我的方波逆变电路的计算机仿真 2讲解.docx
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我的方波逆变电路的计算机仿真2讲解
《电力电子电路的计算机仿真》
综合训练报告
班级
姓名
学号
专业
指导教师
2012年12月20日
任务书
1、题目名称:
方波逆变电路的计算机仿真
2、设计部分:
1 设计一单相桥式方波逆变电路,开关器件选用IGBT,直流电压为300V,电阻负载,电阻1欧姆,电感2毫亨。
根据上述要求完成主电路设计。
2 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。
三、仿真部分:
A.完成上述单相桥式方波逆变电路的计算机仿真,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。
B.完成上述三相桥式方波逆变电路的计算机仿真,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。
摘要
本此电力电子课程设计我组的设计题目是方波逆变电路的计算机仿真,开关器件选用IGBT。
此次的课设题目是通过MATLAB来完成的,主要包括数据结构、数值运算、程序设计及绘图等。
通过使用Simpowersystems模型库进行电力电子电路的仿真分析。
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。
逆变电路广泛应用于交流电机的变频调速、感应加热电源、高压直流输电、不间断供电电源(UPS)、柔性交流输电(FACTS)、航空电源等装置中。
且目前的绝大多数逆变电路都采用全控型电力电子器件作为开关器件这也是逆变电路发展的方向。
关键词:
方波逆变电路、IGBT开关器件、MATLAB、计算机仿真
目录:
第1章仿真软件简介4
第2章主电路图工作原理说明5
3.1电力电子器件5
3.2逆变电路6
3.3逆变电路的基本工作原理6
3.4电压型逆变电路6
第3章方波逆变电路的计算机仿真模型的建立12
4.1单项桥式方波逆变电路仿真12
4.2三相桥式方波逆变电路仿真16
第4章参考文献23
第五章体会24
第一章仿真软件简介
一.MATLAB
MATLAB是一种适用于工程应用各领域分析设计与复杂计算的科学计算软件,由美国MathWorks公司于1984年正式推出,1988年推出3.X(DOS)版本,1992年推出4.X(Windows)版本;近几年来,Mathworks公司将MATLAB语言运用于系统仿真和实时运行等方面,取得了很多成绩,更扩大了它的应用前景。
MATLAB已成为美国和其他发达国家大学教学和科学研究中最常用而且必不可少的工具。
MATLAB时“矩阵实验室”(MatrixLaboratory)的缩写,它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言,着重针对科学计算、工程计算和绘图的需求。
在MATLAB中,每个变量代表一个矩阵,可以有n*m个元素,每个元素都被看做复数,所有的运算都对矩阵和复数有效,输入算式立即可得结果,无需编译。
MATLAB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。
第二章主电路图工作原理说明
2.1电力电子器件
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是复合型半导体电力电子开关器件,其输入控制部分为MOSFET,输出级为双极性三级晶体管,因此兼有MOSFET和电力晶体管的优点:
高输入阻抗,电压驱动控制、驱动功率小,开关速度快、工作效率可达10-40kHZ(比电力晶体管高),饱和压降低,电压、电流容量较大,安全工作范围较宽,可以制成更高电压、电流等级的电力电子设备。
IGBT有三个电极:
栅极G、发射极E和集电极C。
输入部分是一个MOSFET管,输出部分是一个PNP三极管V1,此外还有一个内部寄生的三极管V2(NPN管)在NPN晶体管V2的基极与发射极之间有一个体区电阻Rbr。
C
G
E
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。
当栅极G与发射极E之间外加电压Uge=0时,MOSFET管内无导电沟道,其调制电阻Rdr。
可视为无限大,Ic=0,MOSFET处于断态。
在栅极G和发射极E之间外加控制电压Uge,使MOSFET管导电沟道变宽,相当于使调制电阻Rdr变小,也就
改变了输出晶体管V1的基极电流,控制了IGBT管集电极电流Ic。
当Uge足够大时,V1饱和导通,则IGBT进入通态。
一旦撤除Uge,即Uge=0,则MOSFET从通态转入断态,V1截止,IGBT从通态转入断态。
2.2逆变电路
逆变电路是电力电子交换电路的四种基本形式之一,又称为直—交变换器,它是能将直流电变换成交流电的电路。
