方波逆变电路的计算机仿真.doc

《电力电子电路的计算机仿真》
综合训练报告

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专业 电气工程及其自动化
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前言：

本文设计了一单相桥式方波逆变电路和一三相桥式方波逆变电路。
单相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电源为300V，电阻负载，电阻1欧姆，电感2mh。
三相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电源为530V，电阻负载，负载有功率1KW,感性无功功率0.1Kvar。
完成上述桥式方波逆变电路的设计，并进行计算机仿真，观察输出电压波形、系统输入电流波形、电压电流波形的谐波情况、不同仿真条件时系统输入输出的变化情况和理论分析的结果进行比较。

关键词：方波逆变器； IGBT开关器件；计算机仿真

目 录：

第一章 仿真软件简介¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼3

第二章 主电路图工作原理说明¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼4

3.1电力电子器件¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼4

3.2 逆变电路¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼4

3.3 逆变电路的基本工作原理¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼5

3.4 电压型逆变电路¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼5

3.5 电流型逆变电路¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼11

第三章 方波逆变电路的计算机仿真模型的建立¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼14

4.1单项桥式方波逆变电路仿真¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼14

4.2三相桥式方波逆变电路仿真¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼18

第四章　总结¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼23

第五章 参考文献¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼24

第六章 体会¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼25

第一章 仿真软件简介

一.MATLAB
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，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，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
优势方面：
（1）友好的工作平台和编程环境
（2）简单易用的程序语言
（3）强大的科学计算机数据处理能力
（4）出色的图形处理功能
（5）应用广泛的模块集合工具箱
（6）实用的程序接口和发布平台
（7）应用软件开发（包括用户界面）

第二章 主电路图工作原理说明
3.1电力电子器件
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆变器）、照像机的频闪观测器、感应加热（InductionHeating）电饭锅等领域。根据封装的不同，IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从TO－3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD （FleeWheelDiode）成对地（2或6组）封装起来的模块型，主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成系列化。
　　IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，与同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化 IGBT驱动器的原理图。
3.2 逆变电路
逆变概念：逆变——直流电变成交流电，与整流相对应。
主要内容：换流方式，电压型逆变电路，电流型逆变电路，多重逆变电路和多电平逆变电路。
无源逆变逆变电路的应用：
蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。
3.3 逆变电路的基本工作原理
单相桥式逆变电路为例：
S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。

图3-1 逆变电路及其波形举例
电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io滞后于uo，波形也不同（图3-1b）。
t1前：S1、S4通，uo和io均为正。
t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。
io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大
3.4 电压型逆变电路
逆变电路按直流电源性质分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路，
电流型逆变电路或电流源型逆变电路。
图3-1电路的具体实现。

图3-3 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）
电压型逆变电路的特点：
(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动
(2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同
(3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管
（1）单相电压型逆变电路
1、半桥逆变电路
电路结构：见图3-4
工作原理：
V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时，图5-6b，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。

图3-4 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形
优点：简单，使用器件少
缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW以下的小功率逆变电源。
单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。
2、全桥逆变电路
电路结构及工作情况：
图3-3，两个半桥电路的组合。1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°。uo波形同图3-4b。半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和图3-4b中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。
输出电压定量分析
uo成傅里叶级数
基波幅值
基波有效值
uo为正负各180º时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。
移相调压方式（图3-5）。
可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180º正偏，180º反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。V3的基极信号只比V1落后q ( 0<q <180º)，V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180º-q，uo成为正负各为q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效值。

图3-5 单相全桥逆变电路的移相调压方式
（2）三相电压型逆变电路
三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。应用最广的是三相桥式逆变电路
可看成由三个半桥逆变电路组成。
180°导电方式：
每桥臂导电180º，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120º，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。

图3-6 三相电压型桥式逆变电路
在180°导通型的三相逆变器中，每隔60°的各阶段其等效电路及相应相电压、线电压数值如图3-7所示。

图3-7
根据图3-7中各阶段的相电压数值，可以得出任何一相的相电压波形为六阶梯波，各相互差120°，如图3-8（a）所示。而线电压可由相电压相减得出，为脉宽120°的矩形波。
初相角为零的六阶梯波，其基波可用付氏级数求得，如A相相电压可表示为：

