三项电压型逆变电路实验报告.docx

、弓I言： 2二、交-直-交变压变频器的基本结构 21、三相电压型桥式逆变电路拓扑图 32、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:四、仿真参数及仿真波形设置：51. 对脉冲触发器进行参数设置：52. 用 subplot 作图：63. 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，其使用的电源类型一一三相交 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。中间直流环节艇翘:CVCF)(VWF)Af ° k50Hz° 整流 DC 逆变 一AC图1交-直-交变压变频器基本结构图本文主要针对变频器中的三相电压型桥式整流电路的仿真讨论。因此：1、三相电压型桥式逆变电路拓扑图交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源， 图3为6个电力电子开关器件VT1 VT6组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表 任何一种电力电子开关器件。图2三相电压型逆变电路拓扑图2、交-直-交变压变频器的工作原理控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一 个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变 器中，有180°导通型和120°导通型两种换流方式。电压型三相桥式逆变电路如图2所示。电路由三个半桥电路组成，开关管可以采用全控 型电力电子器件(图中以IGBT为例)，VD1VD6为续流二极管。电压型三相桥式 逆变电路的基本工作方式为180°导电型，即每个桥臂的导电角为180°。同一相上下桥臂 交替导电。各相开始导电的时间一次相差120°这样，在任意瞬间，将有三个桥臂同时导通。 可能是上面一个臂下面两个臂同时导通，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每 次换流都是在同一相的上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。在一个周期内，6个开关管触发导通的次序为VI- V2 - V3 -V4 - V5 - V6,依次相隔60°任意时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为VI -V2-V3,V2-V3-V4,V3- V4-V5,V4-V5-V6,V5-V6-V1，每种组合工作。三、三相电压型桥式逆变电路的Simulink建立及模型：a. 打开MATLAB并建立一个仿真模型的新文件。在MATLAB的菜单栏上点击File, 选择New,再在弹出菜单中选择Model,这时出现一个空白的仿真平台，在这个平台上可以 绘制电路的仿真模型。b. 提取电路元器件模块。在仿真模型窗口的菜单上点击I图标调出模型库浏览器，在 模型库中提取所需的模块放到仿真窗口。c. 将电路元器件模块按图2原理图连接起来组成仿真电路。d. 对各种电路元器件模块进行参数设置及封装。最终仿真图如下：Coni2CcnVCongCon调CcniSVo Its ze MEasLr-=TiEnL2e lyfeBiuremenKMe3SL?r-Emei11Me3SL?r-Emei11VolzEtge Ms-asur-ei主电路及脉冲电路封装模型其中，原电路模型为:1-Pub£* - Ir-gitiF.lszguEH Lf *相驱3国D aulefTl_ flSaDpe!KVdie SansIGEH¥剧王PEmrty if代K卷IVfeKi曲怵醇，Bed告，LC *ehf 冷顼FWl左沁时TWV-，：£四、仿真参数及仿真波形设置:1 .对脉冲触发器进行参数设置：导| Block Parameters: Pulse GeneratorPulTe Geaer atc?TOutDU+ DulEC5.if (t >= FhABeelay) _Fll1ss is c-n¥ (t = Amplitudeelse¥(t> = O endFu2se type d-st crzalz.4x tris c c=(put o.t 1ctlq.L t acrLE.Lq.LCi q d.Tlsctazc-d 1; Tsc-EZEDfiTidcd fc-r use Rlth a va,Tia.bJQ- =tcp e-d-LvaTj ffh 11 a SsjplA-d. 1 £ rfrc-oimiw-nd-And f-or use Kltti a rxice-d zt-a-p z-c-lvar or witliln a. dlzcrc-ta- £M>rti-o-n of a oo-d-a-1 azlng 三 vaxla.!)!a- ste-p Eilva-r.