《电力电子仿真》
设计报告
设计题目三相电压型桥式逆变电路仿真设计
组长陈溪浚1206022107
成员陈秀英1206022210
邓潘1206022109
陈雅琳1206022108
许佳鹏1206022349
陈彤1206022256
年级专业：2012电气工程及其自动化
指导教师: 郑雪钦老师
成绩 __________________
厦门理工学院电气工程与自动化学院
2015年4 月26 日
一、三相电压型逆变仿真电路图
1.工作原理
三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180度导电方式，及每个桥壁的导电角度为180度，同一相上下两个桥臂交替导电，各相倒是导电的角度一次相差120度，这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。
2.仿真电路原理图
3.仿真电路图
4.模型仿真参数设置
桥壁1、3、5的电流相加即可得到直流测电流Id的波形，id每60度脉动一次，这里只列出IGBT1和2的触发脉冲设置，IGBT的脉冲比IGBT1延迟六分之一周期，其余的依次类推。
为了方便计算及观察负载两端的波形及大小，由于出现三分之二、三分之一Ud，所以设置电源电压为直流75V，设置两个电压源串联的形式。
5.波形及波形分析：
以上而下分别显示iu、Uun、Uvn、Uwn、的波形。
分析如下：负载为三相对称负载，Uun、Uvn、Uwn相加之和为0.根据负载阻抗角的不同，iu的波形和相位有所不同，iv、iw的波形与iu相比，分别相差120度。
电力电子技术课程设计报告 有源逆变电路的设计 姓名 学号 年级 20级 专业电气工程及其自动化 系（院） 指导教师 2012年 12 月 10 日
课程设计任务书 课程《电力电子技术》 题目 有源逆变电路的设计 引言 任务： 在已学的《电力电子技术》课程后，为了进一步加强对整流和有源逆变电路的认识。可设计一个三相全控桥式整流电路及有源逆变电路。分析两种电路的工作原理及相应的波形。通过电路接线的实验手段来进行调试，绘制相关波形图 要求： a. 要有设计思想及理论依据 b. 设计出电路图即整流和有源逆变电路的结构图 c. 计算晶闸管的选择和电路参数 d. 绘出整流和有源逆变电路的ud(t)、id(t)、uVT(t)的波形图 e. 对控制角α和逆变β的最小值的要求
设计题目三相全控桥式整流及有源逆变电路的设计 一．设计目的 1．更近一步了解三相全控桥式整流电路的工作原理，研究全控桥式整流电路分别工作在电阻负载、电阻—电感负载下Ud, Id 及Uvt的波形，初步认识整流电路在实际中的应用。 2．研究三相全控桥式整流逆变电路的工作原理，并且验证全控桥式电路在有源逆变时的工作条件，了解逆变电路的用途。二．设计理念及思路 晶闸管是一种三结四层的可控整流元件，要使晶闸管导通，除了要在阳极—阴极间加正向电压外，还必须在控制级加正向电压，它一旦导通后，控制级就失去控制作用，当阴极电流下降到小于维持电流，晶闸管回复阻断。因此，晶闸管的这一性能可以充分的应用到许多的可控变流技术中。 在实际生产中，直流电机的调速、同步电动机的励磁、电镀、电焊等往往需要电压可调的直流电源，利用晶闸管的单向可控导电性能，可以很方便的实现各种可控整流电路。当整流负载容量较大时，或要求直流电压脉冲较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源提供。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。三相半波可控电路只用三只晶闸管，接线简单，但晶闸管承受的正反向峰值电压较高，变压器二次绕组的导电角仅120°，变压器绕组利用率较低，并且电流是单向的，会导致变压器铁心直流磁化。而采用三相全控桥式整流电路，
1.引言 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。 当把转换后的交流电直接回送电网，即交流侧接入交流电源时，称为有源逆变；而当把转换后的交流电直接供给负载时，则称为无源逆变。通常所讲的逆变电路，若不加说明，一般都是指无源逆变电路。 1. 电压型逆变器的原理图 当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u o为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，u o为负，如此交替进行下去，就在负载上得到了由直流电变换的交流电，u o的波形如图7.4(b)所示。输出交流电的频率与两组开关的切换频率成正比。这样就 t (b) (a) u o t3 t2 t1 i o u o Z u o i o U d _ + S3 S2S 4 S1
实现了直流电到交流电的逆变。 2. 电压型单相全桥逆变电路 它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180°。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。 改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压U d来实现。 输出电压定量分析 u o成傅里叶级数 基波幅值 基波有效值 ? ? ? ? ? + + + = t t t U uω ω ω π 5 sin 5 1 3 sin 3 1 sin 4 d o d d o1m 27 .1 4 U U U= = π d d 1o 9.0 2 2 U U U= = π
