單相橋式不可控整流-逆變電路

1、JIU JIANG UNIVERSITY 電力電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 題 目 單相橋式不可控整流-逆變電路院 系 電子工程學(xué)院 專 業(yè) 自動(dòng)化 姓 名 曾志成 黃家平 年 級(jí) A1031 指導(dǎo)教師 張波 2013年 6月 摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電氣工程與自動(dòng)化技術(shù)正以另人矚目的發(fā)展速度，改變著我國(guó)工業(yè)的整體面貌。同時(shí)對(duì)社會(huì)的生產(chǎn)方式，人們的生活方式和思想觀念也產(chǎn)生了重大的影響，并在現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著與信息科學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)和能源科學(xué)等相關(guān)科學(xué)的交叉融合，它正向智能化，網(wǎng)絡(luò)化和集成化的方向發(fā)展。電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)

2、行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力變換。電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和交流技術(shù)(整流，逆變，斬波，變頻，變相等)兩個(gè)分支?，F(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。電力電子技術(shù)的應(yīng)用十分廣，包括：一般工業(yè)，交通運(yùn)輸，電力系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，新能源系統(tǒng)等，在家用領(lǐng)域更是明顯！MATLAB軟件是由美國(guó)Math Works公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的科學(xué)計(jì)算軟件系統(tǒng)，被譽(yù)為“巨人肩上的工具”MATLAB早

3、期主要用于控制系統(tǒng)的仿真，經(jīng)過不斷擴(kuò)展已經(jīng)成為包含通信電氣工程優(yōu)化控制等諸多領(lǐng)域的科學(xué)計(jì)算軟件，可以用于電力電子電路和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；MATLAB；計(jì)算機(jī)仿真目 錄1. 設(shè)計(jì)的任務(wù)41.1 設(shè)計(jì)的目的41.2 設(shè)計(jì)的任務(wù)42電力電子技術(shù)與MATLAB421 電力電子技術(shù)基本概念422 電力電子技術(shù)的基本應(yīng)用523 電力電子技術(shù)MATLAB實(shí)踐的特點(diǎn)52. 4 MATLAB(simulink)簡(jiǎn)介與使用62.4.1 MATLAB(simulink)簡(jiǎn)介62.4.2 MATLAB(simulink)的基本使用73. 單相橋式不可控整流-逆變電路的原理73.1 單相橋式

4、不可控整流原理73.2 單相橋式PWM逆變電路及其控制方法94單相橋式不可控整流逆變電路的仿真模型的建立1241單相橋式不可控整流逆變電路的仿真模型124.2仿真模型使用模塊提取及其參數(shù)設(shè)置124.2.1 各模塊的提取與使用124.2.2 各模塊參數(shù)的設(shè)置135. 本設(shè)計(jì)仿真的分析與結(jié)論165.1 仿真分析165.2 仿真的結(jié)論19參考文獻(xiàn)20致謝21- III -電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)的任務(wù)1.1 設(shè)計(jì)的目的通過一學(xué)期的對(duì)電力電子技術(shù)的學(xué)習(xí)，我對(duì)電力電子中的基本電路如整流電路、逆變電路、DC/DC變換電路、交流電力控制電路等的工作原理及分析方法都有了比較深入的認(rèn)識(shí)；對(duì)保護(hù)電路及電力電

5、子器件的緩沖電路也了解了一些；也認(rèn)識(shí)到了電力電子技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)各方面的廣泛應(yīng)用。但是，僅僅了解了書本上的理論知識(shí)而不會(huì)把它們應(yīng)用到實(shí)際中去，這不能叫真正掌握了一門技術(shù)。只有學(xué)以致用、在實(shí)踐中檢驗(yàn)理論的正確性，才是學(xué)習(xí)的好方法。隨著實(shí)際應(yīng)用中對(duì)電能的質(zhì)量要求越來越高，對(duì)電能進(jìn)行變換就顯得非常必要。本文中所設(shè)計(jì)單相不可控控整流逆變電路正是在實(shí)際中應(yīng)用非常廣泛的一種電路，主要用于需要小功率的單相中頻加熱與機(jī)械零件淬火裝置等。對(duì)這個(gè)電路的設(shè)計(jì)，既可以幫助我鞏固已經(jīng)學(xué)過的電力電子技術(shù)的各方面的知識(shí)，也可以讓我了解到在設(shè)計(jì)整個(gè)電力電子裝置中所要面臨的各種問題，并且可以在前人總結(jié)的經(jīng)典電路的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一些小

