電力電子課程設(shè)計---交流變換器裝置設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 概論1</b></p><p>　　2 方案比較論證3</p><p>　　2.1主電路方案選擇3</p><p>　　2.2控制電路方案選擇4</p><p>　　3 仿真模型及參數(shù)設(shè)置6

2、</p><p>　　3.1單相整流—逆變電路的仿真模型6</p><p>　　3.2仿真模型使用模塊提取的路徑及其參數(shù)設(shè)置6 </p><p><b>　　4實驗仿真9</b></p><p><b>　　5結(jié)論10</b></p><p><b>　　參

3、考文獻11</b></p><p><b>　　交流變換器仿真研究</b></p><p><b>　　1 概論</b></p><p>　　近年來，隨著各行各業(yè)的技術(shù)水平和操作性能的提高，它們對電源品質(zhì)的要求也在不斷提高。為了高質(zhì)量和有效地使用電能，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電

4、能源，而是根據(jù)用電設(shè)備的要求采用電力電子技術(shù)對電能進行變換，從而得到各自所需的電能形式。而實現(xiàn)這一功能的裝置就是交流變換器。從結(jié)構(gòu)上看，變頻電源可分為直接變頻和間接變頻兩大類。</p><p>　　直接變頻又稱為交一交變頻，是一種將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電，中間沒有直流環(huán)節(jié)的變頻形式。間接變頻又稱為交一直一交變頻，是將工頻交流電先經(jīng)過整流器成直流電，再通過逆變器將直流電變換成頻率可變的交流電的變頻形式

5、，因此這種變頻方式又被稱為有直流環(huán)節(jié)的變頻方式。其中，把直流電變成交流電的過程叫做逆變，完成逆變功能的電路稱為逆變電路。這種能量的變換對節(jié)能、減小環(huán)境污染、改善工作條件、節(jié)省原材料、降低成本和提高產(chǎn)量等方面均起著非常重要的作用。</p><p>　　交一交變頻一般使用的開關(guān)器件是晶閘管，利用電網(wǎng)電壓有自動過零并變負的特點，將晶閘管直接接在交流電源上，使晶閘管能自然關(guān)斷。其過程與可控整流器一樣，不需要附加換流器件，

6、方法簡單，運行可靠。但是這種方法使用晶閘管數(shù)量較多，主回路復(fù)雜，且輸出頻率受電源頻率的限制，一般不能高于電網(wǎng)頻率的1／2。</p><p>　　交一直一交變頻是目前變頻電源的主要形式。本文所研究的變頻電源即采用這種形式。按照電壓、頻率的控制方式，交一直一交變頻器一種主要結(jié)構(gòu)是采用二極管全橋不控整流器整流、脈寬調(diào)制型(PWM)逆變器同時實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻方式。此時不可控整流提高了裝置輸入功率因數(shù)，減小了對電網(wǎng)的諧波污染，

7、又因采用高開關(guān)頻率的逆變器，輸出諧波很小，性能優(yōu)良。本文所述的變頻電源采用這種方案。采用二極管不可控整流，以提高網(wǎng)側(cè)電壓功率因數(shù)，整流所得直流電壓用大電容穩(wěn)壓，為逆變器提供直流電壓，再經(jīng)過逆變器，輸出可變幅值可變頻率的信號。</p><p>　　本文所研究的交流變頻器可以分為四個功能模塊：整流電路、逆變電路、輸出濾波器和控制電路。整流電路是一個單相AC／DC變換電路，功能是把AC 220V／50Hz的電源進行整流

8、濾波后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電源供給逆變電路。該整流能對電網(wǎng)污染進行雙向隔離，以提高整機的電磁兼容性能。逆變電路是該電源的關(guān)鍵電路，其功能是實現(xiàn)DC／AC的功率變換，即在在控制電路的控制下把直流電源轉(zhuǎn)換成單相SPWM波形供給后級濾波電路，形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。功率級采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，電源利用率高，整機工作效率高。濾波電路是用來濾除干擾和無用信號，使輸出為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。控制電路用于產(chǎn)生SPWM控制信號，還具有相關(guān)的過流，過壓保護等功能。</p&g

9、t;<p><b>　　2方案比較論證</b></p><p>　　2.1 主電路方案選擇</p><p>　　交交變頻電路。交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電動機調(diào)速系統(tǒng)，實際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。其原理圖如圖1所示。電路由P組和</p><p>　　圖1 交交變頻原理圖</p><p>　　

10、N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路組成。變流器P和N都是相控整流電路，P組工作時，負載電流為正，N組工作時，負載電流為負。讓兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就可得到該頻率的交流電，改變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出頻率。改變變流器工作時的控制角，就可以改變交流輸出電壓的幅值。不難看出，且輸出頻率受電源頻率的限制，一般不能高于電網(wǎng)頻率的1／2。交交變頻電路是才用相位控制方式，因此其輸入電流總是滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率，其功率

