三项电压型逆变电路实验报告

一、引言：.......................................2二、交-直-交变压变频器的基本结构.................21、三相电压型桥式逆变电路拓扑图................32、交-直-交变压变频器的工作原理................3三、三相电压型桥式逆变电路的Simulink建立及模型：4四、仿真参数及仿真波形设置：.....................51．对脉冲触发器进行参数设置：..................52.用subplot作图：............................63.仿真波形：...................................7五、实验结果及分析：............................13六、结论及拓展：................................13七、设计心得：..................................14八、参考文献：..................................14交-直-交变压变频器中逆变器的仿真一、引言：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。逆变电路的作用是将直流电压转换成梯形脉冲波，经低通滤波器滤波后，从而使负载上得到的实际电压为正弦波。现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类方式如下：1)按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。2)按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。3)按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。4)按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变等等。5)按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。6)按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。7)按控制方式，可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。日常生活中使用的电源大都为单相交流电，而在工业生产中，由于诸多电力能量特殊要求的电气设备均需要使用三相交流电，例如三相电动机。随着科技的日新月异，很多设备业已小型化，许多原来工厂中使用的大型三相电气设备都被改进为体积小、耗能低且便于携带的小型设备。尽管这些设备外形发生了很大的变化，其使用的电源类型——三相交流电却始终无法被取代。在一些条件苛刻的环境下，电力的储能形式可能只有直流电，如若在这样的环境下使用三相交流电设备，就要求将直流电转变为特定要求的三相交流电以供使用。这就催生了三相逆变器的产生本文主要利用MATLAB/Simulink中的电力系统仿真工具箱Simpowersystems对交-直-交变压变频器中的逆变电路部分进行仿真，通过仿真将其与三相正弦工频电源进行性能比较，并得出结论二、交-直-交变压变频器的基本结构交-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1交-直-交变压变频器基本结构图本文主要针对变频器中的三相电压型桥式整流电路的仿真讨论。因此：1、三相电压型桥式逆变电路拓扑图交-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3为6个电力电子开关器件VT1~VT6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2三相电压型逆变电路拓扑图2、交-直-交变压变频器的工作原理控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中，有180°导通型和120°导通型两种换流方式。电压型三相桥式逆变电路如图2所示。电路由三个半桥电路组成，开关管可以采用全控型电力电子器件（图中以ＩＧＢＴ为例），ＶＤｌ～ＶＤ６为续流二极管。电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180°导电型，即每个桥臂的导电角为180°。同一相上下桥臂交替导电。各相开始导电的时间一次相差120°这样，在任意瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂同时导通，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相的上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。在一个周期内，６个开关管触发导通的次序为Ｖ１--Ｖ２--Ｖ3--Ｖ４--Ｖ５--Ｖ６，依次相隔60°，任意时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为Ｖ１-Ｖ２-Ｖ3，Ｖ２-Ｖ3-Ｖ４，Ｖ3-Ｖ４-Ｖ５，Ｖ４-Ｖ５-Ｖ６，Ｖ５-Ｖ６-Ｖ１，每种组合工作。三、三相电压型桥式逆变电路的Simulink建立及模型：a．打开MATLAB并建立一个仿真模型的新文件。在MATLAB的菜单栏上点击File，选择New，再在弹出菜单中选择Model，这时出现一个空白的仿真平台，在这个平台上可以绘制电路的仿真模型。b．提取电路元器件模块。在仿真模型窗口的菜单上点击图标调出模型库浏览器，在模型库中提取所需的模块放到仿真窗口。c．将电路元器件模块按图2原理图连接起来组成仿真电路。d.对各种电路元器件模块进行参数设置及封装。最终仿真图如下：主电路及脉冲电路封装模型其中，原电路模型为：四、仿真参数及仿真波形设置：1．对脉冲触发器进行参数设置：如图，当a=0时，V1的脉冲参数的设置如上,其中振幅为1V，周期为0.02s（即频率为50Hz），脉冲宽度为0.01。其余脉冲参数设置同上。V2的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.1/6,V3的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.04/3,V4的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.01,V5的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.02/3,V6的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.02/6。