电力电子装置课程教学设计.doc

/. 目录 摘要....................................................................................................................1 第一章 概述及设计要求 2 1.1 概述 2 1.2 设计要求 3 第二章 单相逆变电源的Matlab仿真 4 2.1 MATLAB的简称 4 2.2 Simulink的简介...............................................................................4 2.3升压环节的建模及仿真 5 2.4 制作并生成SPWM波形 7 2.5 逆变环节的建模及仿真 9 2.6 独立逆变系统总电路的仿真 11 第三章 总结及体会 13 3.1 总结 13 3.1.1 设计中的主要成果如下 13 3.1.2 设计中遇到的主要问题如下 13 3.2 体会 13 参考文献 14 摘要 本系统采用“直流升压斩波电路+全桥逆变”的逆变电源设计方案。在方案选定的基础上，对构成独立逆变系统的升压环节和逆变环节以及PWM装置进行分析，确定其电路原理图以及工作方式，并实现直流升压斩波电路和全桥逆变电路的PWM控制。在设计中，采用PI控制算法计算控制调制幅度值，控制调节开关管的导通和关断时间发生变化，使输出电压稳定在220V。然后在Matlab中对独立逆变系统进行仿真、分析。 关 键 词：直流升压 全桥逆变 Matlab仿真 第一章 概述及设计要求 1.1 概述 逆变电源是一种采用电力电子技术、控制技术进行电能转换的电力装置，它可将输入的12V或24V等直流电转换成220V/50Hz交流电或其它类型的交流电，它输出的交流电可用于各类设备，最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。 目前世界各国电源标准并不统一，各种新兴的能源形式也不断出现，逆变电源有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，在太阳能及风能发电领域，逆变电源有着不可替代的作用。有了逆变电源，就可利用直流电(蓄电池、开关电源、燃料电池等)转换成交流电为电器提供稳定可靠得用电保障，如笔记本电脑、手机、手持PC、数码相机以及各类仪器等、小型逆变电源还可利用汽车、轮船、便携供电设备，在野外提供交流电源。逆变电源的研制将带来可观的经济效益和社会效益。 逆变技术的原理早在1931年就有人研究过。从1948年美国西屋电气公司研制出第一台3kHZ感应加热逆变器至今已有近60年历史了，而晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了20世纪70年代，可关断晶闸管(GTO)、电力晶闸管(BJT)的问世使得逆变技术得到发展应用。到了20世纪80年代，功率场效应管(MOSFET)绝缘栅极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化、大容量化创造了条件。进入20世纪80年代后，逆变技术开始从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件、提高开关频率的方向发展，使逆变器体积进一步减小，效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。 近年来，现代逆变技术主要朝着高频化、模块化、数字化、绿色化以及并机技术的趋势发展。而目前我国国内的逆变电源按变换方式主要采用工频变换。工频变换逆变电源是先产生50HZ交流信号，然后利用工频升压器产生220V交流电。这种逆变器结构简单，工作可靠，但这种逆变器体积大、笨重、噪音大、价格高、效率方面也有待进一步提高。高频变换逆变电源是通过高频DC-DC变换技术，先将低压直流变为高频低压直流，经过高频变压器升压后再整流成高压直流，对其再进行正弦变换，即可得到220V/ 50Hz 正弦波交流电。虽然这种逆变器控制环节较多，电路复杂，但是因为采用了高频变换，因而体积小、重量轻、噪音小、效率高，是目前可再生能源发电系统中首选产品。 1.2 设计要求 通过给定输入的48V直流电转化为能带动额定负载的交流电输出，并以此为基础利用Matlab对单相逆变电源的仿真。 1、输出220V单相交流电。 2、建立单相逆变器Matlab仿真模型。 3、进行仿真实验，得到单相交流电波形。 第二章 单相逆变电源的Matlab仿真 为了验证设计好的独立逆变系统是否符合设计的技术要求，这就要求对设计好的系统进行检测、分析、比较，若是做出实物后再进行检测，则相对比较麻烦，而在MATLAB软件中，只要将设计好的电路进行模拟后却完全可以实现仿真，这样不仅相对容易，而且也快捷、方便、直观明了。 2.1 MATLAB的简称 MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 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。