运用MATLAB对直流、交流电路的建模--毕业设计

中北大学2009届毕业设计说明书第1页共32页1绪论所谓逆变，就是与整流相反，把直流电转化成某一固定频率或可变频率的交流电（DC∕AC）的过程。逆变电路的应用非常广泛。在众所周知的各种电源中，化学能电源、太阳能电池等都是直流电源，当这些电源向交流负载供电时，就必须经过逆变电路，将其转换为所需频率的交流电【1】。逆变电路的另一主要应用就是变频，在这种应用中，变频器多采用简介变频方式，负载可以是感应加热设备、调速电机或其它形式的用电设备。随着电力半导体器件的发展，逆变电路的应用范围不断得以拓宽，它几乎渗透到国民经济的各个领域。利用全控器件组成逆变电路是今后发展的趋势，因为它具有功率密度高、性能好、体积小、重量轻等优点，因而必然会再不同容量范围内取代晶闸管组成逆变电路，尤其是随着半导体执照技术的发展，由IGBT等新型电力电子器件在这一领域独领风骚的时代已经来临【2】。无源逆变在交流电机变频调速、感应加热、不间断电源等方面应用十分广泛，要求其输出功率大、谐波含量小、逆变效率高、性能稳定可靠。本文力用MATLAB∕Simulink中电力系统仿真工具箱Simulinkpowersystems对逆变电路进行仿真，并通过仿真三相工频电源进行比较并得出结论。中北大学2009届毕业设计说明书第2页共32页2电压型三相桥式逆变电路2.1电压型三相桥式逆变器的基本电路如图2.1所示为电压型三相桥式逆变器的基本电路，，在实际电路中直流侧一般只有一个直流电源，但为了分析方便常将其看成两个电源串联而成,其间假象一个中点N。图2.1电压型三相桥式电路由于逆变电路输入端施加的是直流电压源，所以，若功率开关器件1S～6S采用晶闸管时，就必须添加某种形式的强迫换流电路。而1S～6S采用GTO、GTR、IGBT、MOSFET等全控器件时，则可利用则可利用驱动信号控制其导通与关断。图中1D～6D与1V～6V反相并联的续流二极管，其作用是为感性负载提供续流回路，避免功率器件承受过高的瞬态电压。本仿真采用IGBT作为开关器件【3】。2.2IGBT驱动类型本仿真采用的是180°导电型如图a。所谓的180°导电型，是指每个开关元件在每个周期内连续导通180°，关断时间也是180°，同一相即同一半桥上、下两个桥臂交替导电，即换相是在同一桥臂的上、下两个开关之间进行的，，也成纵向换相或纵向换流。每隔60°有一个元件发生换相，在任一瞬间总有三个桥臂参与导电【3】。2.3电压型三相桥式电路的工作原理由于换相是在同一桥臂的上、下两个桥臂中进行，为避免同一桥臂上上、下两个元件同时到点发生直通现象造成的短路，实际电路工作要按照先关断、中北大学2009届毕业设计说明书第3页共32页后开通的原则进行。即先关断一个开关，隔一小段的延时后在开通另一开关，这段延时称为互锁时间或死区时间。死区时间的长短要视器件的开关速度决定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就越短。为简化分析过程，再以下的分析中将这段死区时间忽略。对电压型逆变器，其直流电源侧通常是并联一个大电容，但为了分析方便，在图a中，将电容器画成两个相串联的电容组成，主要是为了得到假象的直流电源中点O，下面分析其工作过程。由于本仿真采用的是180°导电方式，即驱动信号的脉冲宽度为180°的方波，六个开关元件的的驱动信号依次相差60°。假设在此驱动信号下各开关元件可以可靠的开通和关断，则驱动信号的施加顺序就是开关元件的导通顺序，逆变桥中三个桥臂的上部和下部开关元件以180°间隔交替开通和关断，即1V～6V以60°的相位差依次开通和关断，其导通顺序依次为5V、6V、1V～6V、1V、2V～1V、2V、3V～2V、3V、4V～3V、4V、5V～4V、5V、6V.每隔60°有一组元件参与导电。