电力电子电路设计与仿真.docx
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电力电子电路设计与仿真
1设计
1.1总体设计
根据本课题需要,我们需要设计一个逆变电源装置。
我们需要设计出输入输出滤波电路、逆变电路、驱动电路、检测电路、保护电路等模块并设计出其参数,其结构框图如Figure1所示。
Figure1总体结构框图
1.2逆变电源装置的主电路设计
电网的交流电经过二极管不控整流电路将交流电转换成脉动的直流电,经过直流滤波电路,使脉动的直流电的电压波形变得更加平滑,变成有一定纹波的稳压电源,经过三相逆变电路后,输出为三相交流电,再通过隔离变换电路,滤除三相交流电的直流成分,再经过输出滤波器,此时输出的三相交流电就能很好带动负载并能很好的的满足课题的需求。
Figure2主电路原理框图
1.2.1负载参数的计算
Figure3等效负载
Ⅰ负载电阻最小值
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
Ⅱ负载电感最小值
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
1.2.2滤波电容参数的计算
滤波电容与负载并联,对逆变电路输出电流影响较大,所以设计滤波电路时,先选择设计滤波电容。
首先取滤波电容容抗等于负载电感感抗的2倍
即错误!
未找到引用源。
则有错误!
未找到引用源。
我们取错误!
未找到引用源。
。
7个错误!
未找到引用源。
250V50HZ交流电路用于60HZ时耐压降为60%。
即:
250×0.6=150V>110V
错误!
未找到引用源。
1.2.3滤波电感参数的计算
滤波电感的作用是减小输出电压的谐波电压,保证基波电压的传输,即电感不可太大也不可以太小。
选取的电感参数应满足以下几个条件:
①滤波电路的固有频率应远离输出电压中可能出现的谐波频率,②错误!
未找到引用源。
不应太大而接近于1,③错误!
未找到引用源。
应该较小
我们取错误!
未找到引用源。
则有错误!
未找到引用源。
实取L=1.6mH,则有错误!
未找到引用源。
此时滤波电路的固有频率为错误!
未找到引用源。
1.2.4逆变电路的输出电压
Figure4逆变输出后的等效图Ⅰ空载
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
Ⅱ错误!
未找到引用源。
①额定负载
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
②过载倍数为2时
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
Ⅱ错误!
未找到引用源。
①额定负载
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
②过载倍数为2时
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
1.2.5三相逆变电路输出正弦电压
Figure5三相逆变拓扑图
三相桥式逆变电路输出电压为错误!
未找到引用源。
实际上由于桥臂上下管互补导通要保留“死区时间”,并且管子导通时有压降（错误!
未找到引用源。
输出电压达不到错误!
未找到引用源。
K:
与死区时间引起的降压系数（k<1;
m:
同一通路中开关器件个数,这里m=2;
由于错误!
未找到引用源。
设错误!
未找到引用源。
则有错误!
未找到引用源。
取错误!
未找到引用源。
E按有可能出现的最低电压取值380×0.9×1.35=461.7V
考虑整流电路降压后取450V
三相逆变电路输出电压为
错误!
未找到引用源。
1.2.6三相逆变电路和输出电压匹配
无隔离变压器时,逆变输出电流有效值
Ⅰ长期连续最大电流（一般满载
阻性错误!
未找到引用源。
阻感性错误!
未找到引用源。
Ⅱ短期最大电流（短期过载（R与错误!
未找到引用源。
支路过载
阻性错误!
未找到引用源。
阻感性错误!
未找到引用源。
无隔离变压器时,逆变输出电流峰值
Ⅰ长期输出电流峰值
错误!
未找到引用源。
Ⅱ短期最大电流（短期过载（R与错误!
未找到引用源。
支路过载
错误!
未找到引用源。
电压匹配:
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
则有错误!
未找到引用源。
由于实际中变压器有内阻。
需要考虑激磁等问题。
对N略作调整
错误!
未找到引用源。
我们取N=0.86
满载错误!
未找到引用源。
过载错误!
未找到引用源。
1.2.7开关器件的选择
开关器件的电流峰值
错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
开关器件的电流可选为电流峰值的1.5~2倍。
长期连续情况下取2倍2×282.625=565.364A选600A经济
过载情况下取1.5倍1.5×545.396=818.09A选900A安全
1.2.8主开关器件耐压
主开关器件的耐压根据所有工况的最高电压考虑
设下管开通下管关断,则下管所受的最大电压为:
错误!
