1、 電力電子技術課程設計題 目： 三相逆變電路的設計及其研究 專 業： 電氣自動化 班 級： 14電氣 姓 名： 劉祝同 學 號： 140104011 指導教師： 喻麗麗 目錄三相逆變電路的設計及其研究21 引言22 設計依據及框圖32.1 設計平臺32.2 設計思想42.3 設計結構框圖42.4 三相全橋逆變的理論分析43 SIMULINK仿真調試分析93.1三相逆變電路SIMULINK仿真調試分析93.2 SIMULINK示波器觀察的波形圖123.3 諧波分析134 結語164.1 結論與討論164.2 心得體會17參考文獻18三相逆變電路的設計及其研究摘要：本課程設計報告主要研究了三相逆變

2、電路的設計的問題，根據逆變電路相關理論知識，利用MATLAB軟件的SIMULINK進行仿真，對仿真出的相關波形與理論分析得出的結論比較，總結出三相逆變電路的設計是否正確，逆變電路負載特性，再對其進行進一步研究，本課程設計主要采用應用非常廣泛的三相全橋逆變電路進行研究。關鍵字：逆變；全橋；SIMULINK；負載1 引言今年我們開設了電力電子技術這門課，這是一門非常基礎和有用的課程。學會了這門課之后可以實現AC/DC，DC/AC（本課程設計主要涉及的逆變），DC/DC，AC/AC這些變換，還可以利用這些變換對電機進行控制，例如可以實現電機的變頻調速等控制。MATLAB這個軟件不僅在數學上應用廣泛，

3、在電機學，電力電子技術這些課程上的應用也十分廣泛。本次課程設計的目的是為了：一、進一步理解和消化書本知識，運用所學知識和技能進行簡單的設計。二、通過課程設計提高應用能力，為專業課的學習打下基礎。三、培養查閱資料的習慣,訓練和提高獨立思考和解決問題的能力。四、對得出的仿真結果與理論分析結果進行比較，得出相關結論。2 設計依據及框圖2.1 設計平臺2.1.1 MATLA的基本介紹 MATLAB（矩陣實驗室）是MATrix LABoratory的縮寫，是一款由美國The MathWorks公司出品的商業數學軟件。MATLAB是一種用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互

4、式環境。除了矩陣運算、繪制函數/數據圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來創建用戶界面及與調用其它語言（包括C，C+和FORTRAN）編寫的程序。2.1.2 MATLAB的發展歷史20世紀70年代，美國新墨西哥大學計算機科學系主任Cleve Moler為了減輕學生編程的負擔，用FORTRAN編寫了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市場。到20世紀90年代，MATLAB已成為國際控制界的標準計算軟件。2.1.3 MATLAB的特點1) 高效的數值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數學運算

5、分析中解脫出來；2) 具有完備的圖形處理功能,實現計算結果和編程的可視化;3) 友好的用戶界面及接近數學表達式的自然化語言，使學者易于學習和掌握；4) 功能豐富的應用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等) ,為用戶提供了大量方便實用的處理工具。2.1.4 MATLAB的SIMULINK仿真優勢SIMULINK是一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續、離散及兩者混合的線性和非線性系統，也支持具有多種采樣頻率的系統。在SIMULINK環境中，利用鼠標就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統模型，然后直接進行仿真。它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結構畫模型就像你用手

6、和紙來畫一樣容易。它與傳統的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優點。SIMULINK包含有SINKS（輸入方式）、SOURCE（輸入源）、LINEAR（線性環節）、NONLINEAR（非線性環節）、CONNECTIONS（連接與接口）和EXTRA（其他環節）子模型庫，而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊。用戶也可以定制和創建用戶自己的模塊。用SIMULINK創建的模型可以具有遞階結構，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結構創建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標雙擊其中的子系統模塊，來查看其下一級的內容，以此類推，從而可以看到整個模型的細節，幫助用戶理

7、解模型的結構和各模塊之間的相互關系。在定義完一個模型后，用戶可以通過SIMULINK的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真非常有用。采用SCOPE模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進行的同時，就可觀看到仿真結果。除此之外，用戶還可以在改變參數后來迅速觀看系統中發生的變化情況。仿真的結果還可以存放到MATLAB的工作空間里做事后處理。模型分析工具包括線性化和平衡點分析工具、MATLAB的許多工具及MATLAB的應用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環境下對自己的模型進行仿真、分析和修