当a=30时，V1的脉冲将“Phasedelay”设置为0.01/6，V2的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.09/6,V3的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.07/6,V4的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.05/6,V5的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.01/2,V6的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.01/6。当a=90时，V1的脉冲将“Phasedelay”设置为0.005，V2的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.07/6,V3的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.025/3,V4的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.005,V5的脉冲将“Phasedelay”设置为-0.005/3,V6的脉冲将“Phasedelay”设置为0.01/6。负载参数R=1Ω，L=1e-3H，C=inf；直流电压源参数U=135V。2.用subplot作图：在仿真出结果后，先在Scope模块中对Variablename进行变量命名，例如命名为a。然后在中MATLAB主窗口中分别输入以下语句：clc；subplot(4,1,1);plot(a.time,a.signals(1).values);title('脉冲触发器1的输出波形');xlabel('t/s');ylabel('iu/A');gridsubplot(4,1,2);plot(a.time,a.signals(2).values);title('U相输出电流波形');xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,3);plot(a.time,a.signals(3).values);title('Uuv线电压输出波形');xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,4);plot(a.time,a.signals(4).values);title('Uvw线电压输出波形');xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,1);plot(a.time,a.signals(5).values);title('Uwu线电压输出波形');xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,2);plot(a.time,a.signals(6).values);title('负载两端电压输出波形');xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,3);plot(a.time,a.signals(7).values);title('Unn‘两端电压输出波形');xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,4);plot(a.time,a.signals(8).values);title('晶闸管VT5两端电压输出波形');xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,1);plot(b.time,b.signals(1).values);title('直流侧两端电流输出波形');xlabel('t/s');ylabel('I/A');grid这样，即可得到所需波形。3.仿真波形：由以上步骤可得最终图形为：(1)a=0且带阻感负载时：a=0且带阻性负载时：(2)a=30时且带阻感负载时：a=30时且带阻性负载时：（3）a=90时且带阻感负载时：a=90时且带阻性负载时：五、实验结果及分析：在上述180度导电方式逆变器中，为了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源的短路，要采取先断后通的方法，即先给应关段的器件关断信号，待其关断后留一定的时间欲量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即两者间留一个短暂的死区时间。对于U相输出来说，当桥臂1导通时，Uun’=Ud/2，当桥臂4导通时，Uun’=-Ud/2。因此，Uun’的波形是幅值为Ud/2的矩形波。V、W两相的情况和U相相似，Uvn’、Uwn’的波形形状和'Uun’相同，只是相位依次相差120°。对于线电压来说，例如Uuv，则可由Uuv=Uun’-Uun’得到。Uvw和Uwu同理。通过上面的实验结果可得当触发角a不同时，逆变电路的输出波形会受到很大的影响，而当逆变电路的负载类型发生变化时，逆变电路的输出波形也会受到一定的影响。所以说，由三项电压型逆变电路得来的交流输出量由触发角a和负载类型共同决定。六、结论及拓展：通过仿真和分析，可知三相桥式逆变电路的输出电压受控制角ａ和负载特性的影响，文中应用MATLAB的可视化仿真工具Simulink对单相全控桥有源逆变电路的仿真结果进行了详细分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。采用MATLAB／Simulink对三相桥式逆变电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。应用MATLAB／Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。同时，在我们的日常生活中逆变电路的应用相当普及，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。另外例如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使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路，因此，研究逆变电路对我们的实际生活有着广泛的影响。七、设计心得：通过本次课程设计的练习，我对计算机仿真有一点的理解与应用，同时，我也能够更加熟练地使用MATLAB的可视化仿真工具Simulink这款软件。特别是在此过程中，常运用到许多Simulink工具模块，使我对MATLAB仿真有了更加深刻的理解，同时，使我对以前的学习加深了理解与