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1、编号编号 毕毕 业业 论论 文文 20XX20XX 届本科 届本科 题题 目 目 逆变电路的仿真实验逆变电路的仿真实验 学学 院 院 物理与机电工程学院物理与机电工程学院 专专 业 业 物物 理理 学学 作者姓名 作者姓名 指导教师 指导教师 职称 职称 讲讲 师师 完成日期 完成日期 20XX20XX 年年 X X 月月 X X 日日 二 XX 年 X X 月 2 逆变电路的仿真实验逆变电路的仿真实验 摘摘 要要 逆变电路就是将直流电能变换为交流电能的变换电路 本文通过逆变器变换电路的 工作原理 利用电力电子器件 可关断的晶闸管和绝缘栅双极晶体管 以 MATLAB 和 Simulink 为基
2、础 完成逆变器变换电路的建模及仿真和输出波形分析 其中包括对单相电压型逆变电路 三相电压型逆变电路 单相电流型逆变电路和三相电流型逆变电路的建模 仿真并对其各个电路 的输入和输出仿真波形进行分析 最后得出各种逆变电路的优点与缺点 并以此为基础掌握 MATLAB Simulink 对一个动态系统进行建模 仿真和分析的基本方法 关键词关键词 逆变 电压型 电流型 晶闸管 Abstract Inverter circuit is the DC power into AC power converter circuit This article by Inverter circuit works us
3、e of power electronic devices you can turn off thyristors and insulated gate bipolar transistor based on MATLAB and Simulink complete Inverter circuit modeling and simulation and analysis of output waveforms Single phase voltage type Inverter circuit including three phase voltage inverter single pha
4、se and three phase current source Inverter circuit current source Inverter circuit modeling and simulation and its circuit simulation of input and output waveforms for analysis Finally arrived at a variety of advantages and disadvantages of the Inverter circuit And master MATLAB Simulink on the basi
5、s of a dynamic system modeling simulation and analysis of the basic method Keywords inverters voltage current type Thyristors 3 0 引言引言 电力电子技术实际上就是电能的变换与控制技术 将交流电能变换为固定的或可 调的直流电能称为整流 将直流电能转换为可调的直流电能称为直流斩波 DC Chopping 或直流 直流变换 DC DC Converting 将交流电能直接变换为可调 幅值或 频率 的交流电能称为交流 交流变换 AC AC Converting 或周波变换
6、Cycloconverting 而目前应用十分广泛的工业变频器中还包括一种变换称为逆变 逆变电路的应用非常广泛 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 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 它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输 出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源 将直流电能变换为交流电能的变换电路 可用于构成各种交流电源 在工业中得 到广泛应用 生产中最常见的交流电源是由发电厂供电的公共电网 中国采用线电压 方均根值为 3
7、80V 频率为 50Hz 供电制 由公共电网向交流负载供电是最普通的供 电方式 但随着生产的发展 相当多的用电设备对电源质量和参数有特殊要求 以至 难于由公共电网直接供电 为了满足这些要求 历史上曾经有过电动机 发电机组和 离子器件逆变电路 但由于它们的技术经济指 标均不如用电力电子器件 如晶闸管等 组成的逆变电路 因而已经或正在被后 者所取代 1 逆变技术的意义与发展逆变技术的意义与发展 1 1 研究逆变技术的意义研究逆变技术的意义 逆变 是对电能进行变换和控制的一种基本形式 逆变技术在风力发电系统中是 一个极其关键的技术 在小型风力发电系统中的使用日益广泛 它承担着将直流电调 制成稳压稳频
8、的交流电直接供给负载的任务 而现代逆变技术综合了现代电力电子器 件的应用 现代功率变换 模拟和数字电子技术 PWM 技术 频率及相位控制技术等 一门实用技术 已被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中 11 近年来 关于电力变换 电动机调速 不间断电源 逆变弧焊电源等各种系统都是逆 变技术的应用领域 对于从事电力电子技术研究的工作人员来说 全面掌握现代逆变 4 技术的系统知识就能容易的从事电力电子各方面的设计和研究工作 由于功率半导体 元件的进步 微机处理机的快速发展以及现代控制理论的应用 使得逆变技术在现代 工程领域中已经占有相当重要的地位 由于逆变领域的产品都是高频大功率的产
