在培养该专业人才中占有重要地位。电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其开展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。1.2逆变电路概述逆变电路是与整流电路Rectifier相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。逆变电路是通用变频器核心部件

8、之一，起着非常重要的作用。它的根本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用变频器、不连续电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心局部都是逆变电路。在工业中得到广泛应用。生产中最常见的交流电源是由发电厂供电的公共电网中用线电压方均根值为380V，频率为50Hz供电制。由公共电网向交流

9、负载供电是最普通的供电方式。但随着生产的开展，相当多的用电设备对电源质量和参数有特殊要求，以至难于由公共电网直接供电。为了满足这些要求，历史上曾经有过电动机发电机组和离子器件逆变电路。但由于它们的技术经济指标均不如用电力电子器件如晶闸管等组成的逆变电路，因而已经或正在被后者所取代。为了满足不同用电设备对交流电源性能参数的不同要求，已开展了多种逆变电路，并大致可按以下方式分类。按输出电能的去向分，可分为有源逆变电路和无源逆变电路。前者输出的电能不返回公共交流电网，后者输出的电能直接输向用电设备。按直流电源性质可分为由电压型直流电源供电的电压型逆变电路和由电流型直流电源供电的电流型逆变电路。按主电

10、路的器件分，可分为：由具有自关断能力的全控型器件组成的全控型逆变电路；由无关断能力的半控型器件如普通晶闸管组成的半控型逆变电路。半控型逆变电路必须利用换流电压以关断退出导通的器件。假设换流电压取自逆变负载端，称为负载换流式逆变电路。这种电路仅适用于容性负载;对于非容性负载,换流电压必须由附设的专门换流电路产生，称自换流式逆变电路。按电流波形分，可分为正弦逆变电路和非正弦逆变电路。前者开关器件中的电流为正弦波，其开关损耗较小，宜工作于较高频率。后者开关器件电流为非正弦波，因其开关损耗较大，故工作频率较正弦逆变电路低。按输出相数可分为单相逆变电路和多相逆变电路。1.3 系统仿真技术概述系统是由客观

11、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*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。非工程系统的定义围很广，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*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开展和广泛应用，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

12、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，又可以分为连续系统、离散时间系统、离散事件系统、混杂系统等。还可细分为线性、非线性、定常、时变、集中参数、分布参数、确定性、随机等子类。系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科，现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的根本容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。1.4计算机仿真软件的概况 早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段：20世纪40年代模拟计算机仿真；50年代初数字仿真；60年代早期仿真语言的出现等。80年代出现的面向对象仿真技术为系统

13、仿真方法注入了活力。我国早在50年代就开场研究仿真技术了，当时主要用于国防领域，以模拟计算机的仿真为主。70年代初开场应用数字计算机进展仿真4。随着数字计算机的普及，近20年以来，国际、国出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如CSMP，ACSL， SIMNOM， MATLAB/Simulink， Matri*/System Build， CSMP-C等。1.5Matlab及Simulink概述MATLAB是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件，被誉为巨人肩上的工具。MATLAB系统可分为五个局部:

14、1MATLAB语言。 这是一种高级矩阵语言，其有着控制流程状态，功能，数据构造，输入输出及面向对象编程的特性。它既有小型编程的功能，快速建立小型可弃程序，又有大型编程的功能，开发一个完整的大型复杂应用程序。2MATLAB的工作环境。 这是一套工具和设备方便用户和编程者使用MATLAB。它包含有在你的工作空间进展管理变量及输入和采集数据的设备。同时也有开发，管理，调试，( profiling M-files， MATLABs applications。)的系列工具。3图形操作。 这是MATLAB的图形系统。它包含有系列高级命令，其容包括二维及三维数据可视化，图形处理，动画制作，表现图形。同时它也

15、提供低级命令便于用户完全定制图形界面并在你的MATLAB软件中建立完整的用户图形界面。4MATLAB数据功能库。 它拥有庞大的数学运算法则的集合，包含有根本的加，正弦，余弦功能到复杂的求逆矩阵及求矩阵的特征值， Bessel功能和快速傅立叶变换。5MATLAB应用程序编程界面。 这是一个允许你在MATLAB界面下编写C和Fortran程序的库。它方便从MATLAB中调用例程(即动态)，使MATLAB成为一个计算器，用于读写MAT-files。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标

16、操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、构造和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进展建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同局部具有

17、不同的采样速率。为了创立动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创立过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。1.6 小结利用MATLAB来仿真逆变电路的运行情况，减少了用实际硬件实验的繁琐，防止了用硬件实验的各种误差。Matlab软件仿真电路可以帮助研究者更好更方便的了解逆变电路的特性，以便进一步改善其效率。第二章整流电路根本原理2.1 交-直-交变压变频器的根本构造交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如图1所示。 图2

18、-1 交-直-交变压变频器根本构造图2.2 三相逆变电路的拓扑图交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，图为6个电力电子开关器件VT1VT6组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。图2-2 三相电压型电路拓扑图带电阻负载时的工作情况三相电压型电压型逆变电路只要实现功能就是将直流电压变换成交流电压。图中V1V6的触发脉冲具有如下特征：上下桥臂导通角相差，左右桥臂导通角相差。电路图如下列图2-3。以U相为例，当导通时，给下桥臂以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点输出电压。当关断时，给以导通信号，则。但与的驱动信号始终是互补的，当