6、的創(chuàng)新。我相信，通過這次課程設(shè)計(jì)，一定可以鍛煉我的思維能力和分析能力，對(duì)實(shí)踐能力的提高也會(huì)有所幫助。1.2 設(shè)計(jì)的任務(wù)本設(shè)計(jì)的目的就是，設(shè)計(jì)一個(gè)單相整流-逆變電路，將單相50交流電源經(jīng)過單相不可控整流環(huán)節(jié)，進(jìn)行LC濾波之后作為中間直流環(huán)節(jié)，再進(jìn)入PWM逆變，又一次經(jīng)過LC濾波之后，連接到需要不同于50HZ的交流單相負(fù)載。實(shí)現(xiàn)不同頻率的要求的電能系統(tǒng)。萬用表檢測(cè)不控整流橋與逆變橋的電力電子元件的電壓與電流，示波器還檢測(cè)出負(fù)載電壓波形。2電力電子技術(shù)與MATLAB21 電力電子技術(shù)基本概念電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對(duì)電能進(jìn)

7、行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力變換。電能變換主要指電壓、電流與頻率的變換。所以電能轉(zhuǎn)換的基本類型有四種，即AC/DC變換、DC / AC變換、DC/DC變換、AC/AC變換。22 電力電子技術(shù)的基本應(yīng)用一般工業(yè)領(lǐng)域：交直流電機(jī)、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)；交通運(yùn)輸領(lǐng)域：電氣化鐵道、電動(dòng)汽車、航空、航海；電力系統(tǒng)領(lǐng)域：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補(bǔ)償；電子裝置電源領(lǐng)域：為信息電子裝置提供動(dòng)力；家用電器領(lǐng)域：“節(jié)能燈”、變頻空調(diào) ；其他領(lǐng)域：UPS、 航天飛行器、新能源

8、、發(fā)電裝置其顯著作用：（1) 優(yōu)化電能使用。通過電力電子技術(shù)對(duì)電能的處理，使電能的使用達(dá)到合理、高效和節(jié)約，實(shí)現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，在節(jié)電方面，針對(duì)風(fēng)機(jī)水泵、電力牽引、軋機(jī)冶煉、輕工造紙、工業(yè)窯爐、感應(yīng)加熱、電焊、化工、電解等14個(gè)方面的調(diào)查，潛在節(jié)電總量相當(dāng)于1990年全國(guó)發(fā)電量的16%，所以推廣應(yīng)用電力電子技術(shù)是節(jié)能的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施，一般節(jié)能效果可達(dá)10%-40%，我國(guó)已將許多裝置列入節(jié)能的推廣應(yīng)用項(xiàng)目。(2) 改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機(jī)電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家預(yù)測(cè)，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術(shù)處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機(jī)電設(shè)備中，有95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)，特別是，電力電

9、子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的媒體，是機(jī)電設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計(jì)算機(jī)作用的保證和基礎(chǔ)。(3) 電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)的發(fā)展，將使機(jī)電設(shè)備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)最佳工作效率，將使機(jī)電設(shè)備的體積減小幾倍、幾十倍，響應(yīng)速度達(dá)到高速化，并能適應(yīng)任何基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無噪音且具有全新的功能和用途。(4) 電力電子智能化的進(jìn)展，在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術(shù)的重大改革。有人甚至提出，電子學(xué)的下一項(xiàng)革命將發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備和電網(wǎng)為對(duì)象的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)將把人們

10、帶到第二次電子革命的邊緣。23 電力電子技術(shù)MATLAB實(shí)踐的特點(diǎn)電力電子技術(shù)中有關(guān)電能的變換與控制過程，有各種電路原理的分析與研究、大量的計(jì)算、電能變換的波形測(cè)量、繪制與分析等，這些工作特別適合MATLAB的使用。首先，MATLAB運(yùn)算功能強(qiáng)大，它提供的向量、復(fù)數(shù)運(yùn)算、符號(hào)運(yùn)算、常微分方程的數(shù)值積分運(yùn)算等，這些都是在交流電的可控整流、直流電的有源逆變與無源逆變里大量存在的：整流輸出直流的平均值、有效值與電路功率因數(shù)計(jì)算、控制角、導(dǎo)通角與最小逆變角的計(jì)算等課題，用MATLAB求解既簡(jiǎn)單方便又精確快捷。其次，MATLAB的SimPowerSystems實(shí)體圖形化仿真模型系統(tǒng)，把代表晶閘管等各種實(shí)