=Far anet e-rS' =jFuJ. = fi tFPfl: I TzLe tasid |ft rjss £ZIDJ.j.H.t iCJl tlZQC jAnpli Li.d.ia-:FPer i-od tEecs):|o. 03Pulae ffidth (% o-f p-ez-iod):矿Phase del ar (.bcc-b J1:hlR* Znt STprct vc j t o:i pEjrasMt: mtw z. 1DQKCancelHelpApply如图，当a=0时，V1的脉冲参数的设置如上，其中振幅为1V,周期为0.02s （即频率为 50Hz）,脉冲宽度为0.01。其余脉冲参数设置同上。V2的脉冲将“Phase delay”设置为-0.1/6, V3的脉冲将“Phase delay”设置为-0.04/3, V4的脉冲将“Phase delay”设置为-0.01, V5的脉冲将 “Phase delay” 设置为-0.02/3, V6 的脉冲将 “Phase delay” 设置为-0.02/6。当a=30时，V1的脉冲将“Phase delay”设置为0.01/6，V2的脉冲将“Phase delay”设 置为-0.09/6, V3的脉冲将“Phase delay”设置为-0.07/6, V4的脉冲将“Phase delay”设置为 -0.05/6, V5 的脉冲将 “Phase delay” 设置为-0.01/2, V6 的脉冲将 “Phase delay” 设置为 -0.01/6。当a=90时，V1的脉冲将“Phase delay”设置为0.005，V2的脉冲将“Phase delay”设 置为-0.07/6, V3的脉冲将“Phase delay”设置为-0.025/3, V4的脉冲将“Phase delay”设置为 -0.005, V5 的脉冲将 “Phase delay” 设置为-0.005/3, V6 的脉冲将 “Phase delay” 设置为 0.01/6。负载参数R=1Q，L=1e-3H，C=inf；直流电压源参数U=135V。2.用 subplot 作图：在仿真出结果后，先在Scope模块中对Variable name进行变量命名，例如命名为a。然 后在中MATLAB主窗口中分别输入以下语句：clc；subplot(4,1,1);plot(a.time,a.signals(1).values);title(脉冲触发器 1 的输出波形')； xlabel('t/s');ylabel('iu/A');gridsubplot(4,1,2);plot(a.time,a.signals(2).values);title('U 相输出电流波形,); xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,3);plot(a.time,a.signals(3).values);title('Uuv 线电压输出波形'); xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,4);plot(a.time,a.signals(4).values);title('Uvw 线电压输出波形'); xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,1);plot(a.time,a.signals(5).values);title(' Uwu 线电压输出波形'); xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,2);plot(a.time,a.signals(6).values);title(负 载两端电压输出波形'); xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,3);plot(a.time,a.signals(7).values);title('Unn '两端电压输出波形');xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,4);plot(a.time,a.signals(8).values);title('晶闸管 VT5 两端电压输出波形');xlabel('t/s');ylabel('u/V');gridsubplot(4,1,1);plot(b.time,b.signals(1).values);title(直流侧两端电流输出波形');xlabel('t/s');ylabel('I/A');grid这样，即可得到所需波形。3. 仿真波形：a=0且带阻感负载时：.秋冲触发器1波形由以上步骤可得最终图形为：1f 0.S0a o cos o.oi o.ai5a.020.0250 o? 0.0350 04t/sna 0 0050 010 0150.020 0250 030 0350 04t/su相输出电流液形一 2000 -200Uuv线电压输出S应形： c -:rI1|IInl -_IlLi Ji_Uiiii 1-500 1L：1JiL1a o cos o.oi o.aisa.020 0250030.0350 04t/sUvw线电压输出汲形U wu线电压源出 '波形0.0050 010.0150.020 0250.0J0.0360.04t/s负载两端电压输出波形o O O 5-0.0050 010.016Q.020.0250 030.0350 04t/sUnn两端电压输出汲形o o O o O 2.