当u o为正负各180°时，要改变输出电压有效值只能改变U d 来实现 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T1和T2互补，T3和T4互补关系不变。T3的基极信号只比T1落后q ( 0 单相全桥型逆变电路原理 电压型全桥逆变电路可瞧成由两个半桥电路组合而成,共4个桥臂,桥臂1与4为一对,桥臂2与3为另一对,成对桥臂同时导通,两对交替各导通180° 电压型全桥逆变电路输出电压uo 的波形与半桥 电路的波形uo 形状相同,也就是矩型波,但幅值 高出一倍,Um=Ud 输出电流io 波形与半桥电路的io 形状相同,幅值增加一倍 VD1 、V1、VD2、V2相继导通的区间,分别对应VD1与VD4、V1与V4、VD2与VD3、V2与V3相继导通的区间 + - VD 3 VD 4 单相半桥电压型逆变电路工作波形 全桥逆变电路就是单相逆变电路中应用最多的, 对电压波形进行定量分析将幅值为Uo 的矩形波 uo 展开成傅里叶级数,得 其中基波幅值Uo1m 与基波有效值Uo1分别为 上述公式对半桥逆变电路也适用,将式中的ud 换成Ud /2 uo 为正负电压各为180°的脉冲时,要改变输出电压有效值只能通过改变输出直流电压Ud 来实现 d d o1m 27.14U U U == π d d 1o 9.022U U U == π O ON u o U - U m i o VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 ?? ? ??+++= t t t U u ωωωπ5sin 513sin 31sin 4d o t 1时刻前V 1与V 4导通,输出电压u o 为u d t 1时刻V 3与V 4栅极信号反向,V 4截止,因i o 不能突变,V 3不能立即导通,VD 3导通续流,因V 1与VD 3同时导通,所以输出电压为零 各 IGBT 栅极信号uG1~uG4及输出电压uo 、输出电流io 的波形 u u u u u i o o ? 各IGBT 栅极信号为180°正 偏,180°反偏,且V 1与V 2栅极信号互补,V 3与V 4栅极信号互补 ? V 3的基极信号不就是比V 1落后 180°,而就是只落后θ ( 0< θ <180°) ? V 3、V 4的栅极信号分别比V 2、V 1 采用移相方式调节逆变电路的输出电压 三相电压型逆变器 一．电力电子器件的发展： 1.概述： 1957年可控硅(晶闸管)的问世，为半导体器件应用于强电领域的自动控制迈出了重要的一步，电力电子开始登上现代电气传动技术舞台，这标志着电力电子技术的诞生。20世纪60年代初已开始使用电力电子这个名词，进入70年代晶闸管开始派生各种系列产品，普通晶闸管由于其不能自关断的特点，属于半控型器件，被称作第一代电力电子器件。随着理论研究和工艺水平的不断提高，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极性晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展，被称作第二代电力电子器件。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型第三代电力电子器件异军突起，而进入90年代电力电子器件开始朝着智能化、功率集成化发展，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向 电子技术被认为是现代科技发展的主力军，电力电子就是电力电子学，又称功率电子学，是利用电子技术对电力机械或电力装置进行系统控制的一门技术性学科，主要研究电力的处理和变换，服务于电能的产生、输送、变换和控制。（电力电子的发展动向）电力电子技术包括功率半导体器件与IC 技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。电力电子器件(Power Electronic Device)又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控创电路中 的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。广义上电力电子器件可分为电真空器件(Electron Device)和半导体器件(Semiconductor Device)两类。 2.发展： A.整流管： 整流管是电力电子器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件。目前主要有普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种类型。电力整流管在改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面发挥着非常重要的作用。目前，人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的优点于一体的具有MPS、SPEED和SSD等结构的新型高压快恢复整流管。它们的通态压降为IV 左右，反向恢复时间为PIN整流管的1/2，反向恢复峰值电流为PIN整流管的1/3。 B.晶闸管： 自1957年美国通用电气公司GE研制出第一个晶闸管开始，其结构的改进和工艺的改革，为新器件开发研制奠定了基础，其后派生出各种系列产品。1964年，GE公司成功开发双向晶闸管，将其应用于调光和马达控制；1965年，小功率光触发晶闸管问世，为其后出现的光耦合器打下了基础；60年代后期，出现了大功率逆变晶闸管，成为当时逆变电路的基本元件；逆导晶闸管和非对称晶闸管于1974年研制完成。 