当交流侧接交流电路时,称为有源逆变电路;当直流电变换为交流电后直接向非电源负载供电时,称为无源逆变电路。
2.2.1逆变电路的分类
●按主电路结构的不同和输出相数分为单相和三相逆变电路。
●按逆变电路直流侧电源性质分为电压型逆变电路和电流型逆变电。
电压型逆变电路输入端接有大电容,形成平稳的直流电压,电流型逆变电路的输入端接有大电感,形成平稳的直流电流。
●按输出交流电压的性质分为恒频恒压正弦波逆变电路、方波逆变电路、变频变压逆变电路和高频脉冲电压逆变电路。
●按主电路中所用的开关器件的换流方式分为硬开关逆变电路、负载换流逆变电路和准谐振逆变电路。
2.2.2逆变电路中器件的换流方式
◆器件换流:
利用全控型器件的自关断能力进行换流的方式称为器件换流。
◆电网换流:
由电网提供换流电压的称为电网换流。
◆负载换流:
由负载提供换流电压的称为负载换流。
◆强迫换流:
用附加电容上所存储的能量来实现的称为强迫换流。
2.3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3-3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,并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
(3)阻感负载时需提供无功。
直流侧电容起缓冲无功能量的作用。
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 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 当三相逆变器按120导通方式工作时,其输出电压波形如图3-7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。 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。 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。 第三章方波逆变电路的计算机仿真模型的建立 3.1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 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: 当负载为纯阻性负载时,电压电流波形一样,为方波. 图4-7电流电压波形 ◆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。 3.2三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4-11 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 2三相桥式方波逆变电路仿真图形 当感性无功功率为100var时负载时,电压电流波形: 图4-13电压电流波形 : ◆波形分析: 波形分析: 相电压Ua、Ub、Uc波行为矩形波,电流波行为正弦波。 当感性无功功率为1000var时,电压电流波形为: 图4-15电压电流波形 ◆波形分析: 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。 3.3谐波分析 三相全桥阻性电压谐波分析 三相全桥阻感性电流谐波分析 第四章参考文献 《电力电子技术》王兆安、刘进军机械工业出版社 《电力电子应用技术的MATLAB仿真》林飞、杜欣中国电力出版社 《现代电力电子技术》王兴贵、陈伟机械工业出版社 《电力电子技术计算机仿真实验》李传琦机械工业出版社 《MATLAB在电气工程中的应用》李维波中国电力出版社 《现代电力电子电路》林渭勋浙江大学出版社 《MATLAB学习教程》周建华黄燕北京大学出版社 第五章总结体会 本次的电力电子仿真课程设计为期两周,我组的课设题目是方波逆变电路的 计算机仿真。 我们在做课设的过程中有收获,同时也遇到了一些问题。 因为本次的课设首先是复习去年学过的电力电子技术,其次,还要熟悉MATLAB软件,在仿真的过程中我们组还遇到了一些问题,比如: 单相全桥逆变电路不出波形,后来经过老师的指导,才知道是因为四个IGBT不能同时闭合,所以,就修改为相对的两个桥同时给触发脉冲。 这样,就出现了理想的波形。 另外,三相全桥逆变电路的波形与实际不符合,经过仔细阅读电力电子书之后,才知道共阳极的三个IGBT开关分别延迟120。 导通。 通过这次课程设计,我们不仅重新对电力电子的知识做了深入了解,更对MATLAB有了初步的应用。 在今后的学习中,我们应该更广泛的涉猎各个科目的知识,这样才能以不变应万变。
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