其余两相各差120°。相电压中无余弦项、偶数项和三的倍数次谐波，电压中最低为五次谐波，含量为基波的20％。 对于基波无初相角的矩形波线电压，其一般表达式为：

根据图3-7可以算出六阶梯波的相电压和方波线电压的有效值分别为：

当三相逆变器按120 °导通方式工作时，其输出电压波形如图3-9所示，与前面相反，这里相电压为矩形波，而线电压为六阶梯波。
  对180°导通方式和120°导通方式进行比较可知：在120°方式中，上下两管之间有60°的间隙，对换流的安全有利，但是管子的利用率较低，并且若电机采用星形接法，则始终有一相绕组断开，在换流时会引起较高的感应电势，应采取过电压保护措施。而180°导通方式无论电动机在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，因此对于电压型逆变器，180°导通方式应用较为普遍。
感性负载电流波形                             
当逆变器负载为感性时，必须有续流二极管，如图1-5中的D1～D6所示。此时负载电流的波形可以根据电压波形的阶跃变化，由相应升降的指数曲线定性地绘出，A相负载电流波形如图3-10（b）所示，图中阴影部分为续流二极管中的电流。只有当续流二极管电流降为零时，A相的负载电流才开始经T4形成反向电流。同理B相和C相电流比A相电流分别滞后120°和240°。
直流输入电流波形如图3-10（e）所示，它由直流分量和周期为60°的交流分量组成，每段电流波形可由正极或负极上仅有一个管子导通时的管子电流决定。
如果负载电流滞后角超过60°，电流波形如图3-11所示，图的上方为各晶闸管的触发情况，图中电流曲线旁注明的是各管的实际导通情况。由图可见，在直流环节电压极性不变的电压型逆变器中，在感性负载下续流二极管是必不可少的，它既能提供感性负载电流的通路，避免过电压的出现，又可减小输入电流，改善逆变器的效率。

图3-11
当负载为感应电动机时，不仅存在着对各次谐波不同的阻抗，而且还有反电势，它对各次谐波电流的作用是不同的，结果负载电流的波形与图3-8相比有较大差别，其主要原因是负载电流中谐波分量所占的比例加大。
通过上面的论述可见，感性负载下逆变器中可能有三种电流：
（1）功率电流――它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载。
（2）环路电流――它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源。
（3）反馈电流――它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去。
因此在设计逆变器时，考虑到功率因数很低的情况下仍能使逆变器正常工作，逆变管的触发脉冲宽度应该大于90°，通常取120°的宽脉冲。
3.5 电流型逆变电路
直流电源为电流源的逆变电路——电流型逆变电路。一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源。
实例之一：图3-12电流型三相桥式逆变电路。交流侧电容用于吸收换流时负载电感中存贮的能量。

图3-12 电流型三相桥式逆变电路

电流型逆变电路主要特点：
(1) 直流侧串大电感，相当于电流源。
(2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同。
(3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。
电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。换流方式有负载换流、强迫换流。
（1） 单相电流型逆变电路

图3-13 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路

4桥臂，每桥臂晶闸管各串一个电抗器LT限制晶闸管开通时的di/dt。1、4和2、3以1000～2500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流电。采用负载换相方式，要求负载电流超前于电压。
负载一般是电磁感应线圈，加热线圈内的钢料，RL串联为其等效电路。因功率因数很低，故并联C。C和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路。
输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦波。
（2） 三相电流型逆变电路
电流型三相桥式逆变电路（图3-12，采用全控型器件）。
基本工作方式是120°导电方式——每个臂一周期内导电120°。每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，横向换流。
波形分析：
输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120°的矩形波。输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波。
输出交流电流的基波有效值
串联二极管式晶闸管逆变电路如图3-12所示。这种电路因各桥臂的晶闸管和二极管串联使用而得名，主要用于中大功率交流电动机调速系统。

第三章 方波逆变电路的计算机仿真模型的建立

4.1单项桥式方波逆变电路仿真

设计要求：设计一单项桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电压为300V，电阻负载，电阻一欧姆，电感2mh。设计上述要求完成主电路设计。

1 单项桥式方波逆变电路

图4-1

参数设定：

图4-2

图4-3

当负载为阻感性负载时：

图4-4

纯阻性负载：

图4-5

3 单项桥式方波逆变电路仿真图形
电压电流波形：

图4-5 电压、电流波形
波形分析：当负载为阻感性负载时，由于电感有储能作用，所以电流的波形不是方波，形似正弦波。
脉冲波形：

图4-6 脉冲波形

当负载为纯阻性负载时其波形图为：

图4-8
波形分析：当负载为纯阻性负载时，电压电流波形一样，为方波.
4.2 三相桥式方波逆变电路仿真

设计要求：设计一三相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电压为530V，电阻负载，负载有功功率1KW，感性无功功率0.1Kvar。根据上述要求完成主电路设计。

