電力電子電路設(shè)計與仿真

1、1 設(shè)計1.1 總體設(shè)計 根據(jù)本課題需要，我們需要設(shè)計一個逆變電源裝置。我們需要設(shè)計出輸入輸出濾波電路、逆變電路、驅(qū)動電路、檢測電路、保護電路等模塊并設(shè)計出其參數(shù)，其結(jié)構(gòu)框圖如Figure 1 所示。Figure 1 總體結(jié)構(gòu)框圖1.2 逆變電源裝置的主電路設(shè)計 電網(wǎng)的交流電經(jīng)過二極管不控整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成脈動的直流電，經(jīng)過直流濾波電路，使脈動的直流電的電壓波形變得更加平滑，變成有一定紋波的穩(wěn)壓電源，經(jīng)過三相逆變電路后，輸出為三相交流電，再通過隔離變換電路，濾除三相交流電的直流成分，再經(jīng)過輸出濾波器，此時輸出的三相交流電就能很好帶動負(fù)載并能很好的的滿足課題的需求。Figure 2 主電路原

2、理框圖1.2.1 負(fù)載參數(shù)的計算Figure 3 等效負(fù)載 負(fù)載電阻最小值 負(fù)載電感最小值 1.2.2 濾波電容參數(shù)的計算濾波電容與負(fù)載并聯(lián)，對逆變電路輸出電流影響較大，所以設(shè)計濾波電路時，先選擇設(shè)計濾波電容。首先取濾波電容容抗等于負(fù)載電感感抗的2倍即 則有 我們?nèi)?。7個 250V 50HZ 交流電路用于60HZ時耐壓降為60%。 即：2500.6=150V 110V 1.2.3 濾波電感參數(shù)的計算濾波電感的作用是減小輸出電壓的諧波電壓，保證基波電壓的傳輸，即電感不可太大也不可以太小。選取的電感參數(shù)應(yīng)滿足以下幾個條件：濾波電路的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離輸出電壓中可能出現(xiàn)的諧波頻率， 不應(yīng)太大而接近于1

3、， 應(yīng)該較小我們?nèi)?，則有 實取L =1.6mH，則有 此時濾波電路的固有頻率為 1.2.4 逆變電路的輸出電壓Figure 4 逆變輸出后的等效圖 空載 額定負(fù)載 過載倍數(shù)為2時 額定負(fù)載 過載倍數(shù)為2時 1.2.5 三相逆變電路輸出正弦電壓Figure 5 三相逆變拓?fù)鋱D三相橋式逆變電路輸出電壓為 實際上由于橋臂上下管互補導(dǎo)通要保留“死區(qū)時間”，并且管子導(dǎo)通時有壓降（） ，輸出電壓達(dá)不到 K： 與死區(qū)時間引起的降壓系數(shù)（k1）；m： 同一通路中開關(guān)器件個數(shù)，這里m=2；由于 設(shè) 則有 取 E按有可能出現(xiàn)的最低電壓取值 3800.91.35=461.7V 考慮整流電路降壓后取450V 三相逆

4、變電路輸出電壓為 1.2.6 三相逆變電路和輸出電壓匹配無隔離變壓器時，逆變輸出電流有效值 長期連續(xù)最大電流（一般滿載）阻性 阻感性 短期最大電流（短期過載）（R與支路過載）阻性 阻感性 無隔離變壓器時，逆變輸出電流峰值 長期輸出電流峰值 短期最大電流（短期過載）（R與支路過載） 電壓匹配： 則有 由于實際中變壓器有內(nèi)阻。需要考慮激磁等問題。對N略作調(diào)整 我們?nèi)=0.86滿載 過載 1.2.7 開關(guān)器件的選擇開關(guān)器件的電流峰值 開關(guān)器件的電流可選為電流峰值的1.52倍。長期連續(xù)情況下取2倍 2282.625=565.364A 選600A經(jīng)濟過載情況下取1.5倍 1.5545.396=818.

5、09A 選900A安全1.2.8 主開關(guān)器件耐壓主開關(guān)器件的耐壓根據(jù)所有工況的最高電壓考慮設(shè)下管開通下管關(guān)斷，則下管所受的最大電壓為： 主開關(guān)器件承受的最高電壓一般出現(xiàn)在輸入電壓最高，輸出負(fù)載最低即空載的情況下。選開關(guān)元件耐壓是實際工作電壓的2倍，即1182.282V。實際選取1200V耐壓的開關(guān)元件。2 仿真2.1 SPWM逆變線路的數(shù)學(xué)模型 ：相應(yīng)橋臂的開關(guān)函數(shù)對于全橋逆變電路， 使用規(guī)則采樣法 :是載波，是調(diào)制波。帶入式子則有 2.2 輸出濾波模型輸出濾波電路圖，如圖下所示Figure 6根據(jù)輸出濾波電路寫出如下關(guān)系式 變換形式后的式為 畫出輸出濾波仿真模型，如圖所示Figure 7輸出

6、電壓Vo與輸入電壓Vi的關(guān)系式為 2.3單相逆變器的控制策略 1.電壓單閉環(huán)控制系統(tǒng)單閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型，如圖所示Figure 8在給定輸入Vi與負(fù)載擾動輸入io共同作用下下，閉環(huán)輸出Vo（s）為 其閉環(huán)特征方程為 主導(dǎo)極點為 非主導(dǎo)極點為 期望的特征方程為 根據(jù)極點配置法求解，得 是阻尼比 是自然振蕩頻率 為濾波電感 為濾波電容當(dāng)、時，代入到（11-6）、（11-7）、（11-8）中求得 2.4電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)將濾波電感電流或濾波電容電流瞬時值作為反饋量引入控制系統(tǒng)，設(shè)置電流內(nèi)化改善系統(tǒng)動態(tài)性能雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型有三種情況Figure 9 （a）Figure 10 （b

7、）Figure 11 （c）如圖a所示，模型1中負(fù)載擾動在內(nèi)環(huán)之外，其優(yōu)點是能方便的實現(xiàn)逆變器的過流保護，但對負(fù)載擾動的抗干擾性弱。如圖b所示，模型2中負(fù)載擾動在內(nèi)環(huán)之內(nèi)，其對負(fù)載擾動的抗擾性能要強于模型1，但其電感電流不受限制，不能通過限流實現(xiàn)對逆變器的保護。如圖c所示，模型3中引入了負(fù)載電流前饋補償，電感電流受到了限制，系統(tǒng)也能根據(jù)負(fù)載擾動的變化及時的調(diào)整，抗擾性也比較好。雙閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為 四階系統(tǒng)期望閉環(huán)主導(dǎo)極點為 非主導(dǎo)極點、為 期望的四階系統(tǒng)特征方程為 根據(jù)極點配置法求解，得 將 ，代入式子求得 2.5 電路仿真模型電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型，如圖所示Figure 12 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型1（負(fù)載擾動在內(nèi)環(huán)外）Fig