11、物的特有圖形符號(hào)，連接成一個(gè)整流裝置電路、一個(gè)逆變裝置或是一個(gè)系統(tǒng)。這種實(shí)體圖形化模型的仿真更具有簡(jiǎn)單、方便、節(jié)省設(shè)計(jì)制作時(shí)間與低成本等特點(diǎn)。再有，變流技術(shù)討論的電能轉(zhuǎn)換與控制，需要對(duì)各種電壓與電流波形進(jìn)行測(cè)量、繪制與分析，MATLAB提供的功能強(qiáng)大且使用方便的圖形函數(shù)，特別適合完成此項(xiàng)任務(wù)。坐標(biāo)體系完整，線性類別豐富，顏色絢麗多彩，MATLAB繪制的圖形尤其準(zhǔn)確、清晰、精美，可以用來對(duì)電路的工作原理進(jìn)行討論和分析。最后，MATLAB界面友好，使得從事自動(dòng)控制的科技工作者樂于接觸它，愿意使用它。2. 4 MATLAB(simulink)簡(jiǎn)介與使用2.4.1 MATLAB(simulink)簡(jiǎn)介

12、Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的

13、多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。.構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。2.4.2 MATLAB(simulink)的基本使用 （1）將圖片放在matlab/work/文件夾下

14、。 （2）使用語(yǔ)句“I=imread(Miss256G.bmp)”讀入圖像，注意這里需要擴(kuò)展名“.bmp”。 （3）然后在matlab的左側(cè)中workspace中可看到變量I，如果沒有的話，可在菜單中設(shè)置顯示該欄。（4）可以從點(diǎn)擊“新建”按鈕，顯示“New Mfile”建立新m文件，可在該文件中輸入程序，然后保存該文件。然后點(diǎn)擊運(yùn)行“run”按鈕，可直接運(yùn)行該程序。 創(chuàng)建簡(jiǎn)單的Simulink的模型 ：1、啟動(dòng)Simulink：命令窗中輸入Simulink；點(diǎn)擊工具欄中的按鈕。打開模型編輯的窗口。 2、根據(jù)具體問題建立數(shù)學(xué)模型。

15、60;    3、確定需要的仿真模塊。仿真過程用示波器（Scope）來反映。（因本題未涉及具體物理問題）。 4、對(duì)模塊進(jìn)行操作，以方便模型的建立。  5、連線。（特別注意端點(diǎn)的連接、分點(diǎn)的連接（右鍵）、信號(hào)線的移動(dòng)、信號(hào)線的標(biāo)簽（單左選中目標(biāo)線，移開后雙左）等）  6、模塊參數(shù)的設(shè)置。  7、仿真輸出。數(shù)學(xué)輸出先雙擊示波器，對(duì)示波器設(shè)置然后仿真運(yùn)行。非數(shù)學(xué)輸出必須先建立S函數(shù)，然后方可仿真運(yùn)行。3. 單相橋式不可控整流-逆變電路的原理3.1 單相橋式不可控整流原理本實(shí)驗(yàn)使用單相橋式不可

16、控電路，也就是電力二極管。橋式整流電路如圖1所示，其中圖（a）、（b）、（c）是它的三種不同畫法。它是由電源變壓器、四只整流二極管D14  和負(fù)載電阻RL組成。四只整流二極管接成電橋形式，故稱橋式整流。 圖1 整流橋式整流電路的工作原理如圖2所示。在u2的正半周，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，電流由TR次級(jí)上端經(jīng)D1 RL D3回到TR 次級(jí)下端，在負(fù)載RL上得到一半波整流電壓。 圖2 整流  在u2的負(fù)半周，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通，電流由Tr次級(jí)的下端經(jīng)D2 RL D4 回到Tr次級(jí)上端，在負(fù)載RL 上得到另一半波整流電壓。  這樣

17、就在負(fù)載RL上得到一個(gè)與全波整流相同的電壓波形，其電流的計(jì)算與全波整流相同，即 ：UL = 0.9U2  IL = 0.9U2RL。 流過每個(gè)二極管的平均電流為：ID = IL2 = 0.45 U2RL.、每個(gè)二極管所承受的最高反向電壓為：Urm=1.414U2。3.2 單相橋式PWM逆變電路及其控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的幾乎都是電壓型。其計(jì)算法和調(diào)制法分別如下：計(jì)算法：根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件

18、的通斷，就可得到所需PWM波形。調(diào)制法：輸出波形作調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行調(diào)制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，符合PWM的要求。調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，也能得到等效的PWM波。結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說明：設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)。其控制規(guī)律：正半周，通，斷，和交替通斷，負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段