11、因數(shù)較低。</p><p>　　交直交變頻器。間接交流變流電路由整流電路、中間直流電流和逆變電路構(gòu)成。圖2 所示的是不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路。整流電路將</p><p>　　圖2 不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路</p><p>　　220V/50Hz的交流變換成直流。中間直流電流對直流進行濾波處理，必要時進行升壓斬波，以提高逆變后能輸出交流的最大幅

12、值。逆變電路的功能是將直流逆變?yōu)樗桀l率和幅值的交流，主要是應(yīng)用SPWM技術(shù)控制逆變橋，產(chǎn)生交流電。該方案具有功率因數(shù)高，對電網(wǎng)污染小等優(yōu)點。本文中采用這種間接變換電路實現(xiàn)題目要求。</p><p>　　2.2控制電路方案選擇</p><p>　　DC—AC變換部分的控制技術(shù)是逆變電源的最關(guān)鍵部分，它在很大程度上決定了整個電源的性能。傳統(tǒng)的逆變電源采用模擬控制技術(shù)，該方法控制結(jié)構(gòu)比較成熟，

13、積累了大量的設(shè)計經(jīng)驗，而且相對成本較低，但是模擬控制存在著許多固有缺點：</p><p>　　(1)電源生產(chǎn)的一致性不好，產(chǎn)品升級困難，新型逆變電源的誕生，一般都伴隨著大幅度硬件的更換；</p><p>　　(2)因采用大量的分散元件和電路板，導(dǎo)致硬件的成本偏高，系統(tǒng)的可靠性下降：</p><p>　　(3)設(shè)計周期長，調(diào)試起來復(fù)雜。并且較難實現(xiàn)先進的復(fù)雜的控制算法

14、。</p><p>　　近年來，數(shù)字化已經(jīng)成逆變電源的發(fā)展方向。隨著高性能數(shù)字信號處理器DSP的出現(xiàn)和控制理論的普遍發(fā)展，使得逆變電源的控制技術(shù)朝著全數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。逆變電源采用數(shù)字控制相對模擬控制，具有以下明顯優(yōu)點：</p><p>　　(1)控制電路結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，大大簡化了硬件電路的設(shè)計，提高系統(tǒng)抗干擾能力；</p><p>　　(2)設(shè)計和制

15、造靈活，每臺電源間的一致性好，一旦改變了控制方法，只需修改程序即可，無需變動硬件電路，大大縮短了設(shè)計研制周期；</p><p>　　(3)易于采用先進的控制方法和智能控制策略，使得逆變電源的智能化程度更高，性能更完美；</p><p>　　可見，數(shù)字化是逆變電源發(fā)展的主要方向，然而，也存在著挑戰(zhàn)。原因是逆交電源是一個復(fù)雜的電力電子裝置，是一個多變量、非線性、時變的系統(tǒng)，因此對它的控制存在著

16、困難。目前的困難主要來自于一下幾個方面：</p><p>　　(1)逆變電源的輸出要跟蹤的是一個按正弦規(guī)律變化的給定信號，它不同于一般的開關(guān)電源的常值控制。在閉環(huán)控制下，給定信號與反饋信號的時間差就體現(xiàn)為明顯的相位差。這種相位差與負載是相關(guān)的，這就給控制器的設(shè)計帶來了困難；</p><p>　　(2)逆變電源的輸出濾波器對系統(tǒng)的模型影響很大，輸入電壓的波動幅度和負載的性質(zhì)、大小的交化范圍往

17、往比較大，這些都增加了控制對象的復(fù)雜性，使得控制對象模型的高階性、不確定性、非線性顯著增加；</p><p>　　(3)對于數(shù)字式PWM，都存在一個開關(guān)周期的失控區(qū)間：一般是在每個開關(guān)周期的開始或上一個周期之末來確定本次脈沖的寬度。即使這時系統(tǒng)發(fā)生了變化，也只能在下一個開關(guān)周期對脈沖寬度做出調(diào)整。</p><p>　　當(dāng)然，正是有著眾多的優(yōu)點，而問題又存在，才使得逆變電源的數(shù)字化控制在國內(nèi)

18、外引起了廣泛的關(guān)注。本文中的設(shè)計采用數(shù)字化方式控制，其核心控制芯片采用TI公司的TMS320f2182。</p><p>　　3 仿真模型及參數(shù)設(shè)置</p><p>　　3.1.單相整流—逆變電路的仿真模型</p><p>　　單相整流—逆變電路的仿真模型如圖3所示，由圖可知，單相50Hz交流電源經(jīng)單相不控整流環(huán)節(jié)，進行LC濾波后即為中間直流環(huán)節(jié)。再進入PWM逆變，

