1、電力電子電路的計算機仿真電力電子電路的計算機仿真 綜合訓練報告綜合訓練報告 班級 姓名 學號 專業 指導教師 2012 年 12 月 20 日 1任務書 1、題目名稱：方波逆變電路的計算機仿真2、設計部分：1設計一單相橋式方波逆變電路，開關器件選用IGBT，直流電壓為300V，電阻負載，電阻1歐姆，電感2毫亨。根據上述要求完成主電路設計。2設計一三相橋式方波逆變電路，開關器件選用IGBT，直流電壓為530V，電阻負載，負載有功功率1KW，感性無功功率0.1KVar。根據上述要求完成主電路設計。三、仿真部分：A. 完成上述單相橋式方波逆變電路的計算機仿真，觀察輸出電壓波形。系統輸入電流波形，電壓

2、電流波形的諧波情況、不同仿真條件時系統輸入輸出的變化情況和理論分析的結果進行比較。B. 完成上述三相橋式方波逆變電路的計算機仿真，觀察輸出電壓波形。系統輸入電流波形，電壓電流波形的諧波情況、不同仿真條件時系統輸入輸出的變化情況和理論分析的結果進行比較。 2 摘 要 本此電力電子課程設計我組的設計題目是 方波逆變電路的計算機仿真，開關器件選用 IGBT。此次的課設題目是通過 MATLAB 來完成的，主要包括數據結構、數值運算、程序設計及繪圖等。通過使用Simpowersystems 模型庫進行電力電子電路的仿真分析。完成上述橋式方波逆變電路的設計，并進行計算機仿真，觀察輸出電壓波形、系統輸入電流

3、波形、電壓電流波形的諧波情況、不同仿真條件時系統輸入輸出的變化情況和理論分析的結果進行比較。逆變電路廣泛應用于交流電機的變頻調速、感應加熱電源、高壓直流輸電、不間斷供電電源（ UPS）、柔性交流輸電（ FACTS）、航空電源等裝置中。且目前的絕大多數逆變電路都采用全控型電力電子器件作為開關器件這也是逆變電路發展的方向。關鍵詞：方波逆變電路、 IGBT 開關器件、MATLAB、計算機仿真 3 目 錄：第 1 章 仿真軟件簡介4第 2 章 主電路圖工作原理說明5 3.1 電力電子器件5 3.2 逆變電路6 3.3 逆變電路的基本工作原理6 3.4 電壓型逆變電路6第 3 章 方波逆變電路的計算機仿

4、真模型的建立124.1 單項橋式方波逆變電路仿真124.2 三相橋式方波逆變電路仿真16第 4 章 參考文獻23第五章 體會24 4 第一章 仿真軟件簡介一.MATLABMATLAB 是一種適用于工程應用各領域分析設計與復雜計算的科學計算軟件，由美國 MathWorks 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 語言運用于系統仿真和實時運行等方面，取得了很多成績，更擴大了它的應用前景。MATLAB 已成為美國和其他發達國家大學教學和科學研究中最常用而且必不可少的工具。

5、MATLAB 時“矩陣實驗室” （Matrix Laboratory）的縮寫，它是一種以矩陣運算為基礎的交互式程序語言，著重針對科學計算、工程計算和繪圖的需求。在 MATLAB 中，每個變量代表一個矩陣，可以有 n*m 個元素，每個元素都被看做復數，所有的運算都對矩陣和復數有效，輸入算式立即可得結果，無需編譯。 MATLAB 主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。MATLAB 和Mathematica、Maple 并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB 可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等

6、，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。 MATLAB 的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C，FORTRAN 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等軟件的優點,使 MATLAB 成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對 C，FORTRAN，C+ ，JAVA 的支持。可以直接調用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到 MATLAB 函數庫中方便自己以后調用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直

7、接進行下載就可以用。5第二章 主電路圖工作原理說明2.1 電力電子器件 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是復合型半導體電力電子開關器件，其輸入控制部分為 MOSFET，輸出級為雙極性三級晶體管，因此兼有 MOSFET和電力晶體管的優點：高輸入阻抗，電壓驅動控制、驅動功率小，開關速度快、工作效率可達 10-40kHZ（比電力晶體管高） ，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、電流等級的電力電子設備。 IGBT 有三個電極：柵極 G、發射極 E 和集電極 C。輸入部分是一個 MOSFET管，輸出部分是一個 PNP 三極管 V1，