19、為正，一段為負(fù)，負(fù)載電流為正區(qū)間，和導(dǎo)通時(shí)，等于，關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過和續(xù)流，=0，負(fù)載電流為負(fù)區(qū)間，為負(fù)，實(shí)際上從和流過，仍有=，斷，通后，從和續(xù)流，=0，總可得到和零兩種電平。負(fù)半周，讓保持通，保持?jǐn)啵徒惶嫱〝?，可?和零兩種電平。圖3 單相橋式PWM逆變電路單極性PWM控制方式（單相橋逆變）：在和的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。正半周，保持通，保持?jǐn)?，?dāng)>時(shí)使通，斷，=，當(dāng)<時(shí)使斷，通，=0。負(fù)半周，保持?jǐn)?，保持通，?dāng)<時(shí)使通，斷，=-，當(dāng)>時(shí)使斷，通，=0，虛線表示的基波分量。波形見圖4.圖4 單極性PWM控制方式波形4單相橋式不可控整流逆變電路的仿真模型的建立

20、41單相橋式不可控整流逆變電路的仿真模型圖5 仿真模型圖4.2仿真模型使用模塊提取及其參數(shù)設(shè)置4.2.1 各模塊的提取與使用1、PWM發(fā)生器模塊：SimulinkSimpower SystemsPower ElectronicsDiscrete Control BlocksDiscrete PWM Generator2、信號(hào)終結(jié)模塊Terminator：SimulinkCommonly Used BlocksTerminator3、示波器 Simulink/Sinks/Scope4、逆變橋模塊SimulinkSimpower SystemsPower ElectronicsUniversity

21、 Bridge5、不可控整流橋模塊也同樣是SimulinkSimpower SystemsPower ElectronicsUniversity Bridge，但是參數(shù)需要修改。6、電壓測(cè)量模塊SimulinkSimpower SystemsMeasurementsVoltage Measurement7、電源輸入模塊SimulinkSimpower Systems Electronical SourcesAC Voltage Source8、萬用表模塊SimulinkSimpower SystemsMeasurementsMultimeter4.2.2 各模塊參數(shù)的設(shè)置交流電源模塊：“Pha

22、se”初相角0,“Frequency”頻率50Hz， “Sample time”采樣時(shí)間0（默認(rèn)值0 表示該交流電源為連續(xù)源），“peak amplitude”當(dāng)變頻輸出頻率為100Hz時(shí)置為600V*，當(dāng)變頻輸出頻率為50Hz時(shí)置為50V*。（下圖為當(dāng)頻率為50Hz時(shí)，電壓數(shù)值為848.5V），電源參數(shù)設(shè)置如圖6所示。圖6 電源參數(shù)設(shè)置濾波電感L1：選擇“Series RLC Branch”模塊，將參數(shù)“Inductance(H)”設(shè)置為：80e-3。L1參數(shù)設(shè)置如圖7所示。圖7 L1參數(shù)設(shè)置濾波電感L2：選擇“Series RLC Branch”模塊，將參數(shù)“Inductance(H)”設(shè)

23、置為：30e-3。L1參數(shù)設(shè)置如圖8所示。圖8 L2參數(shù)設(shè)置濾波電容C1：選擇“Series RLC Branch”模塊，將參數(shù)“Capaciatance(F)”設(shè)置為：1800e-6。C1參數(shù)設(shè)置如圖9所示。圖9 C1參數(shù)設(shè)置濾波電容C2：選擇“Series RLC Branch”模塊，將參數(shù)“Capaciatance(F)”設(shè)置為：320e-6。C2參數(shù)設(shè)置如圖10所示。圖10 C2參數(shù)設(shè)置5. 本設(shè)計(jì)仿真的分析與結(jié)論5.1 仿真分析電壓表輸出圖形如下面圖11所示。圖11 電壓表圖形其中電壓表輸出的為以下內(nèi)容的數(shù)值：第一行：不可控整流二極管的端電壓Usw1與流經(jīng)二極管的電流Isw1。第二行：逆變橋IGBT管的端電壓Usw1與流經(jīng)IGBT管的電流Isw1。第三行：整流橋輸出電壓Udc與逆變橋輸入電壓Udc。第四行：RL負(fù)載的端電壓Ub與流經(jīng)負(fù)載的電流Ib。然而頻率為100Hz時(shí)示波器的輸出圖形就如下圖12所示。圖12 示波器輸出1而頻率為50Hz時(shí)，示波器輸出波形如下圖13所示。圖13 示波器輸出25.2 仿真的結(jié)論輸出負(fù)載電壓波形還由示波器檢測(cè)輸出并且顯示出來，當(dāng)PWM脈沖發(fā)生器調(diào)制度設(shè)置為m=0.5時(shí)，且設(shè)置“Frequency