单相电压型全桥逆变电路及其simulink仿真(含开题报告)

电力电子技术课程设计单相电压型全桥逆变电路及其simulink仿真电力电子技术课程设计-2-开题报告课题名称：单相电压型全桥逆变电路及其simulink仿真完成时间：2012.12.14指导老师：刘彬(一)简要背景说明随着电力电子技术的发展，逆变电路具有广泛的应用范围。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。由于电压型逆变电路具有直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需要提供无功功率，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等特点而具有广泛的应用范围。电压型逆变电路主要用于两方面：①笼式交流电动机变频调速系统。由于逆变电路只具有单方向传递电能的功能，故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、减速的场合。②不停电电源。该电源在逆变输入端并接蓄电池，类似于电压源。图1单相电压型全桥逆变电路电力电子技术课程设计-3-(二)研究的目的及其意义在教学及实验基础上，设计单相电压型全桥逆变电路及其控制与保护电路，并通过使用simulink对课程中理论对电路进行仿真实现，进一步了解单相电压型全桥逆变电路的工作原理、波形及计算。培养学生运用所学知识综合分析问题解决问题的能力。在电力电子技术的应用中，逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要的作用。逆变电路是与整流电路相对应，把直流电变成交流电的电路。逆变电路的基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。无源逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、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，需要通过无源逆变电路；无源逆变电路与其它电力电子变换电路组合形成具有特殊功能的电力电子设备，如无源逆变器与整流器组合为交-直-交变频器(来自交流电源的恒定幅度和频率的电能先经整流变为直流电，然后经无源逆变器输出可调频率的交流电供给负载)。当电网提供的50Hz工频电源不能满足负载的需要，就需要用交-直-交变频电路进行电能交换。如感应加热需要较高频率的电源；交流电动机为了获得良好的调速特性需要频率可变的电源。(三)研究的主要内容1单相电压型全桥逆变电路的原理。2单相电压型全桥逆变电路的结构。3单相电压型全桥逆变电路及其控制电路、保护电路的设计(画出原理图，标明器件的选择)。4完成单相电压型全桥逆变电路的数学模型的设计。5建立simulink仿真系统进行建模，并对模型参数进行设置。6仿真结果与分析。(四)研究的主要方法和手段首先建立单相电压型全桥逆变电路的电路拓扑图，在MATLAB中使用simulink工具箱建立相关控制模型，设置模型参数后，通过仿真得到电路的电压、电流结果，并对该结果进行分析。电力电子技术课程设计-4-说明书目录摘要--------------------------------------------------------------------------5第一章设计总体思路------------------------------------------------------5一课题概述---------------------------------------------------------5二设计总体思路---------------------------------------------------5第二章基本原理和框图---------------------------------------------------6一基本原理---------------------------------------------------------6二单相电压型全桥逆变电路分析----------------------------7第三章单元电路设计------------------------------------------------------8一触发电路---------------------------------------------------------8二保护电路---------------------------------------------------------10第四章Simulink仿真------------------------------------------------------10一电路模型的建立-----------------------------------------------10二各元件的介绍--------------------------------------------------10三模型参数的设置-----------------------------------------------10四仿真结果---------------------------------------------------------15第五章总结与体会---------------------------------------------------------17致谢----------------------------------------------------------------------18附录一三相整流电路的simulink仿真-------------------------------19附录二参考文献-------------------------------------------------------------25电力电子技术课程设计-5-摘要逆变电路所谓逆变，就是与整流相反，把直流电转换成某一固定频率或可变频率的交流电(DC/AC)的过程。整流与逆变一直都是电力电子技术的热点之一，桥式整流是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转化为直流电。