C.门极可关断晶闸管： GTO可达到晶闸管相同水平的电压、电流等级，工作频率也可扩展到 三相无源逆变器的构建及其MATLAB仿真1逆变器 1.1逆变器的概念 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。 1.3逆变器的分类 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)……………. 2 三相逆变电路 三相逆变电路，是将直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为120°交流电的一种逆变网络。 图 1 三相逆变电路 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。 4MATLAB仿真 Matlab软件作为教学、科研和工程设计的重要方针工具，已成为首屈一指的计算机仿真平台。该软件的应用可以解决电机电器自动化领域的诸多问题。利用其中的Simulink模块可以完成对三相无源电压型SPWM逆变器的仿真，并通过仿真获取逆变器的一些特性图等数据。 图 2 系统Simulink 仿真 所示为一套利用三相逆变器进行供电的系统的Matlab仿真。系统由一个380v的直流电源供电，经过三相整流桥整流为三相交流电,并进行SPWM正弦脉宽调制。输出经过一个三相变压器隔离后通入一个三相的RLC负载模块（Three phase parallel RLC）。加入了两个电压测量单元voltage measurement和voltage measurement1，并将结果输出到示波器模块Scope1. 电子技术课程设计 说明书 IGBT 单相电压型全桥无源逆变电路 设计 学生姓名： 学号： 学 院： 专 指导教师： 2013年01月 XXX 1005044245 信息与通讯工程学院 电气工程及其自动化 中北大学 电子技术课程设计任务书 2012/2013 学年第一学期 学院：信息与通讯工程学院 专业：电气工程及其自动化 学生姓名：胡定章学号： 1005044245 课程设计题目：IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计 起迄日期: 12月24日~ 01月4 日 课程设计地点:电气工程系软件实验室 指导教师:石喜玲 系主任：王忠庆 下达任务书日期: 2012 年 12 月 24日 课程设计任务书 课程设计任务书 目录 1 引言 (1) 2 工作原理概论 (1) 2.1 IGBT的简述 (1) 2.2 电压型逆变电路的特点及主要类型 (2) 2.3 IGBT单相电压型全桥无源逆变电路原理分析 (2) 3 主电路设计及参数选择 (3) 3.1 主电路仿真图 (3) 3.2参数设置及计算 (3) 3.2.1参数设置 (3) 3.2.2计算 (3) 3.2.3设置主电路 (4) 4 仿真电路结果的分析 (5) 4.1 仿真电路图 (5) 1.1.14.1.1 触发电平与负载输出波的波形图 (5) 4.1.2 IGBT电流电压波形图 (6) 4.2 仿真波形分析 (6) 5 总结 (7) 参考文献 (7) 2引言 本次课程设计的题目是IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计，根据电力电子技术的相关知识，单相桥式逆变电路是一种常见的逆变电路，与整流电 路相比较，把直流电变成交流电的电路成为逆变电路。当交流侧接在电网上，称为有源逆变；当交流侧直接和负载相接时，称为无源逆变，逆变电路在现实 生活中有很广泛的应用。 3工作原理概论 2. 1 IGBT的简述 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor）,英文简写为IGBT。它是一种典型的全控器件。它综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。现已成为中、大功率电力电子设备的主导器件。IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C 和发射极E。它可以看成是一个晶体管的基极通过电阻与MOSFET相连接所构成的一种器件。其等效电路和电气符号如下： 图1 IGBT等效电路和电气图形符号 它的开通和关断是由栅极和发射极间的电压错误！未找到引用源。所决定的。当UGE为正且大于开启电压UGE时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而是IGBT导通。由于前面提到的电导调制效应，使得电阻错误！未找到引用源。减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当山脊与发射极间施加反向电压或不加信 三相无源电压型SPWM逆变器的构建及其MATLAB仿真 09 电气工程及其自动化邱迪 摘要：本文简要介绍了三相无源电压型SPWM输出的逆变器的构建和工作方式及其MATLAB 仿真。 关键词：三相逆变器正弦脉宽调制(SPWM)技术MATLAB仿真 Abstract: This paper introduces briefly the construction of 3-phase inverter which output SPWM wave and the MATLAB-based simulation. Key word:Three-phase inverter Sinusoidal Pulse Width Modulation Power electronic technology 1逆变器 1.1逆变器的概念 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] 1.2逆变器涉及的技术 逆变器的构建应用了电力电子学科中的很多关键技术。