当上桥臂或下桥臂元件导电时，U、V、W三相相对于直流电源中点来说其输出为+d2U或-d2U，再逆变器输出端形成三相电压。逆变器的输出电压波与电路接法和导通型有关，不受负载影响，输出波形如下图2.2：中北大学2009届毕业设计说明书第4页共32页图2.2三相桥式逆变电路工作波形对U相来说，当1V导通时，uUN=d2U，当4V导通时uUN=-d2U，因此uUN的波形是宽度为180°、幅值为d2U的正负对称矩形波。VW两项的输出与U相类似，输出电压也是由在同一相的上、下桥臂两个元件分别导电180°得到，uVN、uWN的波形形状和uUN相同，只是相位上依次相差120°，uUN、uVN、uWN波形如上图（a）、（b）、（c）所示。负载线电压可有下列公式求出：uUV=uUN-uVN（式2.1）uVW=uVN-uWN（式2.2）中北大学2009届毕业设计说明书第5页共32页uWU=uWN-uUN（式2.3）其波形如上图（d）所示，这些线电压可以直观的由波形图中的相电压波形叠加得出【4】。逆变电路的输出侧接有Y形连接的三相对称负载，负载的中点为N，则负载上相电压uUN、uVN、uWN可有等效电路分析得出，其波形如上图（e）所示，为一对称阶梯波。由于一个周期可以划分为六个阶段每个阶段参与导电的元件各不相同。所以其等效电路也有六种不同模式。再0～180°的半个周期内的工作过程可以归纳为三个模式：①模式一等效电路如下图2.3图2.3等效模式一在模式一中，5V、6V、1V导通，根据基尔霍夫定律可知uUN=d3U(式2.4)uVN=-d23U(式2.5)uWN=-d3U(式2.6)②模式二等效电路如图2.4：图2.4等效模式二在模式二中，6V、1V、2V导通，根据基尔霍夫定律可知：中北大学2009届毕业设计说明书第6页共32页uUN=d23U(式2.7)uVN=-d3U(式2.8)uWN=-d3U(式2.9)③模式三等效电路如图2.5：图2.5等效模式三在模式三中,1V、2V、3V导通，同理可知：uUN=d3U(式2.10)uVN=d3U(式2.11)uWN=-d23U(式2.12)在180°～360°的后半个周期内，等效电路与前三种模式相似，只需要把直流电源dU的极性反向，于是负载上得到各段相电压的极性恰恰与前述三种模式相反，即所得波形与前三种模式形状相同，方向相反【3】。负载的参数不同时，其阻抗角φ就不同，则负载电流的波形形状和相位就有所不同。但当负载参数一定时其负载抗角φ也就一定，于是便可以由每项负载电压的波形确定该项电流的波形。图2.2（g）给出了电感性负载下φ3π时的iU波形。桥臂1和桥臂4之间的换流过程好板桥电路相似，。上桥臂中的1V从通态转换到断态时，因负载电感中的电流不能突变，下桥臂4中的4VD先导通续中北大学2009届毕业设计说明书第7页共32页流，带负载电流降到0，桥臂4中电流反相时，4V才开始导通，。负载阻抗角越大，4VD的导通时间就越长。iU的上升段即为桥臂1导电的区间，其中iU0是为N导通，iU0时为1V导通；iU的下降段即为桥臂4导电的区间，其中iU0时为4VD导通，iU0时为4V导通。iV、iW的波形和iU的形状相同，相位依次相差120°。三相电流的叠加就是直流电源提供电流di，其波形如图2.2（h）所示，。可以看出di每隔60°脉动一次，而直流侧电压是其本无脉动的，因此逆变器从电网侧向直流侧传送的功率是脉动的，且脉动情况和di的脉动情况大体相同。这也是电压型逆变器的一个特点。根据2.2（e）所示的波形，以U相为例，输出到负载的相电压的傅氏函数表达式为：uUN=d2uπ（sint+1111sin5tsin7t+sin11t+sin13t+571113…）=d2uπ（sint+1sinntn）(式2.13)式中n=6k1，k为自然数。