从整流状态变到有源逆变状态，对于特定的实验电路需要恰到好处的时机和条件，基本原理和方法已成熟十几年了，随着我国交直流变换器市场迅猛发展，与之相应的核型技术应用于发展比较将成为业内关注的焦点。第一章设计总体思路一课题概述随着电力电子技术的发展，逆变电路具有广泛的应用范围。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。由于电压型逆变电路具有直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需要提供无功功率，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等特点而具有广泛的应用范围。电压型逆变电路主要用于两方面：①笼式交流电动机变频调速系统。由于逆变电路只具有单方向传递电能的功能，故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、减速的场合。②不停电电源。该电源在逆变输入端并接蓄电池，类似于电压源。二设计基本思路1主电路的设计(1)主电路结构设计(2)主电路保护设计(3)主电路计算及元器件参数选型2Simulink仿真系统设计(1)电路模型的建立(2)各元件的介绍(3)模型参数的设置(4)仿真结果电力电子技术课程设计-6-第二章基本原理和框图一基本原理逆变电路的基本工作原理: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图2-1图2-2逆变电路及其波形举例：S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负图2-3图2-4负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2电力电子技术课程设计-7-改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同图2-5图2-6t1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才反向并增大二单相电压型全桥逆变电路分析1工作情况:图2-71和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°图2-8负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2tuoUm-Um电力电子技术课程设计-8-uo波形同图半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Udio波形和半桥中的io相同，幅值增加一倍图2-92输出电压定量分析uo成傅里叶级数（2-1）基波幅值（2-2）基波有效值（2-3）uo为正负各180°时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现第三章单元电路设计一触发电路该触发电路为D触发器触发下图为D触发器和触发电路：tiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27.14UUUdd1o9.022UUU电力电子技术课程设计-9-图3-1D触发器原理：将控制信号转变为某一频率的脉冲或将控制信号转变为某一频率的脉冲或脉冲群，用这些脉冲控制无源逆变电路中的功率开关元件的通断，以控制逆变器用这些脉冲控制无源逆变电路中的功率开关元件的通断。它主要应用于变频调速装置或不停电电源的逆变器中。一般功能是：根据控制信号的要求产生相应频率的输出脉冲；确定逆变器各功率开关的驱动信号间的相位关系；产生足够的驱动功率以驱动功率开关元件；完成功率开关元件和控制电路之间的电隔离。图3-2触发电路电力电子技术课程设计-10-二保护电路在电力电子电路中,除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du⁄dt、di⁄dt保护也是十分必要的本次课程设计所采用的过电压过电流保护电路如下图所示。该电路又称为缓冲电路。它的作用是抑制电力电子器件内因过电压或者过电流从而减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为du⁄dt抑制电路，用于吸收器件关断过电压和换相过电压，抑制du⁄dt，减小关断损耗。开通缓冲电路又称为di⁄dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di⁄dt，减小器件开通损耗。可将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起构成复合缓冲电路。图3-3保护电路第四章Simulink仿真一电路模型建立Simulink仿真电路图如下：电力电子技术课程设计-11-图4-1二各元件的介绍本电路涉及8种元件，分别是直流电源（DCVoltageSource）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、二极管（Diode）、脉冲发生器（PulseGenerator）、串联ＲＬＣ支路(SeriesRLCBranch)、电流表(CurrentMeasurement)、电压表(VoltageMeasurement)、示波器（Scope）。三模型参数的设置1直流电源参数设置图4-2电力电子技术课程设计-12-2IGBT、IGBT1脉冲参数设置图4-3电力电子技术课程设计-13-3IGBT2、IGBT3脉冲参数设置及波形：图4-4图4-5电力电子技术课程设计-14-4IGBT参数设置：图4-6四仿真结果１负载为电阻时RLC参数设置：图4-7电力电子技术课程设计-15-负载为电阻时其电流及电压波形图4-8２负载为电感时电感参数设置图4-9电力电子技术课程设计-16-负载为电感时其电流及电压波形：图4-10３阻感负载时阻感参数设置图4-11电力电子技术课程设计-17-阻感负载时其电压电流波形：图4-12第五章总结与体会我们所学习的课程以及我们所处的专业决定了我们的学习必须与实际相联系。目前电压型逆变电路在工业自动化领域中得到了广泛应用。因此，对于电气工程及自动化专业的学生来说，做这样一个设计是非常有意义的，也是非常必要的。通过本次的课程设计，我们所学知识都得到了进一步的巩固，不但扩展了视野，