电路中电流的可控流通断开的过程中应用了多种可控硅类型的电力电子器件；开关的控制过程应用了基于微处理器的现代控制技术；对于正弦波形的仿制过程应用了正弦波脉宽调制（SPWM）技术等等。 1.3逆变器的分类 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。[2] 2 三相逆变电路 三相逆变电路，是将直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为120°交流电的一种逆变网络。 图 1 三相逆变电路 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。 电流源型单相全桥逆变电路的设计 摘要 本次设计说明书首先介绍了电流源型单相全桥逆变电路的特点和原理，用单相桥式电流型逆变电路的原理图说明了该电路是采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，又详细分析该电路的工作过程，并用图给出该逆变电路的工作波形。最后根据以上分析运用仿真软件PSIM对电路进行仿真设计，得到波形图。 关键词：电流源型单相电路，逆变电路，PSIM仿真 ' 目录 . 1.电流源型单相全桥逆变电路研究-----------------------------------------3 逆变电路介绍----------------------------------------------------3 电流型逆变电路的主要特点----------------------------------------3 电流源型单相全桥逆变电路----------------------------------------3 电流源型单相全桥逆变电路工作过程--------------------------------4 2.电流源型单相全桥逆变电路设计------------------------------------------7 电路设计原理----------------------------------------------------7 电路仿真图------------------------------------------------------7 3.参数设定及仿真结果----------------------------------------------------8 直流侧仿真------------------------------------------------------8 ) 参数设定-------------------------------------------------8 仿真结果-------------------------------------------------8交流侧仿真------------------------------------------------------8 参数设定-------------------------------------------------8 仿真结果-------------------------------------------------9 4.小结------------------------------------------------------------------9 5.参考文献--------------------------------------------------------------10 : 一、引言： (2) 二、交-直-交变压变频器的基本结构 (2) 1、三相电压型桥式逆变电路拓扑图 (3) 2、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： (5) 1．对脉冲触发器进行参数设置： (5) 2. 用subplot作图： (6) 3.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。 一个新的全桥零电压开关移相DC-DC转换器的工作周期和ZVS范围扩大 摘要： 本文提出了完整的理论分析, 有LCC辅助电路的全桥零电压移相开关（fb-zvs-ps）DC-DC转换器的模拟和的优化设计,在250kHz的频率下工作，输出功率1kW。该变换器采用电容分压器在辅助电感一端创建一半的输入电压。因此在电感两端的电压会在–VI / 2 到+ VI / 2之间摆动，并在被动-主动转换的过程中产生一个额外的增强的初级电流，并增加适合产生ZVS的能量。用这种方法是可能在不使用换向电感的条件下在一系列电力变压器中设计出fb-ps-zvs直流/直流变换器从而避免减少有效占空比的相关问题。更进一步，通过适当的LCC的电路设计，我们发现在整体没有明显损害的前提下ZVS范围和有效工作周期可以优化。 1.介绍： 由于其优越的特性，采用全桥零电压开关移相器已成为首选的拓扑结构的DC-DC转换，用于几百瓦的功率与高输入电压的应用。fb-zvs-ps转换器的主要优点是由于零电压开关和恒定频率操作效率高，允许一个简单的控制，类似于硬开关PWM全桥变换器。 传统的fb-zvs-ps转换器的主要缺点是对负载的依赖，当负载过轻时ZVS 的条件便会不满足。