它可以进行矩阵运算、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、信号处理与通信、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MATLAB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++ 和JAVA的支持。用户可以直接调用，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。 2.2 Simulink的简介 Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供了一个动态建模、仿真和综合分析的集成环境，在该环境中，无需大量书写程序，只需要通过简单直观的鼠标操作，便可以构造出复杂的系统。Simulink具有适用性广、结构和流程清晰、仿真精细、贴近实际、效率高和灵活等特点，并且已广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真及设计中。此外，大量的第三方软件和硬件可以应用于或者被要求应用于Simulink系统。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间来进行建模，为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建动态过程只需要单击和拖动鼠标操作就可以完成，而且用户可以立即看到系统的仿真结果，所以，它为用户提供了一种更加快捷、直观明了的方式。 此外，Simulink还具有丰富的可扩充的预定义模块库、交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图，并以设计功能的层次来分割模块，来实现对复杂设计的管理。 2.3升压环节的建模及仿真 根据独立逆变系统的总体结构，可以将其分为PWM升压电路和单相全桥逆变电路，下面分别对其进行仿真建模。 直流升压电路的工作原理在第二章已经介绍过，其原理图如图2-1所示， 图2-1 直流升压斩波电路 在该电路中，开关器件用IGBT，控制IGBT的信号波形由PWM脉冲生成器Pulse Generator产生，其他的电源、电感、电容、电阻以及二极管分别对应于Simulink中的DC、L、C、R以及Diode。为了方便观察仿真输出，所以应在输出端另外加上一个电压检测装置Voltage Measurement，并且将其输出值送入示波器Scope中。以上各种器件都可以在SimpowerSystems的下拉菜单Electrical Sources中找到，如图2-2所示。当把上面所用到的器件都找齐之后，就可以按照直流升压斩波电路连接电路，便可以得到如图2-3所示的仿真模拟图。 图2-2 升压电路中使用的各个器件 图2-3 直流升压斩波电路的仿真模拟图 建立好模拟仿真图后，根据设计要求以及参考资料，一边运行一边调试图中各器件的参数，直到符合要求为止。经调试后，电路的输出波形如图2-4所示，其中各个器件参数设置为：直流电源为DC=24V，开关器件IGBT和二极管Diode使用默认参数，电阻R=50，电感L=1e-3 H，电容C=50e-6 F，在脉冲生成器PWM的设置中，周期Period为0.0001，占空比为89.5%，并且在示波器中，将Data history中limit data points to last前面复选框中的“√”去掉，以方便观察波形。 下面就简单的分析电感、电容、电阻单独变化时对仿真波形的影响： (1)电感L取值越大，则曲线反应速度越慢，超调越小；反之，L越小，曲线响应速度越快，但是超调则越大。 (2)电容C取值越大，纹波越小，超调越大且调整时间越长；反之，C越小，纹波越大，超调越小或者无超调，曲线比较平滑，而且调整时间也越小。 (3)电阻R取值越大，则纹波越小，超调越大，系统越不稳定；反之，R越小，纹波越大，超调越小或无超调，系统越稳定。 图2-4 升压电路的电压输出仿真波形 2.4 制作并生成SPWM波形 因为在全桥逆变电路中，由SPWM波信号来控制全桥中的IGBT管，所以在对逆变环节进行仿真之前，应该首先制作出SPWM波形，而由第三章我们又可以知道SPWM波是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定的，根据这个原则，可以构建出电路模型如图2-5所示。 在图中调节各个器件的参数便可以得到各种不同的仿真波形，如：将正弦信号生成器Sine Wave中的幅值Amplitude设置为2，把频率Frequency也设置为2；将三角波生成器Repeating Sequence中的Time values设为[0 0.25]，把Output values设置为[-4 4]；将比较器Switch中的Criteria for passing first input设置为u2>Threshold。