方波逆變電路的計(jì)算機(jī)仿真

1、·電力電子系統(tǒng)仿真 題 目： 單相方波逆變電路仿真 院 系： 電氣工程學(xué)院 班 級(jí)： 電氣F1305 學(xué) 號(hào)： 201323010209 學(xué)生姓名： 蔣廣敬 單相方波逆變電路仿真實(shí)驗(yàn)步驟1 設(shè)計(jì)一單相橋式方波逆變電路，開關(guān)器件選用IGBT，直流電壓為300V，電阻負(fù)載，電阻1歐姆，電感2毫亨。根據(jù)上述要求完成主電路設(shè)計(jì)。2 完成上述單相橋式方波逆變電路的計(jì)算機(jī)仿真，觀察輸出電壓波形。系統(tǒng)輸入電流波形，電壓電流波形的諧波情況、不同仿真條件時(shí)系統(tǒng)輸入輸出的變化情況和理論分析的結(jié)果進(jìn)行比較。仿真軟件簡(jiǎn)介MATLAB 是一種適用于工程應(yīng)用各領(lǐng)域分析設(shè)計(jì)與復(fù)雜計(jì)算的科學(xué)計(jì)算軟件，由美國Math

2、Works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；近幾年來，Mathworks公司將MATLAB語言運(yùn)用于系統(tǒng)仿真和實(shí)時(shí)運(yùn)行等方面，取得了很多成績，更擴(kuò)大了它的應(yīng)用前景。MATLAB已成為美國和其他發(fā)達(dá)國家大學(xué)教學(xué)和科學(xué)研究中最常用而且必不可少的工具。MATLAB時(shí)“矩陣實(shí)驗(yàn)室”（Matrix Laboratory）的縮寫，它是一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，著重針對(duì)科學(xué)計(jì)算、工程計(jì)算和繪圖的需求。在MATLAB中，每個(gè)變量代表一個(gè)矩陣，可以有n*m個(gè)元素，每個(gè)元素都被看做復(fù)數(shù)，所有的運(yùn)算都對(duì)矩陣和復(fù)數(shù)有效，輸入算式立即可

3、得結(jié)果，無需編譯。 MATLAB主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)

4、,使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+ ，JAVA的支持。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。主電路圖工作原理說明1電力電子器件 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是復(fù)合型半導(dǎo)體電力電子開關(guān)器件，其輸入控制部分為MOSFET，輸出級(jí)為雙極性三級(jí)晶體管，因此兼有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)：高輸入阻抗，電壓驅(qū)動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快、工作效率可達(dá)10-40kHZ（比電力晶

5、體管高），飽和壓降低，電壓、電流容量較大，安全工作范圍較寬，可以制成更高電壓、電流等級(jí)的電力電子設(shè)備。 IGBT有三個(gè)電極：柵極G、發(fā)射極E和集電極C。輸入部分是一個(gè)MOSFET管，輸出部分是一個(gè)PNP三極管V1，此外還有一個(gè)內(nèi)部寄生的三極管V2（NPN管）在NPN晶體管V2的基極與發(fā)射極之間有一個(gè)體區(qū)電阻Rbr。 C G E MOSFET由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是

6、在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，與同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡(jiǎn)化 IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理圖。 當(dāng)柵極G與發(fā)射極E之間外加電壓Uge=0時(shí)，MOSFET管內(nèi)無導(dǎo)電溝道，其調(diào)制電阻Rdr?？梢暈闊o限大，Ic=0，MOSFET處于斷態(tài)。在柵極G和發(fā)射極E之間外加控制電壓Uge，使MOSFET 管導(dǎo)電溝道變寬，相當(dāng)于使調(diào)制電阻Rdr變小，也就改變了輸出晶體管V1的基極電流，控制了IGBT管集電極電流Ic。當(dāng)Uge足夠大時(shí)，V1飽和導(dǎo)通，則IGBT進(jìn)入通態(tài)。一旦撤除Uge，即Uge=0，則M