因此，在一系列的电力变压器中，几乎每一个应用程序为了使ZVS的负载范围加宽都需要一个大的换向电感。这个大的电感，当负载很大时不仅会产生高的不可接受的导通损耗，并且会防止初级电流极慢的变化，这将会对有效占空比的降低负责。所以，必须要有一个折衷的设计，考虑到输入电压规格、负载范围、工作周期和效率。 为了解决这个问题，一些新的技术已经开始被提出和开发。引用[5]定义的fb-zvs-ps转换器和采用饱和电抗器与初级绕组和次级整流二极管系列具有局限性。这个过程可以使运行下的零电压开关范围更大，没有显著的导通损耗增加，但始终存在消除多余能量时发生饱和的问题。 参考[ 6 ]描述了一种方法，用一个主换向电感器与终端连接在一个转换被动与主动的腿的中点，其他通过两个钳位二极管连接到输入电压源。通过这种方法，ZVS将会因为桥管获得一个较宽的负载范围。然而，为P-A腿提供正的连续电流钳位二极管，会遭受硬开关，因此将会带来换向损失和召回缓冲。 一种减少上述问题的方法是采用一二绕组电感箝位到输出，如[7–9]所描述： 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 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 (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50 Hz 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。 1 设计任务与要求 条件：输入直流电压：110V。 要求完成的主要任务: （1）开关元器件的选择 （2）各模块方案选择 （3）各模块方案设计 （4）总电路的设计 （5）各模块的器件选型 （6）参数计算 设计容量为3KVA的三相逆变器，要求达到： （1）输出380V，频率50Hz三相交流电 （2）完成总电路设计 （3）完成电路中各元件的参数计算 1.1 设计任务分析 由于输入直流电压只有110V，而输出交流电压要求有效值为380V，所以必须通过升压电路将直流电压升到到一定值才能作为逆变器的输入电压。逆变器的核心是半导体开关器件，不同拓扑的逆变电路有不同的优缺点和应用领域。半导体开关器件需要触发信号才能导通，要使逆变器输出正弦波形，则需要特殊的触发电路对开关器件进行调制。逆变器输出带有高次谐波，需要滤波电路对谐波进行。在进行仿真前，需对上述电路模块进行比较论证和选择。 1.2 设计思路 首先，考虑输入直流电压为110V而输出380V、频率50Hz三相交流电，要采用斩波电路升压到大于380以上，可以用直流斩波升压电路、直流斩波升降压电路等。其次要求由直流变为三相交流电，可采用电压型逆变电路、电流型逆变电路。逆变电路得到的是三相矩形波，再用PWM或者SPWM开关采用规则采样法将矩形波变为三相波，最后用滤波器滤波得到最终的所要的三相电，设计流程图如图1.1所示 图1.1设计流程图 2 设计意义及原理 2.1 设计意义 逆变电源技术的核心部分是逆变器和其控制部分。逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但其含有较大成分低次谐波等缺点，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，GTO 等的发展和PWM 的控制技术的日趋完善，使SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用众所周知。 逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器BJT，IGBT，GTO等的发展和PWM的控制技术的日趋完善，使SPWM逆变器得以迅速发展并广泛使用。 PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁链追踪型PWM 法和电流跟踪型PWM 法，其中利用SPWM 控制技术做成的SPWM 逆变器具有以下主要特点： （1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。 （2）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速范围，提高系统性能。 （3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关。 在后备式供电中，蓄电池作为一种非常重要的储能介质，在各个行业都得到了广泛的应用。由于单个电池的参数存在着差别，不能通过将蓄电池并联的方法来提高直流供电系统的容量，因此在电池的容量不能满足实际需求时，最直接的办法就是多个蓄电池串联共同提供能量。所串的蓄电池越多，蓄电池组能够提供的能量就越多，但输出端电压就越高，此时，逆变器输入直流电压的上限就直接决定了蓄电池组的容量 大小。 另外，高压变频器广泛的应用于轧钢、造纸、水泥制造、矿井提升、轮船推进器等传统工业的改造和高速列车、城市地铁轻轨、电动汽车中，其核心部分也是高压逆变器。 电压型单相全桥逆变 电路 1.引言 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。 当把转换后的交流电直接回送电网，即交流侧接入交流电源时，称为有源逆变；而当把转换后的交流电直接供给负载时，则称为无源逆变。通常所讲的逆变电路，若不加说明，一般都是指无源逆变电路。 1. 电压型逆变器的原理图 当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u o为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，u o为负，如此交替进行下去，就在负载上得到了由直流电变换的交流电，u o的波形如图7.4(b)所示。