1 三相桥式方波逆变电路

图4-9
2 参数设定：

图4-10

图4-11
负载为阻感性负载：

感性无功功率为100var:

图4-12

感性无功功率为1000war：

图4-13

感性无功功率为10000war：

图4-14

2三相桥式方波逆变电路仿真图形
当感性无功功率为10000var时，电压电流波形：

图4-13
波形分析：相电压Ua、Ub、Uc波行为矩形波，电流波行为正弦波。

脉冲波形：

图4-14 脉冲波形
波形分析：由脉冲波形可以看出，各管子导电相位依次差60度。

当感性无功功率为10var时，电压电流波形为：

图4-15
当感性无功功率为1000var时，电压电流波形为：

图4-16
由波形图得：当感性无功功率减小时，输出电流波形近似为为正旋波，但波行不连续。通过比较得，电感越大，电流越连续。

第四章 总结

电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。仿真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。我们在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动学生的积极性。实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，也受到学时的限制。而仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制，学生可以在课外自行上机。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。

第五章 参考文献

［1］林飞，杜欣，电力电子应用技术的MATLAB仿真，中国电力出版社，2009.1
［2］王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5
［3］王兴贵，陈伟，现代电力电子技术（M）, 机械工业出版社2010
［4］电力电子技术计算机仿真实验（M），机械工业出版社2006
［5］李维波，MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社，2007
［6］汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥，基于PWM的逆变电路分析，《现代电子技术》2008年第1期总第264期。

第六章 体会

短短两周的课程设计就要结束了，在陈老师细心指导下终于完成任务，虽然在整个课程设计的过程中花费了很多时间和精力，但是在这个过程中学到了很多知识。好多原来在课堂上没有学到的知识在这次课设中巩固和加深，在这次课程设计中我们使用了MATLAB软件，由于距上次使用MATLAB已经有很长时间了，为了再次熟悉这款软件的各种使用方法，我们查阅了很多资料，所以我们对这款软件有了更深入的了解。
在这次课设中最大的收获就是不光要了解课本知识，还要善于利用各种工具来获得所需要的资源，并且加深了对各种知识的理解，也对以后工作中的应用积累了经验。
由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能。 平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的。所以这次的课程设计对我们是非常有帮助的。
整个设计过程中时间比较短，但是在陈老师和同学的关心和帮助，让很多疑难问题迎刃而解，最后在这里感谢陈老师的指导！和团队的帮助！目 录
第一章 总论 1
一、项目概况 1
二、项目提出的理由与过程 6
三、项目建设的必要性 8
四、项目的可行性 12
第二章 市场预测 15
一、市场分析 15
二、市场预测 16
三、产品市场竞争力分析 19
第三章 建设规模与产品方案 22
一、建设规模 22
二、产品方案 22
三、质量标准 22
第四章 项目建设地点 25
一、项目建设地点选择 25
二、项目建设地条件 25
第五章 技术方案、设备方案和工程方案 28
一、技术方案 28
二、产品特点 30
三、主要设备方案 32
四、工程方案 32
第六章 原材料与原料供应 35
一、原料来源及运输方式 35
二、燃料供应与运输方式 35
第七章 总图布置、运输、总体布局与公用辅助工程 37
一、总图布置 37
二、 运输 38
三、总体布局 38
四、公用辅助工程 39
第八章 节能、节水与安全措施 44
一、主要依据及标准 44
二、节能 44
三、节水 45
四、消防与安全 45
第九章 环境影响与评价 47
一、法规依据 47
二、项目建设对环境影响 48
三、环境保护措施 48
四、环境影响评价 49
第十章 项目组织管理与运行 50
一、项目建设期管理 50
二、项目运行期组织管理 52
第十一章 项目实施进度 55
第十二章 投资估算和资金筹措 56
一、投资估算 56
二、资金筹措 58
第十三章 财务评价与效益分析 61
一、项目财务评价 61
二、财务评价结论 65
三、社会效益 68
四、生态效益 68
第十四章 风险分析 70
一、主要风险分析识别 70
二、风险程度分析及防范风险的措施 70
第十五章 招标方案 72
一、招标范围 72
二、招标组织形式 72
三、招标方式 72
第十六章 结论与建议 74
一、可行性研究结论 74
二、建议 75
附 件 77
一、附表 77
二、附件 77
三、附图 77

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