-20.0050.010.0160 020.0250.0J0.0350.04t/s晶闸管"5两端电压输出汲形>.no O50O OO 50.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04t/sa=0且带阻性负载时:豚冲触定器1波形1| 0.S000.0050 010.0150.020.0250 030.0350.04t/sU相输出电流波形.200M 0'-200500-50000.0050 010.0160 020.0250 030.00 04t/sUw线电压输出波形*00.0050 010.0150 020.0250 0300爻0 04t/sUwv线电压输出波形 5001 Q-50000 00E0.010.0160 020 0250.030.0350 04t/sUwu线电压愉出波形11 1 r11h_L 一七 :1111 11一r100.00S0.010.01S0.020 0250 030.0350.04t/s负载两端电压输出汲形200-20Q1:i1i'100.005-0.010 01S0.020.0250.030.0350.04t/sLJnn两端电压输出100 1111-100 111100.0050.010.015-0 020 0250 030.0350.04Us_晶闸管VT5两端电压输出汲形500iiiiiiiIII.一.IIIJIII1IIII1<0:_:L.'一I；3IIIiiiiIIIiiii-500 I111111100 0050.010 015-0.020.0250 030 0350 04t/s直.流侧电流输出波形 180 IIIM wo孑孑.3-140 1110 0050.010.&160.020.0250.030.0350.04t/s(2) a=30时且带阻感负载时：脉冲触发器1、波形1!I!II_I昌。j-f !1一十一af|Iiii 4i00-0050.010 0150.020.0250.030 0350 04Usu相输出电流波形t/sUw线电压输出波形、5UQQIiII :III< a :is11I:-eoodI111111100.0060.010.0150.020.0250.03-0 0350 04t/sUe践电压输出波形500IiIIiiiIIIIIK_iiIii< a -；-：1 -rnIIII-500 111110 o.aos 0.010.0150 020.0250.030.0350.04t/sU wu线电压情出 '波形5000 1111111IIIIIII=52=5IIIIIII0 :i卜|1i!IIIIIII-6000 111111100 0060 010.0160.020.0260 0J 0.0350.04Us负载两端电压输出波形；1000 I11111110 *卜:.卜.* -10001111LJ11100 0050 01&.0150 02 C 0250 030.0350 04t7sUnn两端电压输出波开*、2000|111n-111<0 41H1-2000111111100 0050 010.0150.020.0250 030.0350.04Ms500晶闸管时5两端电压输出波形1 11 1-500(1 111 111 1111 1)0 0060 010.0150 020 0250 030.0350 04tfsX 1O5直流倾I电'疏输出浪形2!芝 1!J=.也土 !_JL:二 I>I, IIIII1IIIQ II< II III00 )05 J 010 O1S 0 02 0250 031 J350 04t/sa=30时且带阻性负载时：脉冲触发器1沮形1IIIIIIIIIIIIIIIIIII迭 0.5:1r:1:_ _IIIII0IIIIIII00.0050.010.0160020.0250.030.0360.04t/s=5EU相输出电蒲 '波形t/sUvw线电压输出波形rnriUsU u谑戋电压输出汲形0-500J,iIi j- I1J1.:；!iI111Illi1 l "110 0050.010 0150.020.0250.030 0350 04=5-T7-rIITInI1 _ _ jI.、 Ij1l _ _ J>kJIIIII I-20011 一I11一I1 0 O.OOfi 0.010 0150.020.0250.030.0350 04.600M 0-.60000.0060.010.0150.020.0250.030.0350.04U响u线电压输出®形t/s负载两端电压输出波形200 1-200 11' 1 100.0060.010.0150.020.02S0.030.0350.04t/sUnn两端电压输出湛形I _ .1! !1LL1r111111 - 1 -100.0060.010.0150.020.0250.030.0350.04t/s1000000.0050 010 0150 020.0250 030 0350 04t/s-1000(3) a=90时且带阻感负载时：脉冲触发器1波形§ 4T卜卜-二二"一卜一卜T0 IliiIhiI.00.0050.010 0150.020.0250 030 0350 04t/sUw线电压输出波形500IIIr-500 11111100.0050.010 01S0.020.0250.030 0350.04UsUm线电压愉出波形50QiiiIIiiII|III|IIIIIInIIIIIIIU 