调节好参数后，运行程序，便可以得到如图2-6所示的波形，其中每一屏所对应的波形分别为：正弦波、SPWM波以及三角波，且由图中可以看出SPWM波形为双极性波形。 图2-5 制作SPWM波的电路模拟图 图2-6 正弦波、SPWM波及三角波的仿真图 2.5 逆变环节的建模及仿真 在制作出SPWM波以后，便可以开始对逆变电路进行建模，而全桥逆变电路的工作方式在第二章已经介绍，其电路原理图如图2-7所示。 图2-7 全桥逆变电路 在simulink中，该电路的全桥部分可以用一个通用桥来表示，也可以由4个IGBT和4个二极管Diode组成。为使仿真电路比较形象，最后采取4个IGBT和4个二极管Diode组成全桥电路，在找到所用器件之后，按照该电路构建模型，因为电路中全桥部分的4个IGBT中和为一对，和为一对，所以电路就需要两个控制信号来控制这4个IGBT的断通，为方便仿真，暂时用两个脉冲发生器Pulse Generator生成的波形来作为控制信号。同时，为了方便观察电路的工作情况，在测量电路输出电压的同时，另外还测量流经电源的总电流以及流经负载R-L的输出电流，并同时送到示波器中输出观察其波形，这样便得到如图2-8所示的全桥逆变电路的仿真模型。 建立好模型之后，便开始调节图中各器件的参数，经过反复调整之后，最终确定的参数为：直流电压DC=220V；脉冲发生器Pulse Generator1的幅值Amplitude为1，周期Period为0.02，占空比为50%；脉冲发生器Pulse Generator2的幅值、周期、占空比均与Pulse Generator1相同，但是相位延迟Phase delay为0.01；负载R=10、L=0.02；其余的各个IGBT以及二极管Diode均取默认值。调整好参数后，运行仿真并得到如图2-9所示的仿真波形，其中示波器中每一屏的波形分别为电源电流、输出电流以及输出电压。 图2-8 全桥逆变电路仿真模型 图2-9 电源电流、输出电流、输出电压的仿真波形 2.6 独立逆变系统总电路的仿真 将升压环节以及逆变环节连接后便可以得到如图2-10所示的系统总电路的仿真模型，由该图可以看出，48V的直流电压经过直流斩波升压电路后得到220V的直流电压，然后再将经升压后所得到的电压通过全桥逆变电路将其逆变成为220V的交流电压。对其进行仿真后可以得到如图4-9所示的各种输出波形，其中图中至上而下的波形分别为电源电流、输出电流以及输出电压。并且可以有波形图中看出，电压在0.01s后进入正常周期，并且周期T=0.02s；而对比电源电流以及输出电流之后可以得出，电源电流的周期仅为输出电流的一半，即电源电流的频率为输出电流的一倍：。 图2-10 系统总电路的仿真模型 图2-11系统电源电流、输出电流、输出电压的仿真波形 本章最主要的工作就是针对电路进行仿真，并观察波形，所以在仿真之前对电路进行构建仿真模型的工作是至关重要的，因为只有模型建立正确最终才能得到预期的输出，故在Simulink中挑选器件时必须非常仔细，以免因挑选错器件而造成仿真失败。在构建好电路模型后，还要对电路中的各个参数进行调整，这期间既可以对其进行数学理论计算得到参数值也可以依据经验边仿真边调整参数，由于本设计涉及到需要调整的参数并不多，所以在设计时，就采用了边仿真边调整参数的方法来确定各元件参数。 第三章 总结及体会 3.1 总结 本文首先从世界能源形势和逆变技术发展历程以及发展趋势入手，简单介绍了独立逆变系统的基本原理和系统组成、逆变电源技术和PWM控制技术。分析了三种独立逆变系统结构的工作方式及其优劣，并重点研究了逆变电源中升压环节和逆变环节的主电路及 PWM控制方法。最后通过在Simulink中构建电路模型，仿真验证本文采用的设计方法的可实现性。 3.1.1 设计中的主要成果如下： (1)、对PWM控制技术进行了简单的分析，并且在Simulink中制作生成双极性SPWM波。 (2)、实现各环节主电路的PWM控制。 (3)、在Simulink中完成对独立逆变系统模型的构建并且仿真出波形。 3.1.2 设计中遇到的主要问题如下： 由于时间以及本人水平能力问题，设计中还有一些问题没有得到很好的解决，主要有： (1)、设计中没有实现系统的PI反馈调节。 (2)、逆变电源最终的输出不是稳定的正弦信号。 3.2 体会 经过这次设计，让我深深体会到理论联系实际的重要行，平时就要扎扎实实的学号基本功，只有学号理论知识，在实际使用的时候，都会变的更方便，带给我收获的同时也让我意思到理论知识及动手操作的不足，所以在以后的学习生 活中，我会更努力的加强理论知识与实践的学习，使自己的能力不断增长，不断提升自己。 参考文献 [1]王兆安, 黄俊.电力电子技术.机械工业出版社（第四版），2004 [2]路秋生. 功率因数校正技术与应用.机械工业出版社，2006.2 [3]都忠兴.正弦波逆变电源的数字控制技术[D].南昌大学硕士学位论文，2006. 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