8、改。2.2 設計思想2.2.1三相逆變設計電路思想1、 問題重述： 將380V的直流電源逆變成頻率為50HZ的有效值為220V的三相交流電源，采用應用非常廣泛的三相全橋逆變電路，開關管采用六個IGBT，三個單相逆變器的開關管驅動信號之間互差，三相輸出電壓、大小相等，基波互差，構成一個對稱的三相交流電源。逆變器的負載選用三角形聯結進行研究。2、 設計思想： 問題中的六個IGBT采用MATLAB里的六脈波觸發器進行控制，使得每個開關管的導通角為，同一個橋臂的上、下兩個開關管互補通、斷，對每個橋臂按導電方式且相位上互差進行驅動。2.3 設計結構框圖三相全橋 三相逆變仿真電路的設計 六 脈 沖 觸 發

9、 負 載 輸 出 圖1：三相全橋逆變電路設計結構框圖2.4 三相全橋逆變的理論分析2.4.1 電壓型三相全橋逆變電路的工作原理1、 逆變器逆變器也稱逆變電源，是一種可將直流電變換為一定頻率下交流電的裝置。相對于整流器將交流電轉換為固定電壓下的直流電而言，逆變器可把直流電變換成頻率、電壓固定或可調的交流電，稱為DC-AC變換。這是與整流相反的變換，因而稱為逆變。12、 三相全橋逆變電路三相全橋逆變電路要求直流電轉換為頻率相同、振幅相等、相位依次互差為120的交流電。 圖2：三相逆變主電路圖2是一種應用非常廣泛的三相橋式逆變電路。如果以直流電源中間點O為參考電位，該電路可以看做是由三個單相半橋逆變

10、器組合而成的三相逆變器。同一橋臂的上、下兩個開關管互補通、斷。如A相橋臂上臂T1管導通時，下管T4截止；T4導通，T1截止。每個橋臂按導電方式且相位上互差進行驅動，則在任何時刻都有三個開關管同時導通，導通順序為1、2、32、3、43、4、54、5、65、6、16、1、2，如此循環。3、 三相星形負載圖3：三相星形負載 逆變器的三相負載可按星形或三角形聯結。當負載如圖3所示的星形接法時，必須先求出負載的相電壓，才能求出相應的逆變器輸出的電流。4、三相全橋逆變總電路圖4：三相全橋逆變總電路2.4.2 周期內，三相全橋逆變電路的定量電路分析模式一：第一個周期期間，、有驅動信號分別使得開關管5、6、1

11、導通。由上圖4可知。三相橋的A、C兩端接正端P，而B點接負端Q。 （a） 模式一等效電路由上圖（a），A相和C相負載并聯，等效電阻為。在與B相負載R串聯。由分壓公式易知：，。模式二：第二個周期期間，、有驅動信號分別使得開關管6、1、2導通。由上圖4可知，A點接正端P，B、C接負端Q。 （b） 模式二等效電路如上圖（b）易知：，。 模式三：第三個周期期間，、有驅動信號分別使得開關管1、2、3導通。由上圖4可知，三相橋的A、B兩端接正端P，而C點接負端Q。 （c） 模式三等效電路2.4.3 電路分析后得到的理論波形：1、 六脈沖觸發器應輸出的理論波形2、 對應模式下輸出的線電壓、相電壓 線電壓 相

12、電壓3 SIMULINK仿真調試分析3.1三相逆變電路SIMULINK仿真調試分析3.1.1六脈波脈沖觸發器的仿真參數設計3.1.1.1理論分析： 圖5：六脈波發生器 要求產生的脈波導通角為（即脈沖寬度為），其中alpha_deg端口代表的是脈沖的移向角，在本課程設計中移向角的參數不影響實驗結果。Block端口給大于0則封鎖脈沖，給0則使發生器工作。 AB、BC、CA接一個三相交流電源的相電壓。 3.1.2實際的參數設置：3.1.2 三相全橋電路的開關管的選型以及參數設置3.1.2.1 理論分析：六脈沖觸發器產生的周期性六脈波T1、T2、T3、T4、T5、T6之間相位上互差，對每個橋臂要相位上