输出交流电的频率与两组开关的切换频率成正比。这样就实现了直流电到交流电的逆变。 t (b) (a) u o t3 t2 t1 i o u o Z u o i o U d _ + S3 S2S 4 S1 2. 电压型单相全桥逆变电路 它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180°。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。 改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压U d 来实现。 输出电压定量分析 u o 成傅里叶级数 基波幅值 基波有效值 ?? ? ??+++= t t t U u ωωωπ5sin 513sin 31sin 4d o d d o1m 27.14U U U ==π d d 1o 9.022U U U ==π 当u o为正负各180°时，要改变输出电压有效值只能改变U d来实现 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T1和T2互补，T3和T4互补关系不变。T3的基极信号只比T1落后q ( 0 1 引言 令狐文艳 1.1 课题由来和探究的意义 在近几十年的发展中，逆变电路的应用变的越来越广泛。但是现实中如蓄电池、太阳能电池等都是直流电，而在工厂、家庭、交通等领域所用的电中交流电占据了很大的比例，为了能够给这些负载提供所需电源，就需要使用逆变电路[1]。 随着电力电子学以及微电子技术的不断创新，相对于传统的电压型逆变电路，采用了脉冲调制技术不仅可以把直流变成交流，同时还能够进行调压、调频。作为一个不断创新的革命力量，凭借着可靠性、成本性能和高效节能等优势，逆变电路拥有广阔的市场和发展前景[2]。可以说正是由于逆变电路的不断发展，脉冲宽度调制技术才有了长足的发展，并在电力电子技术领域中取得了至关重要的地位。 又由于大功率电子设备结构比较复杂，如果直接对装置进行逆变实验，费用是相当昂贵而且很费时间，因此在发展的过程中，我们需要利用计算机仿真技术，对设备的运行机制和特点进行有效性的试验，以达到预测问题并解决问题的同时缩短研制时间的目 的。而Matlab软件拥有强大的数值计算功能以及直观的Simulink仿真平台，使得复杂电力电子装置在建模仿真方面成为可能。 1.2 研究方法和内容 本课题将针对现今社会对逆变式电源的需求，按照设计思路对逆变过程进行剖析，然后利用Matlab仿真软件对逆变系统进行了设计、建模、 Matlab 的仿真与谐波分析等。在此之前还会对设计过程所需要的原理进行一定的分析，以及对所要用的元器件的也会简要介绍一下。 1.3 本章小结 本次设计根据选题表中的要求，对系统和最终成果进行大体的描述。阐述了本课题的由来与研究意义以及所要实现的目的和要求。 2 SPWM逆变器原理与分析 2.1 SPWM原理 在逆变电力系统中尤其是在中、小型的逆变电力系统中，PWM调制技术的使用是非常广泛的。然所谓的PWM控制技术就是脉宽调制控制技术，其原理就是利用全控型电力电子器件(本课题选用的是IGBT)的通断，把直流电压逆变成具有一定形状的能够满足输出需求的电压脉冲序列，从而在惯性电路中实现输出电压的 计算机仿真实验报告 班级：11 电牵4 班姓名：江流在班编号：26 指导老师：叶满园 实验日期：2014 年4 月21 日 、实验名称: 单相全桥电压型逆变电路MATLAB仿真 二、目的及要求 了解并掌握单相全桥电压型逆变电路的工作原理； 2.进一步熟悉MATLAB 中对Simulink 的使用及构建模块； 3.进一步熟悉掌握用MATLAB绘图的技巧。 三、实验原理 1.电压型逆变器的原理图 1 T 1 (b) 图1直流电伐流电逆变原理示意图 当开关S1、S3闭合，S2、S4断开时，负载电压uO为正；当开关S1、S3断开，S2、S4闭合时，uO为负，如此交替进行下去，就在负载上得到了由直流电变换的交流电，uO的波形如图1 (b)所示。输出交流电的频率与两组开关的切换频率成正比，这样就实现了直流电到交流电的逆变。 2.电压型单相全桥逆变电路 图2电压型单相全桥逆变电路 它有4个桥臂可以看成由两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通 流波形与半桥电路形状相同， 幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流 电压Ud 来实现。 可采用移相方式调节逆变电路的输出电压， 成为移相调压。各栅极信号为180°正偏，180° 反偏，且T1和T2互补，T3和T4互补关系不变。T3的基极信号只比T1落后q( 0 本实验依次对两对桥臂交替导通 验研究。首先，两对桥臂交替导通 12亨利，设置直流电压 100V ，设置控制1、4号IGBT 触发 脉冲的的脉冲发生器周期 脉冲幅值1.2V ，脉冲宽度 脉冲幅值1.2V ，脉冲宽度 压方式下时，改设置控制 不变。 五、实验结果与分析 1两对桥臂交替导通 180度 2、输出电压有效值可调的移相工作方式 180度的工作方式以及输出电压可调的移相方式做实 180度工作方式下，设置负载电阻为 1欧姆、负载电感 0.02s , 50%，设置控制2、3号IGBT 触发脉冲的脉冲发生器周期 0.02, 50%，延迟0.01s ;做第二个实验即逆变桥工作在移相调节输出电 2、3号IGBT 触发脉冲的脉冲发生器的延迟为 0.007s ，其他参数 -100 O.OB -100 0 oe oos Uib. Series RLC Branch 100 0.02 0 04 0 06 Usrc: DC Voltage Source 100 0 02 0 04 1. 