8、此外還有一個內部寄生的三極管 V2（NPN管）在 NPN 晶體管 V2 的基極與發射極之間有一個體區電阻 Rbr。 C C G G E E MOSFET 由于實現一個較高的擊穿電壓 BVDSS 需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率 MOSFET 具有 RDS(on)數值高的特征，IGBT 消除了現有功率 MOSFET 的這些主要缺點。雖然最新一代功率 MOSFET 器件大幅度改進了 RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比 IGBT 高出很多。IGBT 較低的壓降，轉換成一個低 VCE(sat)的能力，以及 IGBT 的結構，與同一個標準雙極器件相比，可

9、支持更高電流密度，并簡化 IGBT 驅動器的原理圖。 6當柵極 G 與發射極 E 之間外加電壓 Uge=0 時，MOSFET 管內無導電溝道，其調制電阻 Rdr。可視為無限大，Ic=0，MOSFET 處于斷態。在柵極 G 和發射極 E 之間外加控制電壓 Uge，使 MOSFET 管導電溝道變寬，相當于使調制電阻 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 Uge足夠大時，V1 飽和導通，則 IGBT 進入通態。一旦撤除 Uge，即 Uge=0，則 MOSFET 從通態轉入斷態，V1 截止，IGBT 從通態轉入斷態。2.2 逆變電路逆變電路是電力

10、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。當交流側接交流電路時，稱為有源逆變電路；當直流電變換為交流電后直接向非電源負載供電時，稱為無源逆變電路。2.2.1 逆變電路的分類按主電路結構的不同和輸出相數分為單相和三相逆變電路。按逆變電路直流側電源性質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，形成平穩的直流電流。按輸出交流電壓的性質分為恒頻恒壓正弦波逆變電路、方波逆變電路、變頻變壓逆變電路和高頻脈沖電壓逆變電路。按主電路中所用的開關器件的換流方式分為硬開關逆變電路、負載換流逆變電

11、路和準諧振逆變電路。2.2.2 逆變電路中器件的換流方式 器件換流：利用全控型器件的自關斷能力進行換流的方式稱為器件換流。 電網換流：由電網提供換流電壓的稱為電網換流。 負載換流：由負載提供換流電壓的稱為負載換流。 強迫換流：用附加電容上所存儲的能量來實現的稱為強迫換流。2.3 電壓型逆變電路7逆變電路按直流電源性質分為兩種：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 3-3 電路的具體實現。圖 3-3 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：(1) 直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動。(2) 輸出電壓為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而

12、交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。(3) 阻感負載時需提供無功。直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯反饋二極管（1）單相電壓型逆變電路1、半橋逆變電路8電路結構：見圖 3-4工作原理：V1和 V2柵極信號各半周正偏、半周反偏，互補。uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2，io波形隨負載而異，感性負載時，圖 5-6b，V1或 V2通時，io和 uo同方向，直流側向負載提供能量，VD1或 VD2通時，io和 uo反向，電感中貯能向直流側反饋，VD1、VD2稱為反饋二極管，還使 io連續，又稱續流二極管.圖 3-4 單相半橋電壓型逆變電

13、路及其工作波形優點：簡單，使用器件少缺點：交流電壓幅值 Ud/2，直流側需兩電容器串聯，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半橋逆變電路的組合。2、全橋逆變電路電路結構及工作情況：圖 3-3，兩個半橋電路的組合。1 和 4 一對，2 和 3 另一對，成對橋臂同時導通，交替各導通 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，單相逆變電路中應用最多的。輸出電壓定量分析uo成傅里葉級數 9基波幅值 基波有效值 uo為正負各 180 時，要改變輸出電壓有效值只能改變 U

14、d來實現。移相調壓方式（圖 3-5）。可采用移相方式調節逆變電路的輸出電壓，稱為移相調壓。各柵極信號為180 正偏，180 反偏，且 V1和 V2互補，V3和 V4互補關系不變。V3的基極信號只比 V1落后 q ( 0q 180)，V3、V4的柵極信號分別比 V2、V1的前移 180-q，uo成為正負各為 q 的脈沖，改變 q 即可調節輸出電壓有效值。圖 3-5 單相全橋逆變電路的移相調壓方式（2）三相電壓型逆變電路三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。應用最廣的是三相橋式逆變電路可看成由三個半橋逆變電路組成。180導電方式：每橋臂導電 180，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差