13、互差進行導通，同一個橋臂上的兩個開關管不能同時導通，又因為開關管采用了的導電形式，所以只能將脈沖T1和T4組合控制同一個橋臂上的兩個晶閘管（同一橋臂互差導通）作為A相，將T3和T6組合作為B相（不同橋臂要互差），其余兩個作為C相。開關管選用IGBT。3.1.2.2參數設置3.1.3 總的MATLAB的SIMULINK仿真接線圖3.2 SIMULINK示波器觀察的波形圖3.2.1 六脈沖發生器產生的六個脈沖觀測的波形3.2.2 線電壓VAB,相電壓VAN,VBN的波形 將此仿真的得出的波形與理論波形相對比，得出此仿真波形與理論分析的波形一致，根據仿真的波形，可以得出，星形負載電阻上的相電壓、是階

14、梯波。根據傅里葉分析負載電壓的階梯波，對其進行傅里葉級數分解，得出基波，再經過濾波就能得到平滑的正弦波。3.3 諧波分析將時間坐標起點取在階梯波的起點，利用傅里葉分析仿真波形圖中A相負載電壓。查電力電子技術書后附錄（A-16）得到無3次諧波，只含5、7、11、13等高次諧波，N次諧波的幅值為基波幅值的。通常只要采用變壓器，將變壓器的二次繞組都結成星形以便消除三倍基波頻率的諧波。得出的示波器的波形：（以下依次是、經過變壓器濾波之后的波形） 的波形 的波形 的波形4 結語4.1 結論與討論4.1.1三相全橋主電路設計的結論六脈沖觸發器產生的周期性六脈波T1、T2、T3、T4、T5、T6之間相位上互

15、差，對每個橋臂要相位上互差進行導通，同一個橋臂上的兩個開關管不能同時導通，又因為開關管采用了的導電形式，所以只能將脈沖T1和T4組合控制同一個橋臂上的兩個晶閘管（同一橋臂互差導通）作為A相，將T3和T6組合作為B相（不同橋臂要互差），其余兩個作為C相。要注意不能出現同一個橋臂上的兩個開關管同時導通的情況。 上述圖中的情況是一定不能出現的，而導通的IGBT如果不能可靠的導通或關斷時，將會出現嚴重的后果。由于開關的控制并不是理想的那么精密，在同一相的兩個正負開關在各自閉合斷開的瞬間有可能同時斷開或同時閉合。若同時閉合，如上圖所示，直流側電壓源短路發生危險。因此，為保證兩開關在斷開閉合時不會發生重疊

16、，在同時開關閉合瞬間改為一段死區時間，即兩開關首先同時關閉一段時間，而后其中一個開關再進行下一步閉合動作。時間內，正負開關均斷開，而后再打開其中一個，保證了交替過程中不會有同時打開的可能。的具體時間長短則要根據實際中使用的器件性能參數予以確定。這種方法可以有效避免實際生產過程中逆變電路的風險。4.1.2 仿真模型設計過程中出現的問題的體會本課程設計在SIMULINK的仿真環境下進行的，它有很好的有點是好多期間都是模塊化的，例如六脈沖發生器，還有三相全橋等。這些模塊并不是想當然的使用的，要了解這個模塊具體的工作性能。還有就是電路的設計一定要一步一步來，不能急于求成！脈沖觸發電路一定要得到到正確的

17、脈沖波形后才加到晶閘管上，對晶閘管進行控制。4.2 心得體會為期一個半星期的電力電子課程設計結束了，我和我的組員周方舟完成了老師交代的課程設計任務，電力電子是大二學習的課程，所以有些知識點已經有些忘了，剛剛接觸這個課題的時候還是很困難的，覺得有些無從下手，后來我們把教材好好的研究了一下，才開始有了頭緒，有了思路，之后的課程設計還是比較順利的。起初老師布置給我們的任務看似簡單明了，但是隨著課題的選擇就出現了麻煩，許多東西有印象但是卻不能去完整的表述和理解，在最開始就出現了麻煩；但是在我們翻書仔細思考后我們還是選出了合適自己的課題；在復習了先前的知識以后，才對所要求的電路有一個大概的了解，可是，攔路虎始終都會出現，此次課程設計最核心的部分就是用Matlab仿真，而且要用到Simulink模塊接線，這對我們來說是一個很大的挑戰，在滿是英文的界面里尋找我們需要的模塊，給了我們好大的壓力，我們在宿舍里不斷練習，所謂勤能補拙，熟能生巧，應該也是這樣吧，