19、又一次LC濾波后，連接到需要不同于50Hz的交流電單相負載。萬用表檢測不控整流橋與逆變橋的電力電子元件的電壓與電流，示波器還檢測輸出負載電壓波形。</p><p>　　圖3 單相整流逆變電路的仿真模型</p><p>　　3.2.仿真模型使用模塊提取的路徑及其單數(shù)設(shè)置</p><p>　　離散PWM發(fā)生器模塊Discrete PWM Generator提取路徑是：S

20、imulink\SimPowerSystems\Power Electronics\Discrete Control Blocks\Discrete PWM Generator;信號終結(jié)模塊Terminator提取路徑是:Simulink\Commonly Used Blocks\Terminator。交流電源模塊:“Phase”初相角0°,“Frequency”頻率50Hz,“Sample time”采樣時間0(默認值0表示

21、該交流電源為連續(xù)源),“Peak amplitude”當(dāng)變頻輸出頻率為50Hz時置為220V×。濾波電感L1：選Series RLC Branch模塊，將參數(shù)“Inductance(H)”置為80e-3。濾波電感L2；選Series RLC Branch模塊，將參數(shù)“Inductance(H)”置為30e-3。濾波電容C1：選Series RLC Branch模塊，將參數(shù)“Capacitance(F)”置為1800e-6。濾波

22、電容C2：選Series RLC Branch 278模塊，將</p><p>　　圖4 不控整流橋參數(shù)設(shè)置</p><p><b>　　圖5 逆變參數(shù)設(shè)置</b></p><p>　　圖6 離散PWM發(fā)生器參數(shù)</p><p>　　圖7 RL負載參數(shù)設(shè)置</p><p><b>　　4

23、實驗仿真</b></p><p>　　設(shè)置仿真開始時間為0，停止時間設(shè)置為0.5s，采用Ode23tb算法，其他參數(shù)采用系統(tǒng)默認設(shè)置。對圖3模型仿真.得到仿真結(jié)果，其波形為圖8所示。</p><p>　　圖8 單相整流逆變電路仿真波形</p><p><b>　　5結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)過近兩

24、星期的努力，終于完成了本次課程設(shè)計。其中包括方案的論證、電路的詳細設(shè)計、最后的仿真分析，包括整流電路、逆變電路、輸出濾波器的主回路等各個方面。</p><p>　　電源技術(shù)的精髓是電能變換，即利用電能變換技術(shù)，將市電或電池等一次電</p><p>　　源變換成適用于各種用電對象的二次電源。變頻技術(shù)作為電源技術(shù)的核心技術(shù)，</p><p>　　集現(xiàn)代電子、信息和智能技

25、術(shù)于一體。新的器件和新的拓撲理論的出現(xiàn)使得變頻</p><p>　　電源技術(shù)日趨可靠、成熟、經(jīng)濟、適用。</p><p>　　論文詳細闡述了系統(tǒng)設(shè)計的思想和實現(xiàn)過程。但由于時間關(guān)系，對控制器的系統(tǒng)軟件設(shè)計沒能給出詳細的設(shè)計過程和例程，系統(tǒng)軟件設(shè)計分為人機接口程序和控制程序。人機接口程序?qū)崿F(xiàn)了實時電壓電流數(shù)據(jù)及其波形顯示，控制參數(shù)顯示及在線修改等功能；控制程序?qū)崿F(xiàn)了信號采樣分析、PWM脈沖調(diào)

26、制和觸發(fā)、PI控制器等程序。</p><p>　　隨著社會進步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的產(chǎn)業(yè)將應(yīng)運而生，變頻電源涉及的領(lǐng)域越來越寬，其產(chǎn)品規(guī)格和品種也將越來越多，技術(shù)難度也將越來越大，有很多問題有待我們?nèi)パ芯浚纾?lt;/p><p>　　能否全面貫徹電磁兼容性?電氣額定值能否更高(如功率因素)或更低(如輸出電壓)？能否組建大容量電源?能否使外形更加小型化，外形適用使用場所要求?能否形成批量生產(chǎn)或

27、單件快捷生產(chǎn)?這五個問題是變頻電源能否在更廣泛領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵，也是我們未來要解決的主要問題。</p><p>　　雖然，變頻電源的研究開發(fā)中還有不少問題有待解決，需要更多的人投入研</p><p>　　究工作，但我相信在大家的共同努力下，裝置必將被廣泛應(yīng)用，發(fā)揮其強大的作</p><p><b>　　用。</b></p><

28、p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)．北京：機械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[2]楊蔭福，段善旭，朝澤云.電力電子裝置及系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社，2006</p><p>　　[3]陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)．北京：機械工業(yè)出版社，1991</p><