负载相电压有效值uUN为：uUN=2201u2UNdtππ=0.471dU(式2.14)输出的基波幅值1UNmU为：1UNmU=2dUπ=0.637dU(式2.15)输出基波电压有效值1UNU为：1UNU=12UNmU=2dUπ=0.45dU(式2.16)中北大学2009届毕业设计说明书第8页共32页输出线电压uUV的傅氏级数表达式为：uUV=111123sintsin5tsin7t+sin11t+sin13t+571113dU（π…）=23dUπsint（+nkk111sinntn（））(式2.17)式中n=6k1，k为自然数。有效值输出线电压uUV为：uUV=2201udt2UNππ=0.816dU(式2.18)其中输出线电压的基波幅值1mUVU为：1mUVU=1m3UNU=d23Uπ=1.11dU(式2.19)输出线电压的基波有效值1UVU为：1UVU=31UNU=6πdU=0.78dU(式2.20)【2】2.4三相桥式逆变电源驱动电动机模型驱动电路图如图2.6中北大学2009届毕业设计说明书第9页共32页图2.6三相桥式逆变电源下三相电机模型三相桥式逆变电路的一个应用就是就是在吧改变三相异步电机转子调速的情况下改变定子电流。当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的【5】。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。中北大学2009届毕业设计说明书第10页共32页3无源逆变原理3.1逆变器分类逆变器分类方法多种多样，以下是几种不同的分类方法。①按照按照直流电源性质，可分为电压型逆变器和电流型逆变器两大类。逆变电路的直流侧是电压源的，属于电压型逆变器。电压型逆变器再直流侧接有储能电容器，用于稳定直流电压。直流侧是电流源的属于电流性逆变器。电流性逆变器在直流侧接有储能电感，用以稳定直流电源。②按照输出相数，可分为单相逆变电路好三相逆变电路。③按照输出波形，可分为正弦波逆变器和非正弦波逆变器。④按照电路结构，可分为半桥式逆变电路、全桥式逆变电路好非桥式逆变电路。⑤按照使用的功率器件，可分为半控器件电路好全控器件电路【2】。3.2器件换流方式所谓换流（也称为换相）就是电流从一个导电支路转移到另一个导电支路的过程换流过程，就是使原来处于阻断状态的某个支路变为导通状态，而原来处于导通状态的某个支路变为阻断状态。对于全控型器件来说，这种状态的改变，只需要改变加在门极的驱动信号来实现即可。但是对于晶闸管这种半控型器件，虽然由短态到通态的转变只需通过改变加在门级的驱动信号即可实现，然而要使器件从通态转变为短态就不那么简单了。只能利用外部电路条件或采取以一定措施，使晶闸管的电流为零后再施加一定时间的反向电压，才能使其可靠关断。可见，对于不同电力电子器件所组成的不同电力电子电路，其要求换流方式是不同的。电力电子电路中采用的换流方式有以下几种:①．负载换流（LoadCommutation）利用负载自身提供换流电压的换流方式称为负载换流。采用负载换流时，要求负载电流的相位必须超前于负载电压的相位，即负载为电容性负载，且负载电流超前电压的时间应大于晶闸管的关断时间，才能实现负载换流。②．电网换流（LineCommutation）利用电网提供换流电压进行换流称为电网换流。在换流时，利用电网电压给欲关断的晶闸管施加一反向电压并保持一定时间，即可使其关断。这种换流方式主要适用于半控型器件，而且不需要为换流添加任何器件。中北大学2009届毕业设计说明书第11页共32页③.强迫换流（ForcedCommutation）强迫换流是采用专门的换流电路，给欲关断的晶闸管施加反向电压或反向电流的换流方式。这种换流方式一般是利用预先储存有足够能量的换流电容器来实现，，所以也称为电容换流。强迫换流又分为电压强迫换流和电流强迫换流两种。④．器