未找到引用源。
主开关器件承受的最高电压一般出现在输入电压最高,输出负载最低即空载的情况下。
选开关元件耐压是实际工作电压的2倍,即1182.282V。
实际选取1200V耐压的开关元件。
2仿真
2.1SPWM逆变线路的数学模型
错误!
未找到引用源。
:
相应桥臂的开关函数对于全桥逆变电路,错误!
未找到引用源。
使用规则采样法错误!
未找到引用源。
错误!
未找到引用源。
:
是载波,错误!
未找到引用源。
是调制波。
带入式子则有错误!
未找到引用源。
2.2输出滤波模型
输出滤波电路图,如图下所示
Figure6
根据输出滤波电路写出如下关系式
1riVoVidtdiL--=0
1iidtdVoC-=
变换形式后的式为
11riVoViLsi--=o
iiCsVo-=1
画出输出滤波仿真模型,如图所示
Figure7
输出电压Vo与输入电压Vi的关系式为oirCsLCsr
LsVircsLCsVo1
1122+++-++=
2.3单相逆变器的控制策略
1.电压单闭环控制系统
单闭环控制系统仿真模型,如图所示
Figure8
在给定输入Vi与负载扰动输入io共同作用下下,闭环输出Vo（s为
（1（（
（（1（（2
3232sIoKsKsKrCLCsrLsssViKsKsKrCLCsKsKsKVoiPdiPdiPd++++++-+++++++=其闭环特征方程（sD为
iPdKKsKrCLCssD+++++=1（（（23主导极点21、S为
2211rrrrjSξωωξ-±-=、
非主导极点3S为
105（3-=-=nnSrrωξ期望的特征方程（sDr为
（2（（（（（22321rrrrrrrrrnsssssssssDωξωωξ+++=---=根据极点配置法求解,得
rCLCnKrrd-+=ωξ2（112（22-+=LCnKrrPωξLCnKrri3ωξ=rξ是阻尼比rω是自然振荡频率L为滤波电感C为滤波电容当8.0=rξ、3500r=ω、10n=、Ω=6.0r时,代入到（11-6、（11-7、（11-8中求得
8825.108=PK222950=iK02176.0=dK
2.4电流内环、电压外环双闭环控制系统
将滤波电感电流或滤波电容电流瞬时值作为反馈量引入控制系统,设置电流内化改善系统动态性能
双闭环控制系统仿真模型有三种情况
Figure9（a
Figure10（b
Figure11（c
如图a所示,模型1中负载扰动在内环之外,其优点是能方便的实现逆变器的过流保护,但对负载扰动的抗干扰性弱。
如图b所示,模型2中负载扰动在内环之内,其对负载扰动的抗扰性能要强于模型1,但其电感电流不受限制,不能通过限流实现对逆变器的保护。
如图c所示,模型3中引入了负载电流前馈补偿,电感电流受到了限制,系统也能根据负载扰动的变化及时的调整,抗扰性也比较好。
双闭环系统闭环特征方程（sD为
LCK
KsLCKKKKsLCCKKKsLC
KrCssDi
iiPiPiPPp
21122122213241（++++++
++
=
四阶系统期望闭环主导极点21、S为
2211rrrrjSξωωξ-±-=、
非主导极点3S、4S为
rrmSωξ-=3
rrnSωξ-=4期望的四阶系统特征方程（rsD为
（（2（（22rrrrrrrrnsmssssDωξωξωωξ++++=根据极点配置法求解,得
420rrLCmnaωξ=3212（rrrmnnmLCaωξξ++=222]22（1[rrmnnmLCaωξ+++=rrnmLCaωξ2（3++=PiP
KCKaK22211
--
i
iKaK20
1=
rCaKP-=
3
2
1（02
222122232=-+-+aKKKaKaCKPiPii
将8.0=rξ3500=rω10==nmΩ=6.0r,代入式子求得
901024.6⨯=a611030.3⨯=a4025.7212=a04.03=a
0923.3072=PK059.532=iK3459.21=PK7326.52671=iK
2.5电路仿真模型
电流内环、电压外环双闭环控制系统
双闭环控制系统仿真模型,如图所示
Figure12双闭环控制系统仿真模型1（负载扰动在内环外）Figure13双闭环控制系统仿真模型2（负载扰动在内环之内）Figure14双闭环控制系统仿真模型3（引入负载电流前馈补偿）2.6电路仿真图
Figure15电路仿真框图2.3电路仿真Figure16电路仿真结果
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