9、品 这些相关领域的研究 制作与测试 对实验室的实验设备来说是一种重大的考验 逆变电路是通用变频器核心部件之一 起着非常重要的作用 它的基本作用是在 控制电路的作用下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交 流电源 同时逆变电路也是 UPS 的重要组成部分 由于通常的电力能源例如发电机 电网和蓄电池等均属于电压源 在储能效率和 储能元件的体积 价格方面 VIS 中的储能元件电容器与 CSI 中的储能元件电感器相 比都具有明显的优势 随着超导技术的发展 电流型逆变器中的储能效率问题得到很 好地解决 但是电压型逆变器及其控制方法的研究工作一直是人们的研究重点 虽然 电流型逆变器相关
10、理论的研究相对较少应用也不如电压型逆变器应用广泛 但是电流 型逆变器在实际应用中也有其独特性 尤其适用于大功率变流系统已经有特殊需求的 应用领域 1 2 逆变电路的分类逆变电路的分类 为了满足不同用电设备对交流电源性能参数的不同要求 已发展了多种逆变电路 并大致可按以下方式分类 1 按输出电能的去向分 可分为有源逆变电路和无源逆变电路 前者输出的电能 返回公共交流电网 后者输出的电能直接输向用电设备 2 按直流电源性质可分为由电压型直流电源供电的电压型逆变电路 和由电流型 直流电源供电的电流型逆变电路 3 按主电路的器件分 可分为 由具有自关断能力的全控型器件组成的全控型逆 变电路 由无关断能
11、力的半控型器件 如普通晶闸管 组成的半控型逆变电路 半控 型逆变电路必须利用换流电压以关断退出导通的器件 若换流电压取自逆变负载端 称为负载换流式逆变电路 这种电路仅适用于容性负载 对于非容性负载 换流电压必 须由附设的专门换流电路产生 称自换流式逆变电路 4 按电流波形分 可分为正弦逆变电路和非正弦逆变电路 前者开关器件中的电 流为正弦波 其开关损耗较小 宜工作于较高频率 后者开关器件电流为非正弦波 因其开关损耗较大 故工作频率较正弦逆变电路低 5 按输出相数可分为单相逆变电路和多相逆变电路 5 2 逆变电路的工作原理简介逆变电路的工作原理简介 在电力电子技术中 把直流电能变换成交流电能的过
12、程则称之为逆变 通常把交 流电能变成直流电源的过程称为整流 它是逆变的逆过程 如果把该电路的交流侧接 到交流电源上 把直流电能经过直 交变换 逆变成与交流电源同频率的交流电返回到 电网中 称之为有源逆变 不接电网则称作无缘逆变 因此在逆变电路中 按照负载性 质的不同 逆变电路可以分为有源逆变和无缘逆变 以图 1 a 单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理 图中 S1 S4是桥式 电路的四个桥臂 它们由电力电子器件和他们的辅助电路组成 当开关 S2 S3闭合 开关 S1 S4断开时 负载电压 u0为负 负载电流和电压当开关 S1 S4闭合 开关 S2 S3断开的时候 负载电压 u0为正 其波
13、形如图 1 b 所示 这样把直流电变成 交流电 改变两组开关的切换频率 就可以改变输出交流电的频率 这就是逆变电路 的工作原理 图图 1 1 逆变电路原理图及其波形举例逆变电路原理图及其波形举例 当负载为电阻时 负载电流 i0和负载电压 u0的波形形状和相位均相同 当负载 为阻感时 负载电流 i0相位滞后于负载电压 u0 二者波形的形状也不同 图 1 b 给出的就是阻感负载时的 i0波形 设 t1时刻以前 S1 S4导通 u0和 i0均为正 在 t1 时刻断开 S1 S4 同时合上 S2 S3 则 u0的极性立刻变为负 但是其电流方向不能立 即改变只能维持原方向 因为负载中有电感 这时负载电流
14、从直流电源负极流出 经 负载和流回正极 负载电流逐渐减小 到时刻降为零 之后才反向并逐渐增大 于此 同时负载电感中储存的能量向直流电源反馈 开关 S2 S3断开 S1 S4闭合时的情况 类似 电流从一个支路向另一个支路转移的过程成为换流 换流也常称为换向相 换流 过程中 有的支路从通态转移到断态 有的支路从断态转移到通态 换流方式一般分 为器件换流 电网换流 负载换流等 强迫换流等 本文进行了单相方波逆变电路 三相方波逆变电路 单相SPWM逆变电路 三相 6 SPWM逆变电路的仿真 其中主要以单相SPWM逆变电路的仿真分析为例进行介绍 桥式 逆变电路按电路结构可分为全桥和半桥式逆变电路 半桥式
15、电路比较简单 全桥电路 较复杂而变换容量较大 本文采用单相桥式逆变电路为例进行分析 3 逆变电路的仿真逆变电路的仿真 3 1 电压型逆变电路电压型逆变电路 根据直流侧电源性质的不同可分为两种 直流侧是电压源的称为电压型逆变电路 直流侧是电流源的则称为电流型逆变电路 电压型逆变电路有以下特点 直流侧为电压源 或并联有大电容 相当于电压源 直流侧电压基本无脉动 直 流回路呈现低阻抗 由于直流电压源的钳位作用 交流侧输出电压波形为矩形波 并且与负载阻抗角 无关 而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率 直流侧电容起缓冲无功能量的作用 为了给交流侧想
16、直流侧反馈的无功能量提供通道 逆变桥各臂都并联了反馈二极管 又称为续流二极管 逆变电路分为单相和三相两大类 其中 单相逆变电路主要采用桥式接法 主要 有 单相半桥和单相全桥逆变电路 而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路 组成 3 1 1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 1 半桥逆变电路 1 半桥逆变电路结构及其工作原理 在一个周期内 电力晶体管 T1 和 T2 的基极信号各有半周正偏 半周反偏 且互 补 若负载为阻感负载 设 t2 时刻以前 T1 有驱动信号导通 T2 截止 则 2 U U d 0 t2 时刻关断的 T1 同时给 T2 发出导通信号 由于感性负载中的电流 i 不能立 即改变方向 于是 D2 导通续流 2 U U d 0 t3 时刻 i 降至零 D2 截止 T2 导通 i 开始反向增大 此时仍然有 7 2 U U d 0 在 t4 时刻关断 T2 同时给 T1 发出导通信号 由于感性负载中的电流 i 不能立 即改变方向 D1 先导通续流 此时仍然有 2 U U d 0 t5 时刻 i 降至零 T1 导通 2 U U d 0 图图 2 2 单相半桥电压型逆变电路