引言 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。 当把转换后的交流电直接回送电网，即交流侧接入交流电源时，称为有源逆变；而当把转换后的交流电直接供给负载时，则称为无源逆变。通常所讲的逆变电路，若不加说明，一般都是指无源逆变电路。 1. 电压型逆变器的原理图 当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u o 为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，u o 为负，如此交替进行下去，就在负载上得到了由直流电变换的交流电，u o 的波形如图7.4(b)所示。输出交流电的频率与两组开关的切换频率成正比。这样就实现了直流电到交流电的逆变。 2. 电压型单相全桥逆变电路 t (b)(a)u o t 3t 2t 1i o u o Z u o i o U d _+S 3S 2S 4S 1 它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180°。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。 改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压U d 来实现。 输出电压定量分析 u o 成傅里叶级数 基波幅值 基波有效值 当u o 为正负各180°时，要改变输出电压有效值只能改变U d 来实现 ?? ? ??+++=Λt t t U u ωωωπ5sin 513sin 31sin 4d o d d o1m 27.14U U U ==π d d 1o 9.022U U U ==π 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T1和T2互补，T3和T4互补关系不变。T3的基极信号只比T1落后q ( 0 . 目录 1 引言 (1) 1.1设计要求 (1) 1.2逆变的概念 (1) 1.3三相逆变 (1) 2 三相电压源型SPWM逆变器 (2) 2.1 PWM的基本原理 (2) 2.2 SPWM逆变电路及其控制方法 (2) 2.3 三相方波逆变器 (3) 2.3 三相PWM逆变器提高直流电压利用率的方法 (3) 2.4 三相PWM逆变器提高直流电压利用率的方法 (3) 3 逆变器主电路设计 (5) 4软件仿真 (6) 4.1 Matlab软件 (6) 4.2 建模仿真 (7) 5 总结 (11) 参考文献 (15) 1 引言 1.1设计要求 本次课程设计题目要求为三相方波逆变电路的设计。设计过程从原理分析、元器件的选取，到方案的确定以及Matlab仿真等，巩固了理论知识，基本达到设计要求。完成三相方波逆变电路的仿真，开关管选IGBT，直流电压为530V，阻感负载，负载有功功率1KW，感性无功功率为100Var。 1.2逆变的概念 逆变即直流电变成交流电，与整流相对应。 电力系统中，将电网交流电通过整流技术变成直流电，然后通过逆变技术，将直流变成高频交流，再通过高频变压器降压，就达到缩小变压器体积和提高供电质量的目的了。 1.3三相逆变 三相逆变技术广泛应用于交流传动、无功补偿等领域。在三相PWM 交流伺服系统中，一般采用三个桥臂的结构，即逆变桥主电路有6 个功率开关器件（功率MOSFET 或IGBT）构成，若每个开关器件都用一个单独的驱动电路驱动，则需6 个驱动电路，至少要配备4 个相互独立的直流电源为其供电， 使得系统硬件结构复杂，可靠性下降，且调试困难，设计成本偏高。 2 三相电压源型SPWM逆变器 2.1 PWM的基本原理 PWM(Pulse Width Modulation)控就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术最重要的理论基础是面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 SPWM控制技术是PWM控制技术的主要应用，即输出脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效。 2.2 SPWM逆变电路及其控制方法 SPWM逆变电路属于电力电子器件的应用系统，因此，一个完整的SPWM 逆变电路应该由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。 目前应用最为广泛的是电压型PWM逆变电路,脉宽控制方法主要有计算机法和调制法两种，但因为计算机法过程繁琐，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位发生变化时，结果都要变化，而调制法在这些方面有着无可比拟的优势，因此，调制法应用最为广泛。 所谓调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号 u，把接收调制的信号作 t 为载波 u，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。 c单相全桥逆变电路原理
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