7、OSFET從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)，V1截止，IGBT從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。2 逆變電路逆變電路是電力電子交換電路的四種基本形式之一，又稱為直交變換器，它是能將直流電變換成交流電的電路。當(dāng)交流側(cè)接交流電路時(shí)，稱為有源逆變電路；當(dāng)直流電變換為交流電后直接向非電源負(fù)載供電時(shí)，稱為無源逆變電路。2.1逆變電路的分類l 按主電路結(jié)構(gòu)的不同和輸出相數(shù)分為單相和三相逆變電路。l 按逆變電路直流側(cè)電源性質(zhì)分為電壓型逆變電路和電流型逆變電。電壓型逆變電路輸入端接有大電容，形成平穩(wěn)的直流電壓，電流型逆變電路的輸入端接有大電感，形成平穩(wěn)的直流電流。l 按輸出交流電壓的性質(zhì)分為恒頻恒壓正弦波逆變電路、方波逆變電路、變頻變壓逆變電路

8、和高頻脈沖電壓逆變電路。l 按主電路中所用的開關(guān)器件的換流方式分為硬開關(guān)逆變電路、負(fù)載換流逆變電路和準(zhǔn)諧振逆變電路。2.2逆變電路中器件的換流方式u 器件換流：利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流的方式稱為器件換流。u 電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓的稱為電網(wǎng)換流。u 負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓的稱為負(fù)載換流。u 強(qiáng)迫換流：用附加電容上所存儲(chǔ)的能量來實(shí)現(xiàn)的稱為強(qiáng)迫換流。3 電壓型逆變電路逆變電路按直流電源性質(zhì)分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。圖3-1電路的具體實(shí)現(xiàn)。圖3-1 電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）電壓型逆變電路的特點(diǎn)：(1) 直流側(cè)為電壓源

9、或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)。(2) 輸出電壓為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。(3) 阻感負(fù)載時(shí)需提供無功。直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管（1）單相電壓型逆變電路1、半橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)：見圖3-2工作原理：V1和V2柵極信號(hào)各半周正偏、半周反偏，互補(bǔ)。uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2，io波形隨負(fù)載而異，感性負(fù)載時(shí)，圖5-6b，V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量，VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋，VD1、VD2稱為反饋二

10、極管，還使io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管.圖3-2 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，使用器件少缺點(diǎn)：交流電壓幅值Ud/2，直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡，用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合。2、全橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)及工作情況：圖3-3，兩個(gè)半橋電路的組合。1和4一對(duì)，2和3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，交替各導(dǎo)通180°。uo波形同圖3-4b。半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和圖3-4b中的io相同，幅值增加一倍，單相逆變電路中應(yīng)用最多的。輸出電壓定量分析uo成傅里葉級(jí)數(shù) 基波幅值 基波有效值 uo為正負(fù)各

11、180º時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實(shí)現(xiàn)。移相調(diào)壓方式（圖3-3）?？刹捎靡葡喾绞秸{(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調(diào)壓。各柵極信號(hào)為180º正偏，180º反偏，且V1和V2互補(bǔ)，V3和V4互補(bǔ)關(guān)系不變。V3的基極信號(hào)只比V1落后q ( 0<q <180º)，V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移180º-q，uo成為正負(fù)各為q 的脈沖，改變q 即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。圖3-3 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式單相方波逆變電路的計(jì)算機(jī)仿真模型的建立1單項(xiàng)橋式方波逆變電路仿真設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一單項(xiàng)橋式方波逆變電路，開關(guān)器件選用IGBT，直流電壓為300V，電阻負(fù)載，電阻一歐姆，電感2mh。設(shè)計(jì)上述要求完成主電路設(shè)計(jì)。單項(xiàng)橋式方波逆變電路 圖4-1參數(shù)設(shè)定： 圖4-2 圖4-3當(dāng)負(fù)載為阻感性負(fù)載時(shí)： 圖4-43 單相橋式方波逆變電路仿真圖形 電壓電流波形： 圖4-5 電壓電流波形u 波形分析：當(dāng)負(fù)載為純阻性負(fù)載時(shí)，電壓電流波形一樣，為方波. 圖4-7 電流電壓波形 u 波形分析：當(dāng)負(fù)載為阻感性負(fù)載時(shí)，由于電感有儲(chǔ)能作用，所以電流的波形不是方波，形似正弦波?？偨Y(jié)通過6周的電力電子仿真課程及實(shí)驗(yàn)，我學(xué)到了很多知識(shí)。我們使用了MATLAB軟件，由于距上次使用MATLAB已經(jīng)有很長時(shí)間了，為了再次熟悉這款軟件的各種