15、 120，任一瞬間有三個橋臂同時導通，每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。10圖 3-6 三相電壓型橋式逆變電路當三相逆變器按 120 導通方式工作時，其輸出電壓波形如圖 3-7 所示，與前面相反，這里相電壓為矩形波，而線電壓為六階梯波。 對 180導通方式和 120導通方式進行比較可知：在 120方式中，上下兩管之間有 60的間隙，對換流的安全有利，但是管子的利用率較低，并且若電機采用星形接法，則始終有一相繞組斷開，在換流時會引起較高的感應電勢，應采取過電壓保護措施。而 180導通方式無論電動機在三角形還是星形接法時，正常工作都不會產生過電壓，因此對于電壓型逆變器，180導

16、通方式應用較為普遍。 感性負載電流波形：當逆變器負載為感性時，必須有續流二極管，如圖 1-5 中的 D1D6所示。此時負載電流的波形可以根據電壓波形的階躍變化，由相應升降的指數曲線定性地繪出，A 相負載電流波形如圖 3-10（b）所示，圖中陰影部分為續流二極管中的電流。只有當續流二極管電流降為零時，A 相的負載電流才開始經 T4形成反向電流。同理 B 相和 C 相電流比 A 相電流分別滯后 120和 240。 如果負載電流滯后角超過 60，電流波形如圖 3-11 所示，圖的上方為各晶閘管的觸發情況，圖中電流曲線旁注明的是各管的實際導通情況。由圖可見，在直流環節電壓極性不變的電壓型逆變器中，在感

17、性負載下續流二極管是必不可少的，它既能提供感性負載電流的通路，避免過電壓的出現，又可減小輸入電流，改善逆變器的效率。 11通過上面的論述可見，感性負載下逆變器中可能有三種電流： （1）功率電流它通過兩個或三個逆變管，將能量從直流電源送到負載。 （2）環路電流它在逆變器內部經過一個逆變管和一個反饋二極管，形成環流，但此環流不經過電源。（3）反饋電流它通過兩個反饋二極管將負載的能量反饋到直流電源中去。 因此在設計逆變器時，考慮到功率因數很低的情況下仍能使逆變器正常工作，逆變管的觸發脈沖寬度應該大于 90，通常取 120的寬脈沖。 第三章 方波逆變電路的計算機仿真模型的建立3.1 單項橋式方波逆變電

18、路仿真設計要求：設計一單項橋式方波逆變電路，開關器件選用 IGBT，直流電壓為 300V，電阻負載，電阻一歐姆，電感 2mh。設計上述要求完成主電路設計。1 單項橋式方波逆變電路12 圖 4-1參數設定： 圖 4-2 13圖 4-3當負載為阻感性負載時： 圖 4-43 單項橋式方波逆變電路仿真圖形14 電壓電流波形： 圖 4-5 電壓電流波形 波形分析：當負載為純阻性負載時，電壓電流波形一樣，為方波. 圖 4-7 電流電壓波形 波形分析：當負載為阻感性負載時，由于電感有儲能作用，所以電流的波形不是方波，形似正弦波。153.2 三相橋式方波逆變電路仿真設計要求：設計一三相橋式方波逆變電路，開關器

19、件選用 IGBT，直流電壓為 530V，電阻負載，負載有功功率 1KW，感性無功功率 0.1Kvar。根據上述要求完成主電路設計。1 三相橋式方波逆變電路圖 4-92 參數設定： 16圖 4-11 負載為阻感性負載：感性無功功率為 100var:17 圖 4-12感性無功功率為 1000war： 圖 4-13182 三相橋式方波逆變電路仿真圖形 當感性無功功率為 100var 時負載時，電壓電流波形：圖 4-13 電壓電流波形： 波形分析：波形分析：相電壓 Ua、Ub、Uc 波行為矩形波，電流波行為正弦波。當感性無功功率為 1000var 時，電壓電流波形為：19 圖 4-15 電壓電流波形 波形分析：當感性無