19、给加以导通信号时，可能导通，也可能是二极管续流导通，这是有阻感负载中电流方向决定，这就是三相桥式电路的双极型调制特性。由上分析，的波形是幅值为的矩形波，V、M两相情况跟U相类似。所以负载线电压、为 图2-3负载相电压、为负载中点和电源中点间电压为负载三相对称时有，于是。所以也是矩形波，其频率为的3倍，幅值为其，即。三相逆变输出的电压与电流分析类似，负载参数，以U相为例，负载的阻抗角不一样，的波形形状和相位都有所不同，在阻感负载下时，从通态转换到断态时，因负载电感中电流不能突变，先导通续流，待负载电流降为零，才开场导通。负载阻抗角越大，导通时间越长。在时，时为导通，时为导通；在时，时导通，时为导

20、通。、的波形与形状一样，相位一次相差。将三个桥臂电流相加可得到直流侧电流。在上述导电方式逆变器中，我们采用先断后通的方法来防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电压短路，使得在通断信号之间留有一个短暂的死区时间。第三章 仿真系统总体设计3.1 系统对象本次研究对象为全控器件IGBT，直流电源，及脉冲，其局部参数为：T=0.02，E=220V3.2系统封装模块 电源直流电源，E=220V 脉冲。 6个脉冲，频率50Hz，的触发脉冲相位依次相差120，/相位依次相差180,各触发脉冲占空比为50%，并且需把所有脉冲封装起来，并设置触发角。IGBT 频率50Hz，把六个IGBT连成桥式电

21、路，并且封装起来仿真详细设计4.1 电路的总体设计整个仿真系统总体设计如图4-1所示，其封装的子模块共有三个，分别为电源模块，IGBT模块，脉冲模块。 图4-1系统总体框图4.2 电路的具体设计 电源在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。两个大电容起稳压作用，此处，用两个直流电源代替。 图4-2 电源模块框图触发脉冲以V1为基准，其他的IGBT在此根底上设置相位。 ：(a-360*3)/360*0.02：(a+180-360*3)/360*0.02：(a+120-360*3)/360*0.02：(a+420-360*3)/360*0.02：(a+240-

22、360*3)/360*0.02：(a+300-360*3)/360*0.02幅值：1 周期：0.02s 占空比：50%按如上设置各全控器件的触发脉冲，最后把所有脉冲封装成一个模块，并设置触发角a。 图4-3 脉冲模块框图IGBT桥式电路主电路 该模块是由六个IGBT组成的桥式逆变电路模块，晶闸管参数设置如下： 桥式电路封装模块部构造如下： 图4-4 IGBT桥式电路模块框图系统仿真运行5.1 0电阻负载电路时仿真运行参数设置为：a=0，此时的电路仿真波形如下：subplot(6,1,1)plot(a.time,a.signals(1,1).values);a*is(0,0.06,0,1.5);

23、title(V1的触发脉冲);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(6,1,2)plot(a.time,a.signals(1,2).values);a*is(0,0.06,0,1.5);title(V3的触发脉冲);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(6,1,3)plot(a.time,a.signals(1,3).values);a*is(0,0.06,0,1.5);title(V5的触发脉冲);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(6,1,4)plot(a.time,

24、a.signals(1,4).values);a*is(0,0.06,0,1.5);title(V2的触发脉冲);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(6,1,5)plot(a.time,a.signals(1,5).values);a*is(0,0.06,0,1.5);title(V6的触发脉冲);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(6,1,6)plot(a.time,a.signals(1,6).values);a*is(0,0.06,0,1.5);title(V4的触发脉冲);*label(t/s);yla

25、bel(u/v);grid on各触发脉冲波形图 图5-1直流电源波形图5-2 电阻性负载时，相电压、线电压以及电流波形、IGBT所承受的电压波形用subplot作图，程序代码如下:：clcsubplot(5,1,1)plot(a1.time,a1.signals(1,1).values);title(IGBT V1两端的电压波形u(V1);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(5,1,2)plot(a1.time,a1.signals(1,2).values);title(IGBT V1两端的电流波形i(V1);*label(t/s);ylabel(i

26、/A);grid onsubplot(5,1,3)plot(a1.time,a1.signals(1,7).values);title(电压 u(UN)的波形);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(5,1,4)plot(a1.time,a1.signals(1,8).values);title(电压 u(VN)的波形);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(5,1,5)plot(a1.time,a1.signals(1,9).values);title(电压 u(WN)的波形);*label(t/s);ylabe

27、l(u/v);grid on 图5-3clcsubplot(4,1,1)plot(a1.time,a1.signals(1,3).values);title(相电流 iUN的波形);*label(t/s);ylabel(i/A);grid onsubplot(4,1,2)plot(a1.time,a1.signals(1,4).values);title(相电压 uUN的波形);*label(t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(4,1,3)plot(a1.time,a1.signals(1,5).values);title(线电压 u(UN)的波形);*label(

28、t/s);ylabel(u/v);grid onsubplot(4,1,4)plot(a1.time,a1.signals(1,6).values);title(电压uNN)的波形);*label(t/s);ylabel(u/v);grid on 图5-4对负载相电压、相电流以及线电压、全控器件两端电压的频谱分析如下：负载相电压频谱图 图5-4 负载相电流频谱图 图5-5线电压频谱图 图5-6 IGBT V1上电压频谱图 图5-75.20带阻感负载时的仿真波形参数设置为：， 图5-8 图5-9各波形频谱图分析如下：相电流iUN的频谱图 图5-105.330阻感性负载时的仿真波形 图5-115.4 90阻感性负载时的仿真波形 图5-145.5小结本次模拟主要仿真三相桥式电压型逆变电路，从输出图形可以看出，电阻性和阻感性负载的负载电压均呈正弦式，证明设计根本到达了