电力电子课程设计--三相逆变电路的设计及其研究文档格式.docx

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关键字：

逆变；

全桥；

SIMULINK；

负载

1引言

上学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泛，在电机学，自动控制原理、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

2.1.1MATLA的基本介绍

MATLAB（矩阵实验室）是MATrixLABoratory的缩写，是一款由美国TheMathWorks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。

2.1.2MATLAB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CleveMoler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、SteveBangert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。

2.1.3MATLAB的特点

1）高效的数值计算及符号计算功能，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。

2.1.4MATLAB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，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MATLAB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

负

载

输

出

三相逆变仿真电路的设计

六

脉

冲

触

发

三相全桥

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。

[1]

2、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）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

3SIMULINK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

3.2SIMULINK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

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

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

我完成了老师交代的课程设计任务，电力电子是大二学习的课程，所以有些知识点已经有些忘了，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；

但是在我翻书仔细思考后我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，这对我来说是一个很大的挑战，在满是英文的界面里寻找我需要的模块，给了我好大的压力，我在宿舍里不断练习，所谓勤能补拙，熟能生巧，应该也是这样吧，几天过去了，总算能很快找到模块接好电路；

出波形时，又很难调试出跟理论上相似的波形，为此我上网查原因，去图书馆查资料，总算得出原因，经过努力得出了波形，感受到了科研出结果的艰辛与不易。

对于此次课程设计，要特别感谢谢老师的悉心教导，和我同学对我的帮助，我才能在短期内比较灵活的使用软件。

以后还有很多路要走，我要从此次课程设计得到的经验来走好我的将来的路。

参考文献

[1]陈建业.开关电源计算机仿真技术[M].电子工业出版社

[2]陈坚.电力电子学,第二版[M].高等教育出版社,2003

[3]程汉湘编著.电力电子技术[M].科学出版社,2007