111111IIIIIII1 III 1 II-500 111111100.0050.010.0150 C2 0.0250.030 0350.04Uwu线电压辐出'渡形500-500J_.L00 0050.010 0150.020 025-0.03t/s负载两端电压输出湛形0 03S0 042000-20000 0050.0350.010 0150.020.0250.03UsUnn两端电压输出'波形0 04500-500 0050.03£0 010 0150.020 025C.03t/s 灌闸管ms两端电压输出波形.0 040 0050 010.0150 020 0260 03t/s直会侧电演谕出渡形0.03S0.04200M 1000 00.0050 一 0350 010.0150.020.0250.03t/s0.04a=90时且带阻性负载时:0 010.035脉冲触发器1波形0 0160 020 0260.03t/sU相输出电 '流渡形0.0060.04=5200 Q -200 0 0050 010 0350 0150.020.025。一03t/s Uw线电压输出®形0 046OO or oo -5o OO600 01&0 020 0250.03t/sUvw线电压输出 '波形0 0350 04-S00 0 0050 0100 020.&25C.030.0350.04500-5000 00500.035U wu线电压偷出®形0.0150 020.0250 03t/s 负载两.端电压输出避形：0.01a 04-2Q00.0350 0150 020 0250.03t/sUnn两端电压输出浪形0.01o OO20 005a. 041000-1000.0350.0150 020.0250 03t/s晶闸管VTS两端电压输出波形a.oi0 005a 04云=50.0350 0160.020.0260.03t/saa. 04直流侧电流输出'波形180 | I 1i-III1 &O4、III140 I1110.0050 010 0150.020.0250.030.0350 04tJs五、实验结果及分析：在上述180度导电方式逆变器中，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引 起直流侧电源的短路，要采取先断后通的方法，即先给应关段的器件关断信号，待其关断后 留一定的时间欲量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即两者间留一个短暂的死区时间。对于U相输出来说，当桥臂1导通时，Uun=Ud/2，当桥臂4导通时，Uun=-Ud/2。因 此，Uun的波形是幅值为Ud/2的矩形波。V、W两相的情况和U相相似，Uvn、Uwn的波 形形状和'Uun相同，只是相位依次相差120°。对于线电压来说，例如Uuv，则可由Uuv= Uun-Uun得到。Uvw 和 Uwu 同理。通过上面的实验结果可得当触发角a不同时，逆变电路的输出波形会受到很大的影响， 而当逆变电路的负载类型发生变化时，逆变电路的输出波形也会受到一定的影响。所以说， 由三项电压型逆变电路得来的交流输出量由触发角a和负载类型共同决定。六、结论及拓展：通过仿真和分析，可知三相桥式逆变电路的输出电压受控制角a和负载特性的影响， 文中应用MATLAB的可视化仿真工具Simulink对单相全控桥有源逆变电路的仿真结果进行了 详细分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步 验证了仿真结果的正确性。采用MATLAB/Simulink对三相桥式逆变电路进行仿真分析，避免 了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。 应用MATLAB/Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察 到仿真结果随参数的变化情况。同时，在我们的日常生活中逆变电路的应用相当普及，在已有的各种电源中，蓄电池、 干电池，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，就需要逆变电路。 另外例如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使用非常广泛， 其电路的核心部分都是逆变电路，因此，研究逆变电路对我们的实际生活有着广泛的影响。七、设计心得：通过本次课程设计的练习，我对计算机仿真有一点的理解与应用，同时，我也能够更加 熟练地使用MATLAB的可视化仿真工具Simulink这款软件。特别是在此过程中，常运用到许 多Simulink工具模块，使我对MATLAB仿真有了更加深刻的理解，同时，使我对以前的学习 加深了理解与应用，特别是此次通过对三项电压型桥式逆变电路的仿真，我重新学习了上个 学期我未明白的知识点，并为我在将来的学习生活中能更好的自我学习奠定了一定的基础， 通过本课程的学习，同时还学到了独立思考的能力，提高了自我动手能力，让我受益颇深。八、参考文献：1王兆安，刘进军电力电子技术.机械工业出版社200 9，33(10)：1349 - 1 3 5 8.2张晓华.控制系统数字仿真与CAD.机械工业出版社.2009.12